开关电源远场辐射干扰的产生机理研究

本项目研究了开关电源远场辐射电磁干扰（EMI）噪声的产生机制、耦合机理、以及抑制技术，鉴于共模电流是导致开关电源及相关电力电子系统产生电磁辐射的根源，重点研究了共模电流的建模及抑制技术，可用于指导产品开发过程中的电磁兼容性（EMC）设计，为解决开关电源、电力电子装置及相关电气设备的EMC问题提供了新的思路和方法。通过研究，建立了反激式开关电源的共模电流高频模型，对反激电路中共模电流的产生和时域波形的分布进行了分析，为不同频段EMI噪声源的鉴别提供了依据；利用器件参数化特征建模方法建立了MOSFET模型，同时利用阻抗测试结合数值仿真的方法建立了线缆模型，在此基础上建立了开关电源的EMI时域电路仿真模型，进一步将线缆上的共模电流作为辐射激励源，实现开关电源“场路协同”的辐射仿真，提出了一种连接线缆的开关电源远场辐射预测方法；针对反激电源中变压器绕组屏蔽结构对共模电流的影响展开了研究，阐明了变压器的屏蔽绕组结构和屏蔽层结构对共模等效电容的影响规律，提出了基于变压器屏蔽层和屏蔽绕组优化设计的反激式开关电源共模噪声抑制技术；阐释了反激开关电源PCB 受到电场干扰和磁场干扰的耦合原理，建立了电场辐射的等效电路模型、磁场辐射的等效磁路模型，提出了一种电场干扰屏蔽方法，可同时对高低频段的电场干扰进行有效抑制；提出了一种基于在线测试的共模阻抗建模方法，通过测量提取共模电压和共模电流的时域波形并实施离散傅里叶计算，建立了能反映系统在线运行状态下共模干扰特性的阻抗模型，为开关电源和电力电子系统的共模电流精准预测提供了有效的方法和手段；本项目还研究了电机驱动系统内部主功率回路对开关电源和通讯数据线的共模干扰耦合评估及分析方法，为电力电子系统级的远场辐射干扰预测及电磁兼容优化设计提供了理论依据。在本项目资助下，已发表论文23篇，其中SCI收录论文 11篇， EI收录论文9篇，国内一级刊物或核心刊物3篇；获授权发明专利4件。 2100433B

鉴于目前对开关电源远场辐射干扰的形成机理尚不明确，缺乏对该问题的系统研究，导致了在产品开发过程中很难解决远场辐射干扰问题。本项目拟从开关电源的天线辐射原理和高频噪声源的形成机制两方面着手，试图揭示开关电源远场辐射干扰的产生机理和分布规律，探索开关电源远场辐射干扰的有效抑制技术。为此，本项目提出基于三种辐射激励模式，建立开关电源的天线模型，并用简单的物理模型模拟开关电源的复杂PCB结构；采用横电磁波小室测量方法提取开关电源天线模型参数，并通过全波电磁场数值计算，分析开关电源不同结构设计对远场辐射干扰性能的影响；建立开关电源功率器件的开关瞬态行为模型，定量研究功率器件的开关瞬态行为和换流回路寄生振荡对电磁干扰噪声源特性的影响，并提出基于噪声源调控的开关电源远场辐射干扰抑制技术。项目研究成果为解决开关电源远场辐射干扰难题提供了理论基础，对于分析和解决大功率变流器的辐射干扰问题也具有参考意义。

在以场源为中心，半径为一个波长之外的空间范围称为远区场，也可称为辐射场。

远区场的主要特点如下：

在远区场中，所有的电场能量基本上均以电子波形式辐射进行传播，这种电场辐射强度的衰减要比感应场慢得多。

在远区场，电场强度与磁场强度有如下关系在国际单位制中，E=377H，电场与磁场的运行方向互相垂直，并都垂直于电子波的传播方向。

远区场为弱场，其场墙强度均较小。

Radio Frequency Interface(RFI) 。这是一种电磁干扰，存在于通讯设备或者计算机操作设备当中，有部份干扰源是藉由设备的线路或无线电天线发射出来，在某些情况下，可能因为振幅 ( 干扰 ) 过大，而造成无线电传输中断或是计算机操作设备故障等问题。

辐射干扰的测试，是检验受试设备通过空间传播的辐射干扰场强。按标准要求应在开阔场地或半电波暗室进行。然而，符合要求的开阔场很难找到，故一般多在屏蔽电波暗室内测试。测量主要采用天线法和诊断法。

1、天线法

天线法是将辐射干扰信号通过测量天线接收，由同轴电缆传送到测量接收机，并测出干扰电压，再加上天线系数，即得到所测量的场强值。

测量所需的主要设备有测量接收机（或频谱分析仪）、测量天线及予放大器等。利用HP-84110B予测试系统以天线法测试辐射干扰的配置及连接，如图4－3－4所示。

测量要点：

1）辐射干扰的测量受环境的影响较大。而予相容测试的场地条件又不可能完全符合要求，因此，要特别注意对环境电平的监测。测试前，先切断EUT电源，对所关心的频段进行扫描，检查环境电平是否低于极限值6dB。在测试中要能分辨是环境的干扰信号还是EUT的辐射干扰；

2）根据测试的不同要求，在频谱仪上进行正确的配置扫描间隔、天线系数和极限线等；

3）不同的测试频段，应选用不同的天线，如在25HZ-100KHZ频段内测量磁场辐射时，需要采用环形磁场接收天线；对于电场辐射发射则是在10KHZ-18GHZ频段内进行测量，其间需更换不同的天线（10KHZ-30MHZ选用拉杆天线，20MHz~200MHz选用双锥天线；200MHz~1000MHz选用对数周期天线，1－18GHZ选用双脊喇叭天线）；

4）不同的标准对测量天线到EUT之间的距离要求不同，如国军标为1m，其它则为3m，10m或30m等，相应的极限值也不同。

5）由于EUT的辐射不可能是均匀的，所以应找出最强的发射部位(是EUT的前面板还是后面板或缝隙等)；

6）超出极限线的所有信号，仍需进行峰值和准峰值测量(因为标准规定的极限值多建立在准峰值检波方式的基础上)。对超出极限线的EUT发射信号，进行具体分析和诊断，以便排除故障或修改设计。图4-3-5示出了采用CISPR-A-3m标准的极限线情况下，辐射干扰在30MHz~300MHz范围内的频谱特性。

2、诊断法

除了用天线法以远场接收EUT的辐射发射是否超标外，还可用近场探头对EUT的辐射源进行定位或诊断性测试。

EMI的诊断方法很多，现介绍HP-84110B系统用频谱分析仪与近场探头进行诊断测量的方法。测试连接如图4-3-6所示。图中，近场探头、宽带放大器和频谱分析仪构成了EMI诊断系统。

测试要点：

1）近场探头犹如环形结构的小天线，对EUT磁场源比较敏感，EUT中的电场也会伴随感应磁场，所以，探头接收的信号经频谱仪测量和处理后，以磁场强度表示(单位为dBµA/m)；

2）探头小的几何尺寸和端头的绝缘(可达1000V)，可以使其直接触及EUT的电路系统。如印制电路板的布线就是典型的磁场源。探头距受试点越近越灵敏；

3）诊断时探头除对EUT电路系统进行搜索外，还应对相关的电缆线、箱体接缝和开口处、CRT面板、键盘、电源线等进行反复的、变换方位的探测，以找出辐射干扰的强点。在测量孔径的辐射时，探头应沿孔的边沿和绕孔旋转，直到耦合最大的场强；

4）根据测试频率的需要，选择不同指标的探头(HP-11941A或11940A)；

5）诊断系统需要提高探测的灵敏度时，可加入前置放大器，但在测试结果中应扣除放大器的增益。

6）探头由跟踪信号源驱动，可以作为场源发射，用来测定局域的辐射敏感度。

7）探头设计工艺精细、小巧，电磁兼容操作时应小心，以免损坏。

电压闪变是供电系统主要的电能质量污染之一，国标《电能质量电压波动和闪变》(GBl2326-2000)只规定了闪变的限值和测试方法，已有的研究集中于电压信号分析、闪变值计算和检测装置等方面，尚未见干扰负荷的危害评估及干扰定位的应用报道。闪变通常被认为是一系列正弦信号对基波电压的调制作用，但实际电网中却大量存在着非平稳性的闪变现象，这种数学模型的局限性限制了闪变机理的深入分析；绝大多数研究工作也仅研究电压信号，忽视了干扰负荷的运行特性分析；目前尚未能够衡量负荷对供电系统的闪变干扰强度，也无法在有背景闪变干扰的情况下搜索存在的干扰负荷、比较负荷干扰的大小，这些都限制了闪变治理工作的有效开展。本项目拟使用小波分析提取干扰负荷电压、电流中包含的非平稳特征量，研究闪变干扰负荷的运行特性，定义背景干扰和负荷对供电系统的干扰强度，获得闪变干扰源搜索定位的工程方法，具有很好的工程实用价值。 2100433B