接地技術(shù)在電力電子技術(shù)實踐應用中的探討

廖無限，周翔，文定都，張德軍

（湖南工業(yè)大學電氣與信息工程學院，湖南株洲412007）

接地技術(shù)在電力電子技術(shù)實踐應用中的探討

廖無限，周翔，文定都，張德軍

（湖南工業(yè)大學電氣與信息工程學院，湖南株洲412007）

接地技術(shù)是保證電力電子裝置可靠工作的關(guān)鍵技術(shù)之一，研究了有關(guān)接地的系列問題。詳述了接地的分類、定義、目的，引入接地阻抗概念來解釋接地出現(xiàn)的各種現(xiàn)象，并給出了解決接地技術(shù)的應用策略，最后，設(shè)計了一種較佳的接地技術(shù)方案，以期實踐者能較好地解決接地技術(shù)在電力電子技術(shù)實踐應用中遇到的大多數(shù)問題。

接地；電力電子；阻抗；地環(huán)路

0 引言

隨著電力電子技術(shù)朝著高頻、高速、高效率、模塊化和多功能化方向的發(fā)展，產(chǎn)生了與之對應的高可靠性、高工作壽命和高抗干擾等方面的突出問題。從應用技術(shù)角度來看，其產(chǎn)生的主要原因是電力電子裝置本身功率容量和功率密度的不斷增加，電能變換電路中存在較大的du/dt和di/dt[1]。其中，如何外理好接地技術(shù)問題往往貫穿著電力電子實踐應用的整個過程，也是電力電子裝置是否達到設(shè)計和使用要求的關(guān)鍵之一。具體來說，接地技術(shù)不僅決定著有關(guān)電力電子電路的定性分析和參數(shù)計算是否正確，而且還決定著有關(guān)產(chǎn)品設(shè)計與生產(chǎn)后電磁兼容性（electro magnetic compatibility，EMC）等可靠性實踐的成??；另外，對于接地技術(shù)概念模糊的初學者而言，它是一個必須逾越的障礙，是初學者進一步深入電力電子學習和實踐的基礎(chǔ)。本文先介紹了接地的目的、定義與分類，分析了接地過程中出現(xiàn)的3種現(xiàn)象：地線阻抗、地環(huán)路和公共阻抗，對2大類接地技術(shù)進行比較，最后設(shè)計了一種在電力電子技術(shù)實踐應用中通用的、較佳的接地技術(shù)參考方案。

1 接地的目的、定義與分類介紹

1.1 接地的目的

在電力電子技術(shù)應用當中，接地的目的有2種：其一是為了保護人身、設(shè)備安全；其二是為了抑制干擾。例如，設(shè)備外殼的金屬件直接連接大地，可以提供靜電電荷的泄漏通路，防止靜電積累；接系統(tǒng)基準地可以給電源和傳輸信號提供一個基準電位，保證設(shè)備正常工作。系統(tǒng)基準地與大地相連，還可以起抑制干擾的作用[2]。

1.2 地的定義

所謂地，一般有2種定義：一種地，是作為電路電位基準點的等電位體，其通常被認為零電位；另一種地，是電流能夠流回源的一條低阻抗路徑。在電力電子技術(shù)應用當中，比較傾向于后一種定義。其原因是，一旦電力電子裝置運行，實測地上的電位并不是恒定的，如果用儀表或儀器測量地線上各點之間的電位，會發(fā)現(xiàn)各點的電位可能相差很大。第一種地的定義是一個等電位體，僅僅是一種理想狀態(tài)，而后一種地的定義突出了地線中電流的流動性和具有阻抗性的特征，按此種定義很容易理解地線產(chǎn)生干擾的原因[3]。

1.3 接地的分類

接地的分類如圖1所示。

圖1 接地的分類Fig.1 The grounding classification

接地按作用通常分為安全接地和信號接地。其中，安全接地主要防止人身或設(shè)備因電擊造成的傷害，可分為設(shè)備安全接地、防雷接地和接零保護接地，是一種遵循行業(yè)、國家和國際規(guī)范的強制性標準；信號接地主要為功率電流或信號流通提供參考的基準電位，可分為懸浮接地、單點接地、多點接地和混合接地[4-5]。信號接地是比較復雜的問題，需要依據(jù)系統(tǒng)信號的頻率、電路結(jié)構(gòu)和實現(xiàn)功能的不同，以及比較實驗測試數(shù)據(jù)后，再權(quán)衡利弊，采取相應的策略。本文將重點探討信號接地問題。

2 接地過程中的現(xiàn)象分析

PCB地平面地線電位分布如圖2所示。在對一個較復雜的電力電子電路PCB板的地平面局部測試中發(fā)現(xiàn)，實際的地（地線或地平面）一般并不是等電位的，會呈現(xiàn)出幅度不等的電位差。如果接地設(shè)計不合理，實際的地（地線或地平面）局部的電位差可能比圖中的更大，足可以促使電力電子電路產(chǎn)生誤動作，甚至破壞系統(tǒng)正常工作，即產(chǎn)生了地線嚴重干擾現(xiàn)象。另外，除了接地設(shè)計不合理外，焊接、裝配和使用過程中接地不良時，也會產(chǎn)生類似現(xiàn)象。上述現(xiàn)象產(chǎn)生的主要原因是電力電子電路中存在地線阻抗、地環(huán)路或公共阻抗。

圖2 PCB地平面地線電位分布Fig.2 Diagram for ground potential distribution in PCB ground plane

2.1 地線阻抗

地線的阻抗Z由電阻R與感抗j L相加組成，即

式中為角頻率，=2f，其中f為信號頻率。

當信號頻率f=0時，導線的阻抗Z等于導線的電阻R；當信號頻率f≠0時，導線的阻抗Z為導線的電阻R與電抗j L之和；當頻率f較高時，導線的阻抗Z基本上由導線的感抗j L決定，感抗j L的值遠遠大于電阻R的值。由于地線存在阻抗Z，因此，當電流流過地線時，在地線上各點之間形成電位差，進而使信號傳輸出現(xiàn)偏差，即出現(xiàn)了地線阻抗干擾[3]。另外，將地線看作導線，單純從導線的定量分析來看，導線越短、截面積越大，其阻抗Z越小，這就會使地線阻抗干擾越小。

2.2 地環(huán)路

地環(huán)路等效電路如圖3所示。如果環(huán)路有電流流動，則會產(chǎn)生一定的磁場強度H。根據(jù)電磁感應原理可得：感應電勢E(H)正比于環(huán)路面積S，即

地環(huán)路面積S越大，電路工作時對外產(chǎn)生的電磁干擾就越大。因此，針對高頻工作狀態(tài)下的電力電子電路而言，應盡可能地使地環(huán)路面積小。另外，電力電子電路控制模塊中地環(huán)路所受的電磁干擾，也可由附近的大功率電器啟動或外界其它的交變電磁場感應而產(chǎn)生，因此，在實際應用當中，地環(huán)路引起的環(huán)路電流也要引起足夠的重視。

圖3 一個等效電路圖Fig.3 One equivalent circuit diagram

2.3 公共阻抗

共阻抗耦合如圖4所示。電路1和電路2共用一段地線，等效為阻抗Z。當電路1有電流I1流過時，根據(jù)歐姆定理可知，在等效地線阻抗Z上，會產(chǎn)生干擾的地電位VN信號，且該信號會耦合進入電路2中。同樣，電路2單獨工作也一樣。因此，這種共用地線阻抗Z的存在會造成相互干擾。

圖4 共阻抗耦合示意圖Fig.4 Schematic diagram for common impedance coupling

3 實用的接地技術(shù)比較

從抗信號干擾的角度，實用的接地技術(shù)可分為消除地線環(huán)路和消除公共阻抗干擾兩大類。其相應的接地策略如下。

3.1 消除地線環(huán)路

消除地線環(huán)路可采用下述4種隔離結(jié)構(gòu)。

1）懸浮接地，簡稱浮地，如圖5所示。其優(yōu)點是：電路與外部的地系統(tǒng)有良好的隔離，切斷了地環(huán)路，可以消除地環(huán)路電流，不易受外部系統(tǒng)的干擾。缺點是：電路上易積累靜電，會產(chǎn)生靜電干擾，嚴重時可產(chǎn)生危險的對地電壓。

圖5 浮地示意圖Fig.5 Floating grounding diagram

2）隔離變壓器。隔離變壓器可以不用考慮共地問題。其分為一次側(cè)與二次側(cè)非屏蔽不共地方式（見圖6）和一次側(cè)與二次側(cè)屏蔽不共地方式（見圖7）。圖6中，隔離變壓器一次側(cè)與二次側(cè)之間可以等效為電容Cp，兩者之間會有電壓差VG，因此，只要不超過隔離變壓器設(shè)計的頻率和工作電壓范圍，一次側(cè)與二次側(cè)之間容抗和耐受電壓可保證其安全的信號隔離。圖7中，金屬屏蔽層必須接點2，該電路抗干擾能力才最強；隔離變壓器一次側(cè)與二次側(cè)之間可以等效為電容C1和C2與地構(gòu)成電容濾波電路，兩者之間也會有電壓差VG；相對于圖6所示的電路，其抗干擾能力更好。

圖6 一次側(cè)與二次側(cè)非屏蔽不共地方式示意圖Fig.6 Schematic diagram for unshielded non-common-ground mode of primary and secondary sides

圖7 一次側(cè)與二次側(cè)屏蔽不共地方式示意圖Fig.7 Schematic diagram for shielded non-common-ground mode of primary and secondary sides

3）光耦器件，如圖8所示。光耦器件也可以不用考慮共地問題。其工作原理與圖6類似，與隔離變壓器不同的是，這種方式只能傳遞信號，不能傳遞能量，但是當前的光耦是一種最好的，同時具有隔離性強和工作頻率范圍寬的器件，應用于抗干擾中占有越來越大的比重。

圖8 光耦器件示意圖Fig.8 Schematic diagram for optocoupler device

4）共模扼流圈，如圖9所示。圖中，發(fā)送端與接收端之間也存在一個等效的電壓差VG。共模扼流圈只能抑制共模干擾，不能抑制差模干擾。對于高頻電路來說，共模扼流圈的匝數(shù)越多，則寄生電容越大，地環(huán)路的阻抗變小，線環(huán)路電流變大，則高頻隔離效果會變差。

由此可見，接地線的x1,y1和1點的電位差異也取決于接地的等效阻抗和各電路的入地線電流，但是假設(shè)Z11,Z12和Z13相等，則各電路的地電位只與本電路的地電流、地線公共阻抗Z相關(guān)。這種方式較容易做到無過多的公共阻抗耦合（即能保證地線公共阻抗Z足夠?。?，適合應用于電力電子技術(shù)中高頻復雜的電路。

圖9 共模扼流圈示意圖Fig.9 Schematic diagram for the common-mode choke

3.2 消除公共阻抗

消除公共阻抗可采用下述4種隔離結(jié)構(gòu)。

1）單點接地（串聯(lián)）。單點接地（串聯(lián)）主要由各自隔離的電路1、電路2和電路3組成，3個電路依次串聯(lián)接地線，其存在接地的等效阻抗Z1,Z2和Z3，如圖10所示。假設(shè)設(shè)置的電位參考點分別為x,y和，各電路流入地線的電流分別為I1,I2和I3，則x點電位為Vx=(I1+I2+I3)Z1，y點電位為Vy=(I1+I2+I3)Z1+ (I1+I2)Z2，點電位為Vz=(I1+I2+I3)Z1+(I1+I2)Z2+I3Z3。由此可見，接地線x,y和3點的電位差異取決于接地的等效阻抗和各電路的入地線電流。這種方式雖然電路簡單，應用較多，但地線存在公共阻抗耦合，不適合應用于電力電子技術(shù)中高頻復雜的電路。

圖10 單點接地（串聯(lián)）示意圖Fig.10 Single-point grounding (series) diagram

圖11 單點接地（并聯(lián)）示意圖Fig.11 Single-point grounding (parallel) diagram

2）單點接地（并聯(lián)）。單點接地（并聯(lián)）主要由各自隔離的電路1、電路2和電路3組成，3個電路依次并聯(lián)接地線，其存在接地的等效阻抗Z11,Z12和Z13，以及公共阻抗Z，如圖11所示。假設(shè)設(shè)置的電位參考點分別為x1,y1和1，公共阻抗Z上的電位參考點為a，各電路流入地線的電流分別為I11,I12和I13，則可以得到各參考點的電位如下。為計算方便，另假設(shè)Z11,Z12和Z13數(shù)值相等，I11,I12和I13數(shù)值相等，則a點的電位為Vx=(I11+I12+I13)Z，而x1,y1和1點的電位為

圖13 混合接地示意圖Fig.13 Hybrid grounding diagram

3）多點接地。當工作頻率高于10 MHz或系統(tǒng)內(nèi)信號地線長度超過波長的1/20時，即通常所說的高頻電路，此時若繼續(xù)采用單點接地方式，不僅容易形成較長的地線而增加地線的阻抗，而且信號線間的雜散電感及分布電容也會造成信號間的耦合，從而造成系統(tǒng)工作不穩(wěn)定。當頻率進一步增加，地線的長度達到信號1/4波長或其奇數(shù)倍時，地線會由于諧振使阻抗迅速減小，從而向外輻射噪聲信號，此時的干擾將更為嚴重。所以，為降低地線阻抗，高頻系統(tǒng)設(shè)備的信號地線應采取就近接地，即多點接地（見圖12）。同時，還應盡量采用短而粗的導線作為連接線，以減少接地阻抗[7]，即各個接地點都直接接到就近的接地平面上，使其接地線的長度盡量短。這種接地方式的缺陷是次生地環(huán)路問題，這也需要引起注意。

圖12 多點接地示意圖Fig.12 Multi-point grounding diagram

4）混合接地。對于電力電子技術(shù)而言，工作頻率大于10 MHz和小于1 MHz的復雜電路通常采用混合接地形式。該接地形式既包含單點接地特性，又包含多點接地特性，如圖13所示。各電路點主要采用單點接地形式，還可以通過高頻電容器多點接地。由于電容的通交隔直作用，對于低頻信號電路而言，各電容相當于開路，則整體為單點接地工作方式；而對于高頻信號電路，電容相當于短路，則整體為多點接地工作方式。

4 通用的接地形式

電力電子技術(shù)電路越復雜，則處理接地的問題越困難，目前還沒有一個“放之四海而皆準”的接地通用規(guī)律。根據(jù)上述原理和接地結(jié)構(gòu)，本文介紹了一種通用的、較佳的接地形式，如圖14所示。在電力電子技術(shù)實踐中，參照本文接地方式來處理接地問題，能達到事半功倍的效果。

本文接地方式的具體操作如下。將電力電子電路接地進行分類處理，根據(jù)各電路子模塊的具體功能和性質(zhì)，分為模擬工作地、數(shù)字工作地、電源地和保護地，并且各類接地分別匯集，再以樹狀進行連接。其中，模擬工作地、數(shù)字工作地的工作電流較小，可以各自匯集后，共用一個匯流條，稱之為工作地匯流條，并且這個匯流條線徑要大于或等于模擬工作地和數(shù)字工作地匯流條線徑之和；電源地經(jīng)匯集后，共用一個匯流條，稱之為電源地匯流條，同樣這個匯流條線徑要大于或等于各電源地匯流條線徑之和；保護地匯集后，也共用一個匯流條，稱之為保護地匯流條，同樣這個匯流條線徑要大于或等于各保護地匯流條線徑之和。接著，經(jīng)工作地匯流條、電源地匯流條和保護地匯流條匯集到電力電子系統(tǒng)的機架上，其中機架上匯流條線徑要大于其它各匯流條線徑之和。最終，經(jīng)總的接地點入大地。

圖14 電力電子技術(shù)常用接地形式參照示意圖Fig.14 Schematic diagram for commonly grounding referred form of power electronics technology

5 結(jié)語

從實際出發(fā)，遵循最基礎(chǔ)的電路原理，特別是在較復雜的電力電子電路中，明確2個核心。這2個核心是：

1）消除地線環(huán)路。盡量減小地環(huán)路阻抗，減小地環(huán)路電流。

2）消除公共阻抗。盡量減小公共阻抗，減小地線之間的電位差。

同時，還要明確理解2個現(xiàn)象和規(guī)律：

1）通常，實際的地（地線或地平面）并不是等電位的。

2）電路中的回流總是走最小阻抗路徑。

初學者可以參照本文所介紹的通用接地方式，再結(jié)合上述接地形式的特性，只要多參與設(shè)計和實踐，并逐步積累經(jīng)驗，就能較好地解決接地技術(shù)在電力電子技術(shù)實踐應用中遇到的大多數(shù)問題。

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（責任編輯：鄧彬）

Discussion on Grounding Technology in the Power Electronic Technology Practical Application

Liao Wuxian，Zhou Xiang，Wen Dingdu，Zhang Dejun
（School of Electrical and Information Engineering，Hunan University of Technology，Zhuzhou Hunan 412007，China）

The grounding technique is one of the key technologies to ensure reliable operation of power electronic devices,and a series of grounding questions are studied. The classification,definition and purpose of grounding are described,the concept of grounding impedance is introduced to explain various grounding phenomena appeared,and the solving strategies for the grounding problem are presented. Finally,a better grounding technology scheme is designed for practitioners to solve most of the grounding technology problems in the power electronics technology practical applications.

grounding；power electronics；impedance；ground loop

TN70

A

1673-9833(2015)01-0065-05

2014-12-01

湖南省科技廳科技計劃基金資助項目（2011FJ3230，2012FJ4266）

廖無限（1969-），男，湖南株洲人，湖南工業(yè)大學工程師，主要研究方向為電力電子技術(shù)及其應用，自動控制技術(shù)及其應用，E-mail：714637797@qq.com

10.3969/j.issn.1673-9833.2015.01.012