电力电子中的传导性ＥＭＩ噪声源测量与分析

中心议题：

• 分析电力电子设备中传导电磁干扰噪声产生的机理
• 分析讨论几种主要EMI噪声源建模和测量方法
• 采用双电流探头法进行验证实验并实际测量了噪声源内阻抗，结果较满意

解决方案：

• 对EMI传导噪声进行滤波，提高EMC性能，降低电磁干扰
• 采用双电流探头法，具有较好的精度
  

引言
电力电子设备作为电源与控制设备，由于进行电能变换时的高效率而在许多行业得到了广泛的应用，在电力电子设备为人类生产、生活带来巨大便利的同时，因其开关工作方式，使电磁兼容性能受到挑战，一方面，不良的电磁兼容性能不仅对外造成干扰，影响其它设备的正常工作，另一方面，电力电子设备本身也会受到电磁干扰的影响，使其可靠性下降，如何降低电磁干扰，提高电磁兼容性已成为迫在眉睫的问题，传统的方法是采用滤波技术，但是EMI(电磁干扰)滤波器设计的必要前提是对电力电子设备EMI噪声源的测量与分析，本文详细介绍了电力电子设备EMI噪声源的测量与分析。
　　
EMI噪声源产生机理
电力电子设备产生的电磁干扰通过传导和辐射耦合到敏感设备，在电力电子设备中，传导是电力电子设备干扰传播的重要途径，也是在电磁兼容技术中应着重考虑的。

电力电子设备的干扰源主要集中在功率开关器件以及与之相连的散热器和高频变压器上，电力电子设备高功率密度、高电流/电压变化率的特点导致其EMI问题特别严重。
 
电力电子设备中功率器件的快速通断产生了较大的dv/dt和di/dt，一方面在布线电感上产生了很大的尖峰电压Ldi/dt，叠加在开关管两端，提高了开关管的电压应力；另一方面，由于电路中存在寄生参数，和dv/dt、dildt相互作用产生了高频噪声电流，形成了很强的电磁干扰，
 
电力电子设备电磁干扰源的位置较为清楚，主要集中在功率开关器件、二极管以及与之相连的散热器和高频变压器上，另外印制板布线不当也是引起电磁干扰的一个主要因素为了散热，功率器件MOSFET的漏极、源极和金属外壳之间有一个很薄的绝缘层，金属外壳和散热器紧紧贴在一起，由于安全原因和机械结构的考虑，散热器通常接地，这就使得MOSFET的漏极、源极和地之间存在寄生电容，当功率器件快速通断时，共模电流流过开关管对地的寄生电容，
 
当MOSFET关断时，高频变压器的漏感所产生的反电势E＝-Ldi/dt，其值与漏极的电流变化率di/dt以及漏感量成正比，叠加在开关管两端，形成关断电压尖峰，增大了dv/dt，

输出整流二极管对地存在寄生电容，当MOSFET通断时，共模电流流过输出整流二极管对地的寄生电容，另外当输出整流二级管截止时，二极管反向恢复电流在变压器漏感和其他分布参数的影响下将产生额外的高频噪声。

根据传导干扰方式的不同，可以把电磁干扰源分为共模(CM)和差模(DM)两种形式，它们产生的内部机理有所不同，共模干扰是指通过相线、对地寄生电容，再由地形成的回路干扰，它主要是由较高的dv/dt与寄生电容间的相互作用而产生的高频振荡；差模干扰是指相线之间的干扰，直接通过相线与电源形成回路，它主要是由电力电子设备产生的脉动电流引起的，差模和共模干扰各自的回路，差模干扰电流为1DM，共模干扰电流。
　　
传导EMI噪声源建模分析
EMI滤波器是抑制电磁干扰的有效措施，但目前国内外进行EMI滤波器设计时，事先并不知道噪声源的内部干扰源和阻抗，设计时往往忽略了噪声源的内阻抗，进行一种通用的EMI滤波器设计，由于各噪声源的内阻抗并不相同，而干扰源阻抗和滤波器阻抗之间的匹配关系直接影响到滤波器的滤波效果，因此，准确估计电力电子设备内部阻抗对于电磁干扰的有效抑制有着重要意义.

目前噪声源阻抗测量主要有以下几种方法：
a.谐振法
谐振法通过加入电感器并使之与设备传导干扰的等效内阻抗发生谐振，从谐振频率和品质因数推知电磁干扰的等效阻抗，该方法的使用频率段窄(≤1 MHz)且实施起来很繁琐，具体原理如下：
若开关电源噪声源用诺顿等效电路表示，则(谐振测量的)原理电路。

为了测量开关电源噪声源等效电路的参数，在其前端并入开关S，和可调负载电感L，如果将频谱分析仪的宽频电流探头插入源和负载之间，则当S关闭时，电流探头可测得噪声源流经S。当L打开，调整L使整个回路谐振时，电流探头可以测得流过L的谐振电流L注意这里L是L和S的等效电感，并等效为并联谐振电路，其Q值为：

b.插入损耗法
插入损耗法通过并入一个已知的电感，由插入损耗曲线得出设备传导干扰等效内阻抗的幅频特性曲线， 如果在A和R之间加上滤波器通过R的噪声电压将会减小，这种变化定义为插入损耗.
 
该方法具有较好的理论基础，但同样存在阻抗相位测量精度低、未能提取出有效等效电磁干扰源的信息、适用频段窄的缺点。
 
c.改进的插入损耗法
该模型参数估计法在LISN和设备之间引入已知阻抗特性的滤波元件(串联或者并联)，通过考查LISN端口干扰电压和电流的变化关系计算出等效噪声源和内阻抗，以差模噪声源和内阻抗的估计方法为例：
首先将设备以浮地方式消除共模干扰的影响，当并联上阻抗Z后，在LISN侧等效噪声负载变 .

d.双电流探头法
该测定方法采用两个电流探头，一个作为注入式探头，另一个作为检测式探头，通过仔细地校准和测试，可以分别得到开关电源在EMC规定范围的各频率点的CM、DM阻抗，并且具有较好的精度，
如图5所示，双电流探头法测试的实验装置包括了一个注入式电流探头、一个检测式电流探头、一个信号发生器和一个频谱分析仪，要测量的未知阻抗以b端的阻抗Z来表示，信号发生器输出一正弦波信号V注入到注入式电流探头，于是电路中就产生L的电流，频谱分析仪可以检测到L对检测式电流探头的作用结果，通过信号发生器不同频率点输出的调节，就可以在检测式电流探头端获取不同频率点的值，
　　
测量实验结果
本文基于电流探头法对EMI噪声源内阻抗进行了验证，实验装置如图7所示，其中两个电容分别接在L—E线和N—E线之间，为使该电路的Z可重复进行测量并尽量保持恒定，该两电容必须固定在印刷电路板上，同时注入式和检测式电流探头在电路板上也必须有其固定位置，PCB与测试设备间的连线必须尽量的短，以减小导线布局引起的寄生效应，这种位置固定的测试，其优点是一旦电路校准后，测得的Z不但适用于CM测试，同样也适用于DM测试，可大大提高测试的速度。

验证实验如下，取已知阻抗的电路元件作为被测试件进行测试，将信号发生器输出信号输入到注入式电流探头，有一导线穿过两个电流探头与待测阻抗构成回路，检测式电流探头通过耦合将感应到的信号输人至放大器进行放大，而后送人频谱仪进行检测，图中虚线由高频阻抗仪(电子部41所生产的AV2782型)测量结果，实线是通过双电流探头法测量和分析后得到的结果，发现阻抗仪测得结果与实验测得结果吻合较好这说明电流探头法测试精度较高，可以用于噪声源内阻抗测量，
　　
结论 　　
电力电子设备由于电磁兼容性能差而影响了其广泛应用，因此提高EMC性能，降低电磁干扰就显得十分重要，而其中EMI传导噪声滤波是有效方法之一，特别是EMI噪声源的测定与分析是设计EMI滤波器的前提条件，本文详细分析了电力电子设备中传导电磁干扰噪声产生的机理，然后分析讨论了几种主要EMI噪声源建模和测量方法，同时采用双电流探头法进行了验证实验并实际测量了噪声源内阻抗，结果较满意，通过本文开展的噪声源建模研究，能准确地反映装置内传导干扰特性，有利于帮助设计人员认清传导干扰的性质，指导EMI滤波器的设计，从而降低装置对外传导干扰发射，达到EMC国际标准。