电子镇流器的电磁干扰抑制

一.  电磁干扰

随着现代科学技术的发展,电子、电气设备或系统获得了越来越广泛的应用。运行中的这些设备或系统大多伴随着电磁能量的转换,高密度、宽频谱的电磁信号充满整个人类生存的空间,此外还有伴随着各种自然现象产生的电磁能量,由此构成了极其复杂的电磁环境。在这个环境中,任何能中断、阻碍、降低或限制电子、电气设备或系统有效性能的电磁能量被称之为电磁干扰(EMI)。电磁干扰根据传输方式的不同,可划分为传导性电磁干扰与辐射性电磁干扰,前者指经导线传输的无用的电磁能量,后者指从电子设备或其连接线中泄漏到空间的无用的电磁能量。电子、电气设备或系统在预期的电磁环境中,必须具备按设计要求正常工作的能力,即一方面设备或系统应具有抵抗给定电磁干扰的能力,并且有一定的安全余量,二方面设备或系统不产生超过规定限度的电磁干扰。这是电子、电气设备或系统的一种重要的技术性能——电磁兼容性(EMC)。

二.  电子镇流器的电磁干扰

目前国内管形荧光灯用独立式电子镇流器与一体化节能灯电子镇流器的电路结构大多采用电压反馈半桥式准谐振电路,而电路中的功率对管又大多选用双极型晶体管。在这种情况下,为了提高电子镇流器的变换效率及可靠性,必须要求电路中的开关功率管开启时间与关断时间越短越好。具体说来：

1) 开关功率管的总功耗 (PC)=开启功耗(Pop)+导通功耗(Pon)+关断功耗(Pcl)+截止功耗(Poff)。见图1

一般饱和压降Uces、反向漏电流Iceo都很小,这样开关功率管功耗主要由开启和关断功耗所引起,因此要减小功耗Pc、提高变换器效率,同时也为了降低功率管的温升、提高器件的耐用性,必须要求功率管开启时间top、关断时间tcl尽可能小即开关速度要快。

2) 表征开关晶体管动态特征的四个参数是延迟时间td、上升时间tr、存储时间ts、下降时间tf,而开启时间top=td+tr、关断时间tcl=ts+tf。在理想的状态下,一对功率管Q1与Q2在各自的基极电压作用下,Q1立即关断同时Q2立即开通,从而构成DC-AC电源变换器。但是在实际情况中,由于开关管存在有存储时间ts,Q1并不立即关断而是延迟ts后才关断,与此同时Q2仅仅稍有延迟td就立即开通,即在ts+tf-td期间,Q1与Q2两管处于一种共通状态,此时直流高压作用于两只管子同时导通的电路上,该瞬间电流非常大,对管子的损害十分严重。实践证明,很多故障是由此而造成的。因此选择开关时间尽可能短的对称功率管,提高切换速度,使该瞬间尽可能缩短,对提高电路的可靠性是至关重要的。参见图2。由于电子镇流器高压逆变电路必须选择开 关功率管的开启时间和关断时间越短越好,而在实际应用中其开关时间一般为0.1～0.2μs,这样最高等效频率能达到几兆赫兹的数量级,这就是电子镇流器产生电磁干扰的主要原因。电子镇流器产生的电磁干扰一方面通过电路中的电感器、电容器、电阻器等元件以及引线以静电和磁场的形式向空间辐射,同时也沿着输电线传导高频电信号。虽然单只电子镇流器的功率并不算大,但是随着绿色照明的迅速实施与推广,该产品已经数量众多,并且往往在某一区域大规模集中安装,电子镇流器的电磁干扰已相当严重。我们简单地分别用一只使用电池的收音机与一只使用交流电的收音机来接收调幅广播,便能明显地觉察到它的空间干扰与电网干扰。数量较多且集中安装的电子镇流器产生的电磁干扰,当影响到模拟电路时,会使传输信号的信噪比变坏,甚至使要传输的信号被噪声淹没,当影响到逻辑电路的工作时,会导致错误的逻辑运行,使之产生错误的结果。因此,计算机、通讯、广播、医疗等设备都可能受到该产品的干扰。在对电子镇流器的性能要求、安全要求及一般要求的标准中,国家标准GB/T15144与GB15143,国际电工委员会标准IEC929与IEC928均未对电子镇流器的电磁兼容性作出要求。但在国际电工委员会却要求所有电气、电子仪表、设备(包括电子镇流器在内)自1996年1月1日起必须符合有关电磁兼容性的指导文件。这些指导文件中比较有权威的有:国际电工委员会(IEC)的下属机构国际无线电干扰特别委员会(CISPR)向世界各国推荐的CISPR15《电气照明及类似设备的无线电干扰特性的测量极限与方法》。美国联邦电信委员会(FCC)的FCC20780标准。欧洲共同体(EN)的EN60555和EN61547标准。我国在1981年由国家标准局召集有关部门和单位成立了“全国无线电干扰标准化工作组”,提出了制定包括国家级和部级共32项电磁兼容性标准和规范的计算。目前这个计划已经实施和完成。电子镇流器必须满足这些权威机构给予的限制,否则随着EMC越来越引起重视与关注以及EMC法规的强化,电子镇流器产品无论是出口外销还是国内推广,其EMC不合格将成为一个新的有力的受阻原因。

三. 电子镇流器的电磁干扰抑制

滤波、屏蔽与接地是抑制电磁干扰的三大技术,这是电子、电气设备或系统在进行电磁兼容性设计过程中通用的三种主要的电磁干扰抑制方法。在电子镇流器的工频220V或110V输入端应当插入如图3所示的线型滤波器电路。该滤波器只允许400Hz以下的低频信号通过,对于1kHz～20MHz之间的高频信号具有40～100dB的衰减量。它能有效地阻止电子镇流器中的高频信号从电源线传导到工频电网中去造成污染,同时也阻止了电网中的高频信号从电源线进入电子镇流器电路中来造成影响。

在图3所示的位于供电电源输入端的线型滤波器电路中,C1、C2用以滤除不对称的杂散干扰电压信号,C3用以滤除对称的杂散干扰电压信号,电感L用来抑制频率相同、相位相反的干扰电流信号输出或进入。理想的滤波器对于高频分量能够急剧地阻止通过,对于400Hz以下的低频分量近似于一条短路线。实际应用中的线型滤波器的滤波特性不是那么好,同时在频率继续上升时,特性就会逐渐地下落,这时滤波效果就会变差。当采用单级的线型滤波器时,就不能得到很好的滤波效果。图4给出了单级线型滤波器的理想频率特性曲线(如实线所示)

和实际频率特性曲线(如虚线所示)。在有些场合,为了得到十分理想的滤波效果,就使用2～3级组合线型LC滤波器。但是电子镇流器是一种对成本非常敏感的产品,它对降低造价有严格要求,因此在一般的电子镇流器中,为了经济起见,只使用一级LC线型滤波器。为了减少高频电流信号旁路,电感L应具有小的分布电容,两线圈应均匀地绕制在王字型骨架隔板两侧,两绕组线径相同、匝数相等、极性如图3,磁芯必须是无气隙的。磁芯材料应选高频特性良好的材料如极限频率为150MHz的R10型Ni-Zn铁氧体,磁芯外形选EE型。滤波器中的电容器应采用高频特性良好的陶瓷电容器或聚酯薄膜电容器,其容量C1和C2可选2200PF/250V、C3可选0.1μF/400V,电容器的连接引线应尽量短,以便减小引线电感。由于L还受到功率密度的限制而C1、C2、C3还受到安全标准中泄漏电流的限制,因此具体设计时应从性能、体积、价格以及安全性诸方面统筹考虑。电子镇流器电路还可采用如图5所示的滤波器。它的特点是在每一个工频整流二极管上并接一滤波电容器,这使这些滤波电容器的耐压值只需图3所示滤波器中C1、C2耐压值的一半,这样虽然使用了电容器数目增加了,但总成本却降低了。

电子镇流器应当采用一个良导体制成的、在使用中与大地良好连接的外壳,以起到电屏蔽与磁屏蔽作用。实际设计时可选用铝外壳,并且在外壳上装置能使铝壳可靠接大地的接线端子。电子镇流器与其它回路或系统间由于电容性耦合能引起电干扰。电子镇流器良好接地的铝外壳作为电屏蔽体,对于外部的辐射电场,由于铝壳处处等电位,可防止其侵入内部,对于内部的辐射电场,由于铝壳电位为零,可防止其向外泄漏。电子镇流器中的载流导线、电感器、变压器能产生辐射磁场成为干扰源,在外磁场中又会产生感应电压受外界干扰。由于这些磁场均属于射频磁场,而射频磁场屏蔽的机理不同于低频磁场,它不是利用铁磁性物质磁导率高、磁阻小、对磁场有分路作用的特性来实现屏蔽,而是利用良导体在射频磁场作用下产生涡流,由涡流的反磁通抑制磁场通过的,因此电子镇流器的铝外壳作为磁屏蔽体能够防止外部射频磁场的侵入以及防止内部射频磁场的外泄。此外,电子镇流器的铝外壳良好接地,还能避免因事故导致外壳出现高电压而危及人员和设备的安全。随着绿色照明系统、通信系统、控制系统、计算机系统……的迅速推广普及,电子镇流器的电磁干扰抑制必须引起高度重视。只要每一种设备和用电系统都关注EMI抑制,我们的周围环境就能变得十分“干净”。