空間站用艙內(nèi)風機電磁兼容性設(shè)計

李海波,湯勝林,王久華

(1.貴州航天林泉電機有限公司,貴陽 550008; 2.國家精密微特電機工程中心,貴陽 550008)

0 引 言

在空間站生保環(huán)控系統(tǒng)中,風機設(shè)備在調(diào)節(jié)艙內(nèi)氣體循環(huán)流動、保障空間站艙內(nèi)環(huán)境舒適性、以及為設(shè)備散熱等方面起到至關(guān)重要的作用,不同功率和體積的風機數(shù)量多達數(shù)十種,且長時間處于工作狀態(tài)。因此,在空間站內(nèi)部電子設(shè)備眾多、電磁環(huán)境復雜的條件下,做好風機產(chǎn)品的電磁兼容性設(shè)計是保證設(shè)備可靠性和安全性的重要環(huán)節(jié)。

本文針對一款空間站用風機產(chǎn)品,根據(jù)空間站產(chǎn)品電磁兼容性設(shè)計的建造規(guī)范要求,從抑制傳導干擾和輻射干擾等方面進行正向設(shè)計,實驗結(jié)果表明該風機電磁兼容設(shè)計滿足任務(wù)要求。

1 風機電磁干擾產(chǎn)生機理

電磁干擾三要素包括干擾源、傳輸途徑、敏感設(shè)備,三要素框圖如圖1所示。要解決電磁干擾問題,必須從電磁干擾三要素著手,主要有三種措施:一是減小干擾源電磁干擾;二是切斷干擾傳輸途徑;三是提高自身抗干擾能力。

圖1 電磁干擾三要素框圖

1.1 風機工作原理

艙內(nèi)風機由風機本體、風機電機以及電機控制器等組成,風機本體采用離心風機的結(jié)構(gòu)形式,電機本體采用無刷直流電機三相星型結(jié)構(gòu)形式,控制器采用PWM逆變橋驅(qū)動方式,逆變橋由6個MOSFET管組成,當給控制器加直流電壓時,逆變橋按照兩相導通三相六狀態(tài)的導通方式依次開通MOSFET管,驅(qū)動電機轉(zhuǎn)子帶動風機葉輪一起旋轉(zhuǎn),其工作原理框圖如圖2所示。

圖2 工作原理框圖

1.2 干擾源分析

1.3 傳輸途徑分析

圖3 一相共模干擾傳輸途徑

圖4 差模干擾傳輸途徑

2 電磁兼容設(shè)計

2.1 抑制傳導干擾的設(shè)計

由上述干擾源和傳輸途徑的分析可知,風機控制器和無刷直流電機在工作過程中會根據(jù)PWM頻率產(chǎn)生周期性電壓突變、電流突變,PWM頻率一般為7 kHz～20 kHz,其基波及高次諧波頻點處會造成電源線傳導發(fā)射超標。因干擾源和傳輸途徑無法消除,電磁干擾必定存在,首先需要從硬件電路設(shè)計上減小干擾源或抑制干擾傳輸。

2.1.1 供電側(cè)濾波電路設(shè)計

傳導干擾包含共模干擾和差模干擾,在供電側(cè)端口增加濾波電路要分別進行差模干擾和共模干擾抑制,濾波階數(shù)越高,濾波效果越好,但階數(shù)的增加會導致產(chǎn)品體積和質(zhì)量的增加。在綜合考慮體積、質(zhì)量、額定電流等要素的情況下,產(chǎn)品選用了共模電感、共模電容和差模電容,差模電感和差模電容組成的2階濾波電路,如圖5所示。

圖5 供電側(cè)濾波電路圖

空間站用風機供電電壓為100 V,功率為220 W,在電容器的選用上除了考慮容量和體積外,還需進行電壓降額設(shè)計考慮。針對10 kHz～1 MHz低頻段干擾,選用較大容量的鉭電解電容器(C10A～C10 F),電容量為82 μF,額定電壓為125 V,串聯(lián)使用,參數(shù)滿足I級降額要求,采用三組并聯(lián)的方式,有利于降低等效串聯(lián)電阻(ESR)值,有效抑制干擾和紋波電壓;針對后續(xù)10 MHz～100 MHz的高頻段干擾,選用二類瓷介電容器有較好的抑制效果,C2、C3、C8、C9為差模電容,耐電壓300 V,容量為0.2 μF,C4～C7為共模電容,耐電壓300 V,容量為0.004 7 μF,參數(shù)滿足I級降額要求。另外,共模電容與機殼的接地設(shè)計是一個關(guān)鍵點,在PCB設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計上要進行充分考慮,保證搭接電阻不大于5 mΩ,為共模干擾電流形成一個低阻抗的傳輸途徑,從而降低電磁干擾。

電感器的設(shè)計是利用截止頻率進行反推計算電感量的過程。要濾波電路具有良好的濾波特性,則濾波電路的截止頻率應(yīng)盡量低。LC濾波電路的截止頻率按下式計算:

(1)

式中:L為電感量;C為電容量。

理論上,L、C越大,截止頻率就越低,濾波器的濾波效果越好。PWM驅(qū)動逆變橋的干擾頻率約為7 kHz～20 kHz,20 kHz之后超標是由前段干擾倍頻以及信號線耦合造成的,主要干擾是差模干擾,設(shè)差模干擾截止頻率為10 kHz,結(jié)合電路的差模電容量,通過式(1)可計算出差模電感量約為2 μH。同理可設(shè)共模干擾截止頻率為20 kHz,計算出共模電感量約為1 mH。

2.1.2 逆變橋驅(qū)動電路優(yōu)化設(shè)計

逆變橋的開關(guān)頻率取決于PWM頻率,且會根據(jù)PWM信號產(chǎn)生周期性的突變電壓和突變電流,因此可在PWM開關(guān)頻率和MOSFET管驅(qū)動電阻上進行優(yōu)化設(shè)計,以減小電磁干擾量。PWM頻率一定的情況下,增大驅(qū)動電阻,MOSFET管的開通速度降低,有利于減低電壓、電流突變,但隨著驅(qū)動電阻的增大,開關(guān)損耗增大,產(chǎn)品功耗也增大。在驅(qū)動電阻一定的情況下,減低PWM頻率,有利于減小電磁干擾量,但由于電機本身的轉(zhuǎn)動頻率在330 Hz,PWM頻率太小會導致電機運轉(zhuǎn)不正常,且會造成風機噪聲超標。在綜合考慮風機功耗、噪聲等因素的情況下,選用驅(qū)動電阻阻值為20 Ω、PWM頻率14 kHz的驅(qū)動電路方式,逆變橋上、下管驅(qū)動信號波形如圖6所示,可見驅(qū)動信號無超調(diào)、無毛刺,滿足設(shè)計要求。

圖6 上、下MOSFET管驅(qū)動信號波形

2.2 抑制輻射干擾的設(shè)計

輻射發(fā)射超標的主要原因有兩方面:一方面是產(chǎn)品內(nèi)部電磁干擾通過結(jié)構(gòu)向外部空間輻射;另一方面是產(chǎn)品內(nèi)部干擾通過線纜向外部空間輻射。通過上述濾波電路可以有效抑制傳導干擾,使供電端輻射干擾降至最低,但仍需在下述幾個方面進行優(yōu)化設(shè)計。

2.2.1 電機繞組電纜屏蔽設(shè)計

無刷直流電機本體與控制器通過電機繞組電纜互聯(lián),電磁干擾通過線纜向外部空間輻射,電纜需采取屏蔽措施以防止干擾輻射。電纜屏蔽的措施采用繞組導線套防波套,防波套兩端分別用導線引出,導線分別焊接焊片,然后分別將焊片安裝在電機外殼和控制器外殼上,以保證電機外殼和控制器外殼搭接電阻不大于5 mΩ,電機、防波套、控制器三者形成一個有效的等勢體進行電磁屏蔽。

2.2.2 控制器殼體屏蔽設(shè)計

控制器殼體實現(xiàn)的功能主要是電場屏蔽,材料采用鋁合金殼體,既防止內(nèi)部產(chǎn)生的電磁干擾向外輻射,又阻擋外部干擾信號進入產(chǎn)品內(nèi)部。當電磁波通過殼體時,殼體感應(yīng)渦流產(chǎn)生歐姆損耗,并轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芏纳⑿纬晌論p耗。吸收損耗計算式如下:

(2)

式中:t為殼體厚度;μ為金屬材料相對磁導率;σ金屬材料相對銅的導電率;f電磁波頻率。

查鋁合金的σ為0.61,μ為1,設(shè)定A為100,f為20 MHz時,可計算得到殼體最小厚度約為0.69 mm,結(jié)合力學振動試驗、體積及質(zhì)量考慮,殼體厚度設(shè)計值為2 mm。同時,殼體各零件之間裝配的縫隙是屏蔽泄露的主要因素,因此,設(shè)計上各零件采用止口的方式,可有效防止電磁泄露,止口設(shè)計方式如圖7所示,且各零件接觸部位需進行電鍍保護,保證搭接電阻不大于5 mΩ。

圖7 止口設(shè)計方式

3 實驗驗證

艙內(nèi)風機按照空間站產(chǎn)品設(shè)計和建造規(guī)范要求進行的試驗項目包括CE102、CS101、CS114、CS115、CS116、RE102、RS103,以及ESD試驗。例試產(chǎn)品供電為100 V,功率為220 W,PWM頻率為14 kHz,試驗結(jié)果滿足任務(wù)要求,其中,CE102、RE102分別作為傳導發(fā)射和輻射發(fā)射的主要檢測指標,測試曲線波形分別如圖8、圖9所示。由CE102測試曲線波形可以看出,傳導發(fā)射幅值高點頻率處在低頻段,基本處在14 kHz及其倍頻上,試驗現(xiàn)象滿足上述分析,即產(chǎn)品在工作過程中會根據(jù)PWM頻率產(chǎn)生周期性電壓突變、電流突變,從而導致電磁干擾增大。

圖8 CE102測試曲線波形

圖9 RE102測試曲線波形

4 結(jié) 語

本文針對空間站用風機電磁干擾的干擾源、傳輸途徑進行分析,從濾波電路設(shè)計和元器件選用、線纜防護、結(jié)構(gòu)屏蔽等方面進行設(shè)計說明,進行實驗驗證,結(jié)果表明該電磁兼容設(shè)計方法在抑制傳導干擾和輻射干擾等方面具有良好的效果,滿足空間站建造規(guī)范電磁兼容的試驗要求,為后續(xù)航天器用產(chǎn)品的電磁兼容設(shè)計提供了有力的支撐。