電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)控制器傳導(dǎo)發(fā)射EMC設(shè)計(jì)*

邵 威

（武漢數(shù)字工程研究所 武漢 430074）

1 引言

電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)控制器是電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)中的重要設(shè)備，尤其是在軍事應(yīng)用領(lǐng)域，要求控制器不僅具有很高的抗干擾能力，同時(shí)還要對(duì)其它設(shè)備產(chǎn)生的干擾盡可能少。電磁兼容是電子儀器設(shè)備或系統(tǒng)在電磁環(huán)境中符合要求運(yùn)行并不對(duì)環(huán)境中其它設(shè)備或系統(tǒng)產(chǎn)生無(wú)法忍受的電磁干擾的能力［1］，它是衡量電子產(chǎn)品質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)［2］。本文采用GJB151B-2013標(biāo)準(zhǔn)來(lái)考察電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)控制器的電磁兼容特性，并針對(duì)模塊在CE102項(xiàng)目（10kHz～10MHz電源線傳導(dǎo)發(fā)射）測(cè)試中兩次測(cè)試都出現(xiàn)超標(biāo)現(xiàn)象的問(wèn)題進(jìn)行全面分析，并提出合理的整改方案。

2 問(wèn)題描述

CE102是用來(lái)測(cè)量EUT輸入電源線上的傳導(dǎo)發(fā)射的［3］，GJB151B-2013中規(guī)定了 CE102項(xiàng)目電源線傳導(dǎo)發(fā)射干擾的基準(zhǔn)限值，如圖1所示，本文電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)控制器采用DC-DC電源模塊供電，供電電壓DC24V，所以按照標(biāo)準(zhǔn)要求采用基準(zhǔn)曲線，沒(méi)有放寬極限。

在電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)控制器第一次進(jìn)行CE102項(xiàng)目測(cè)試的時(shí)候，測(cè)試結(jié)果中多處出現(xiàn)超標(biāo)現(xiàn)象，具體測(cè)試曲線如圖2所示，圖中是正線測(cè)試曲線，可以看出主要超標(biāo)段在0.365MHz～10MHz，而且在進(jìn)行負(fù)線測(cè)試的時(shí)候，測(cè)試曲線與正線基本一致。

圖1 CE102基準(zhǔn)限值曲線

圖2 第一次整改前CE102測(cè)試曲線

一般來(lái)說(shuō)根據(jù)開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)生差模干擾、共模干擾的特點(diǎn)，可以將測(cè)試曲線頻率段劃分為三個(gè)部分［4］：

1）0.15MHz～0.5MHz差模干擾為主；

2）0.5MHz～5MHz差模干擾、共模干擾共存；

3）5MHz～10MHz共模干擾為主。

根據(jù)CE102測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)整改經(jīng)驗(yàn)，超標(biāo)可以通過(guò)采用濾波電路、增加差模X電容、共模Y電容和磁環(huán)等方式來(lái)解決，但是具體器件參數(shù)無(wú)法確定，一般X電容通常為1uF和0.68uF，Y電容通常為330nF、220nF和33nF等。由于現(xiàn)場(chǎng)條件有限，第一次CE102整改使用了一般性能濾波電路前置在電源入口處，并增加幾個(gè)X電容和Y電容，最后將電源進(jìn)線和出現(xiàn)分別繞線套在EMI磁環(huán)內(nèi)，經(jīng)過(guò)幾次調(diào)整后整改后的測(cè)試曲線如圖3所示，測(cè)試效果得到很大的改善，但是依舊在0.365MHz這個(gè)頻點(diǎn)有超標(biāo)現(xiàn)象。

3 分析計(jì)算

3.1 干擾源分析

電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)控制器的電源部分電路圖如圖4所示，DC-DC電源模塊為開(kāi)關(guān)電源，模塊手冊(cè)中說(shuō)明開(kāi)關(guān)頻率典型值為360kHz，與第一次CE102測(cè)試和整改后超標(biāo)頻率相近?？梢耘袛喔蓴_源主要是DC-DC電源模塊，開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)生電磁干擾最根本的原因，就是其在工作過(guò)程中產(chǎn)生的高di/dt和高dv/dt，它們產(chǎn)生的浪涌電流和尖峰電壓形成了干擾源［5］。

圖3 第一次整改CE102測(cè)試曲線圖

圖4 電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)控制器電源電路圖

3.2 干擾抑制措施

干擾源、耦合路徑和敏感設(shè)備是電磁干擾的三要素［6］，如圖5一般DC-DC電源模塊采用RC吸收電路能有效抑制干擾源頭，但是DC-DC電源模塊封裝完整，無(wú)法對(duì)內(nèi)部電路進(jìn)行優(yōu)化，本文采用切斷耦合路徑的方式來(lái)減少電源模塊對(duì)其它敏感電子設(shè)備的干擾。

圖5 DC-DC電源模塊干擾源抑制措施

采用可靠的濾波電路是切斷干擾耦合路徑的有效方式，如圖6典型的濾波電路分為一般性能EMI濾波電路和差模增強(qiáng)型EMI濾波電路［7］。在第一次整改過(guò)程中用到的濾波電路為一般性能EMI濾波電路，這個(gè)電路中L與2個(gè)Cy組成共模濾波電路對(duì)共模干擾起到很好的抑制作用，由于L的兩端線圈的繞制不可能絕對(duì)相同，兩端的線圈電感的差值就形成了一個(gè)漏電感，這個(gè)漏電感與2個(gè)Cx為差模濾波電容主要消除差模干擾信號(hào)。從第一次整改結(jié)果來(lái)看一般性能EMI濾波電路在對(duì)共模干擾部分的抑制可以滿足測(cè)試的需求，而對(duì)電源模塊產(chǎn)生365kHz差模干擾部分抑制作用還達(dá)不到要求，圖6中列出了兩種常用EMI濾波電路的插損圖，對(duì)比可以看出差模增強(qiáng)型EMI濾波電路在365kHz頻點(diǎn)的插損高于一般性能EMI濾波電路，所以需要采用差模增強(qiáng)型EMI濾波電路的設(shè)計(jì)方案。

圖6 典型EMI濾波電路

3.3 濾波電路參數(shù)計(jì)算

設(shè)計(jì)差模增強(qiáng)型EMI濾波電路需要確定的參數(shù)包括差模電容Cx、共模電容Cy、共模電感L和差模電感Ld，其中差模電容Cx和共模電容Cy對(duì)濾波電路的安全問(wèn)題都有非常重要的作用，因此在設(shè)計(jì)制作時(shí)，一定要把Cx和Cy的選用放在至關(guān)重要的位置［8］。

濾波電路對(duì)干擾噪聲的抑制額能力用插入損耗IL（Insertion Loss）來(lái)衡量［9］，它定義了濾波電路接入前后噪聲源在負(fù)載上產(chǎn)生功率的前后功率之比。在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下，一般軍用電源濾波電路的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足10kHz～30MHz范圍內(nèi)插入損耗30dB～60dB，而實(shí)際過(guò)程中插入損耗值還應(yīng)該加上6dB的安全量。結(jié)合第一次EMC測(cè)試的曲線，設(shè)計(jì)差模增強(qiáng)型EMI濾波電路抑制差模和共模干擾需要達(dá)到的衰減量如表1所示。

表1 差模增強(qiáng)型EMI濾波電路插損需求表

濾波電路接入前后電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)控制器的等效電路如圖8所示，由等效電路可以得到插入損耗IL的表達(dá)式為

圖7 EMI濾波電路插入前后等效電路

差模增強(qiáng)型濾波電路的差模等效電路和共模等效電路如圖8所示，其中共模電感LCM≈L，差模電感 LDM≈Ld，共模電容Cy，差模電容 Cx。

圖8 EMI濾波電路等效電路

根據(jù)等效電路得出式（2）共模等效電路參數(shù)矩陣和式（3）差模等效電路參數(shù)矩陣。

結(jié)合式（4）可求得EMI濾波電路插入損耗IL的表達(dá)式：

把共模等效電路和差模等效電路的參數(shù)矩陣分別帶入式（4）得到式（5）共模等效電路的插入損耗和式（6）差模等效電路的插入損耗。

EMI濾波電路一般源阻抗和負(fù)載阻抗都處于不匹配狀態(tài)，需要根據(jù)其源、負(fù)載阻抗匹配情況選擇合適濾波器結(jié)構(gòu)與失配網(wǎng)絡(luò)對(duì)噪聲進(jìn)行有效抑［10］，為了利于參數(shù)計(jì)算，這里先不考慮負(fù)載不匹配狀態(tài)，使用標(biāo)準(zhǔn)源阻抗和負(fù)載阻抗，即RS=RL=50Ω。直流EMI濾波電路中的電容耐壓較低，電容值越大濾波效果也越明顯，但是電容的取值關(guān)系到人身安全問(wèn)題［11］，需要選擇合適的電容值。常用的共模電容為330nF、220nF和33nF，常用的差模電容為1uF和0.68uF，本文中選取33nF和1uF作為共模電容和差模電容的數(shù)值，其它的常用參數(shù)值作為測(cè)試整改備用值。

理論上共模電感LCM值越大EMI濾波效果越好，但共模電感過(guò)高會(huì)導(dǎo)致截止頻率變低，使分布電容也同時(shí)變大，高頻電流經(jīng)過(guò)分布電容使濾波電路的高頻噪聲抑制效果變差，而且增大共模電感會(huì)造成電感繞線匝數(shù)增加，電感制作困難，成本變高，通常共模電感值在2mH～50mH之間；差模電感的發(fā)熱量一般比較大，因此為控制濾波電路的溫度在一定范圍內(nèi)，差模電感LDM值也不宜過(guò)大。結(jié)合式（5）、式（6）和表1可以求出表2中的共模電感LCM值和差模電感LDM值，其中12.6mH和38uH分別最大，為了有較好的濾波效果，共模電感選取數(shù)值相近的15mH，并同時(shí)選擇10mH和20mH作為備用；差模電感同樣選取數(shù)值相近的39uH，用12uH和47uH作為備用。

表2 共模電感值

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)計(jì)算好的濾波電路參數(shù)值制成濾波電路，其中共模電容Cy=33nF，差模電容Cx=1uF，共模電感LCM=15mH，差模電感LDM=39uH。經(jīng)過(guò)再次的實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)微調(diào)，CE102測(cè)試最終曲線如圖9所示。

圖9 CE102最終測(cè)試曲線圖

最終測(cè)試曲線圖中的關(guān)鍵測(cè)試頻點(diǎn)標(biāo)定如表3所示，從圖表結(jié)果可以看出整改方案是可行的，濾波電路關(guān)鍵參數(shù)的理論計(jì)算值是符合實(shí)際需求的。

表3 CE102測(cè)試關(guān)鍵頻點(diǎn)標(biāo)定表

5 結(jié)語(yǔ)

電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)控制器的電磁兼容特性是系統(tǒng)可靠運(yùn)行的關(guān)鍵因素，因此穩(wěn)定合適的濾波電路也成為系統(tǒng)必不可少的一部分。然而濾波電路的設(shè)計(jì)涵蓋了電氣、電子、結(jié)構(gòu)、材料和工藝等多個(gè)領(lǐng)域，EMC是一門(mén)嚴(yán)重依賴(lài)測(cè)試的學(xué)科［12］，EMC整改對(duì)工程人員的經(jīng)驗(yàn)要求很高，完全依靠反復(fù)的測(cè)試整改將造成時(shí)間和費(fèi)用的嚴(yán)重超支，因此必然要借助計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)來(lái)輔助設(shè)計(jì)，再通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的方式來(lái)提高解決EMC測(cè)試問(wèn)題的效率。