电子装置的电磁兼容问题

课程论文（设计）题目电子装置的电磁兼容院系专业学生姓名学号指导教师二Ｏ一四年六月二十日电子装置的电磁兼容摘要：电力电子技术是采用电力电子装置对电能进行变换和控制的技术，随着电力电子装置在电力变换中的广泛应用，电力电子装置的高频化和大容量化所产生的难以抑制的宽带电磁干扰对电网和环境造成的电磁污染越来越受到重视。电力电子装置的电磁兼容问题的解决不仅关系到装置本身的正常运行，还关系到其他电力设备的正常运行。本文主要概括了电力电子装置中EMI和EMC的特点，并分析了研究电力电子装置EMC问题的方法和方向。关键词：电磁兼容性电力电子装置电磁干扰EMS1．引言电磁兼容性（EMC）是指设备或系统在其电磁环境中符合要求运行并不对其环境中的任何设备产生无法忍受的电磁干扰的能力。因此，EMC包括两个方面的要求：一方面是指设备在正常运行过程中对所在环境产生的电磁干扰不能超过一定的限值；另一方面是指器具对所在环境中存在的电磁干扰具有一定程度的抗扰度，即电磁敏感性。EMC包括EMI（电磁干扰）及EMS（电磁耐受性）两部份，所谓EMI电磁干扰，乃为机器本身在执行应有功能的过程中所产生不利于其它系统的电磁噪声；而EMS乃指机器在执行应有功能的过程中不受周围电磁环境影响的能力。电磁能在为人类创造巨大财富的同时，也带来一定的危害，被称为电磁污染，研究电磁污染是环境保护中的重要分支。以往人们把无线电通讯装置受到的干扰，称为电磁干扰，表明装置受到外部干扰侵入的危害，其实它本身也对外部其他装置造成危害，即成为干扰源。因此必须同时研究装置的干扰和被干扰，对装置内部的组织和装置之间要注意其相容性。随着科学技术的发展，日益广泛采用的微电子技术和电气化的逐步实现，形成了复杂的电磁环境。不断研究和解决电磁环境中设备之间以及系统间相互关系的问题，促进了电磁兼容技术的迅速发展。2．电力电子装置中的EMC问题特点现代电力电子技术的发展方向,是从以低频技术处理问题为主的传统电力电子学,向以高频技术处理问题为主的现代电力电子学方向转变。电力电子技术起始于50年代末60年代初的硅整流器件,其发展先后经历了整流器时代、逆变器时代和变频器时代,并促进了电力电子技术在许多新领域的应用。由于电力电子变频技术的迅速发展,使得交流电机的调速性能可与直流电机相媲美,交流调速技术大量应用并占据主导地位。在未来的磁悬浮列车中,电力电子技术更是一项关键技术。除牵引电机传动外,车辆中的各种辅助电源也都离不开电力电子技术。另外,电力系统在通向现代化的进程中,电力电子技术是关键技术之一。总之，电力电子技术的应用范围已经十分广泛。但是，随着电力电子装置的广泛应用和发展，必然导致它们在周围环境中产生的电磁场电平的不断增加，也就是说，电力设备不可避免的在电磁环境中工作。因此，必须解决电子设备在电磁环境中的适应能力，解决电力电子装备中的电磁兼容问题。2.1电力电子装置中的EMI问题1.EMI产生原因电力电子装置的电磁干扰行为与其他电子设备比如通信系统的电磁干扰行为没有本质上的区别。电磁干扰的产生需要具备三个条件：第一是干扰源；第二是干扰耦合途径；第三是干扰敏感设备。三者构成了电磁干扰的三个基本要素。电力电子装置的电磁干扰产生原因有：（1）电子设备设计的原因电子仪器向着“轻、薄、短、小”和多功能、高性能及成本低方向发展。塑料机箱、塑料部件或面板广泛地应用于电子仪器上,于是外界电磁波很容易穿透外壳或面板,对仪器的正常工作产生有害的干扰,而仪器所产生的电磁波,也非常容易辐射到周围空间,影响其它电子仪器的正常工作。为了使这种电子仪器能满足电磁兼容性要求。（2）二极管的反向恢复时间引起的干扰高频整流回路中的整流二极管正向导通时有较大的正向电流流过,在其受反偏电压而转向截止时,由于PN结中有较多的载流子积累,因而在载流子消失之前的一段时间里,电流会反向流动,致使载流子消失的反向恢复电流急剧减少而发生很大的电流变化(di/dt)。开关管在导通时流过较大的脉冲电流。例如正激型、推挽型和桥式变换器的输入电流波形在阻性负载时近似为矩形波,其中含有丰富的高次谐波分量。当采用零电流、零电压开关时,这种谐波干扰将会很小。另外,功率开关管在截止期间,高频变压器绕组漏感引起的电流突变,也会产生尖峰干扰。（3）交流输入回路产生的干扰工频变压器的开关电源输入端整流管在反向恢复期间会引起高频衰减振荡产生干扰。开关电源产生的尖峰干扰和谐波干扰能量,通过开关电源的输入输出线传播出去而形成的干扰称之为传导干扰;而谐波和寄生振荡的能量,通过输入输出线传播时,都会在空间产生电场和磁场。这种通过电磁辐射产生的干扰称为辐射干扰。2.电力电子装置中的EMI特点EMI方面，虽然电力电子装置的开关频率远低于通信系统的信号频率，但是它的工作电压、工作电流和处理的功率都更高。电力电子装置的主功率开关器件在开关过程中产生非常高的电流和电压变化率，即非常高的di/dt与du/dt，它们通过电路中寄生电感和寄生电容产生强烈的瞬态噪声。因此，主电路开关器件和相关的电路产生的电磁噪声成为电力电子装置中的主要电磁干扰源，并主要以传导和近场干扰源的形式出现。当然一些高频、高功率电源，诸如高频感应加热电源和等离子体电源等，也会产生强烈的辐射电磁干扰。而且，所有电力电子装置也会导致严重的EMI噪声和市电谐波电流注入到电网中，这就不仅污染了电网，也会影响连接到同一电网中的其他电气电子设备的正常工作。从某种意义上来说，与通信设备比较，电力电子装置产生的EMI问题可能会更严重。2.2电力电子装置的EMS问题EMS方面，相比通信系统，电力电子装置的控制器通常门限电压更高、尺寸更大，这很容易让人理解为电力电子装置的EMS问题比电子通信系统的要更容易解决。然而，下面一些事实使得电力电子装置的EMS问题依然不可忽视：(1)面临更大的噪声强度。电力电子装置的噪声电压能达到数百伏甚至上千伏，di/dt和du/dt能分别达到103A/μs和104V/μs。(2)由于电力电子装置的主要电磁干扰源位于功率电路部分，噪声频谱范围非常宽特别是在低频范围内能达到几赫兹的频率，这使得采用传统方法如屏蔽和滤波抑制电磁噪声变得非常困难。(3)电力电子装置的功率电路部分和控制电路板通常安装于同一个箱体中，而且有时应用现场要求电力电子装置通过数十米长的电缆与其负载相连，由此引发的电磁干扰源与电磁噪声敏感电路之间的电磁噪声传播是以传导和近场耦合为主。这种电磁空间与边界条件的不规则与多样性使得电磁兼容设计变得异常复杂。(4)电力电子装置通常要处理很高的功率，导致装置体积和重量都很大，这给电力电子装置EMC测量带来一些实际的困难。3．电力电子装置EMC问题的研究3.1研究主要的方向和难点当前电力电子装置的电磁兼容研究仍然处于初级阶段。最近几年的研究工作主要集中在：功率变流器的电磁干扰建模及抑制技术、电机传动的电磁干扰建模及抑制技术、EMI滤波器的寄生效应、PCB优化布局以及EMI的数值分析技术等。需要指出的是，这些研究工作所带来的成果尚处于实验室阶段，还没有被工业界所广泛采用，但是这些工作对于科学地理解电力电子装置的电磁干扰问题和将来实现产品的电磁兼容系统化设计仍具有十分重要的意义。电力电子装置电磁兼容问题是一个综合的问题，涉及了多方面的内容。虽然大量的研究工作在电力电子装置的EMI噪声特征、EMI抑制技术、EMC仿真和建模以及EMI测量等方面取得了许多有价值的成果，但是进一步的研究和开发工作仍然是非常必要的。一方面，需要对现有的EMC技术和理论进行改进和完善，另一方面，需要开发出新的EMC设计理论和方法以便满足国际上越来越苛刻的EMC标准和要求。3.2电磁兼容设计的主要方法电磁兼容设计的关键技术是对电磁干扰源的研究，从电磁干扰源处控制其电磁发射是治本的方法。控制干扰源的发射，除了从电磁干扰源产生的机理着手降低其产生电磁噪声的电平外，还需广泛地应用屏蔽（包括隔离）、滤波和接地技术。(1)屏蔽与隔离屏蔽主要运用各种导电材料，制造成各种壳体并与大地连接，以切断通过空间的静电耦合、感应耦合或交变电磁场耦合形成的电磁噪声传播途径。具体的讲，就是用屏蔽体将元部件、电路、组合件、电缆或系统的干扰源包围起来，防止干扰电磁场向外扩散，用屏蔽体将接收电路、设备或系统包围起来，防止它们受外界电磁场的影响。例如：功率开关管和输出二极管通常有较大的功率损耗,为了散热往往需要安装散热器或直接安装在电源底板上。器件安装时需要导热性能好的绝缘片进行绝缘,这就使器件与底板和散热器之间产生了分布电容,开关电源的底板是交流电源的地线,因而通过器件与底板之间的分布电容将电磁干扰耦合到交流输入端产生共模干扰,解决办法是采用两层绝缘片之间夹一层屏蔽片,并把屏蔽片接到直流地上,割断了射频干扰向输入电网传播的途径。为了抑制开关电源产生的辐射,电磁干扰对其他电子设备的影响,可完全按照对磁场屏蔽的方法来加工屏蔽罩,然后将整个屏蔽罩与系统的机壳和地连接为一体,就能对电磁场进行有效的屏蔽。电源某些部分与大地相连可以起到抑制干扰的作用。隔离主要运用继电器、隔离变压器或光电隔离器等器件来切断电磁噪声以传导形式的传播途径，其特点是将两部分电路的地线系统分隔开来，切断通过阻抗进行耦合的可能。(2)滤波滤波是在频域上处理电磁噪声的技术，为电磁噪声提供一低阻抗的通路，以达到抑制电磁干扰的目的。例如，电源滤波器对50Hz的电源频率呈现高阻抗，而对电磁噪声频谱呈现低阻抗。(3)接地接地是指在系统的某个选定点与某个接地面之间建立导电的低电阻的通路，把系统中元件的零电位互相连接起来，再把它们同时与某个等价于“地”的参考点连起来。具体方法可以将理想的接地体作为一个零电位、零电阻的物理实体，作为与各有关电路中信号电平的参考点，任何不需要的电流通过它都不产生电压降，这种理想的接地体实际上是近似的，在设备上接地是为了使设备本身所流过的干扰电流经过接地线流入大地，减少干扰源所传播和发布的能量。接地的主要目的是防止电磁干扰，消除公共电路阻抗的耦合。例如：机壳接地可以使得由于静电感应而积累在机壳上的大量电荷通过大地泄放,否则这些电荷形成的高压可能引起设备内部的火花放电而造成干扰。对于电路的屏蔽体,若选择合适的接地,也可获得良好的屏蔽效果，保证安全工作。当发生直接雷电的电磁感应时,可避免电子设备的毁坏;当工频交流电源的输入电压因绝缘不良或其它原因直接与机壳相通时,可避免操作人员的触电事故发。基本接地技术有浮地、单点接地、多点接地和混合接地四种。4.结语电磁兼容问题研究的主要目的是控制和消除电磁干扰,使电子设备或系统与其它设备联系在一起工作时,不引起设备或系统的任何部分的工作性能的恶化或降低。一个设计理想的电子设备或系统应该既不辐射任何不希望的能量,又应该不受任何不希望有的能量的影响。但由于电子技术应用广泛,而且各种干扰设备的辐射很复杂,要完全消除电磁干扰是不可能的。但是,根据电磁兼容性原理,可以采取许多技术措施减小电磁干扰,使电磁干扰控制到一定范围内,从而保证系统或设备的兼容性。在电力电子技术高速发展的今天，如何打破以往在进行电磁兼容性设计时的经验法和试探法，使电力电子装置电磁兼容性设计走上的系统化设计的轨道，是国内外学者面临的主要问题。参考文献[1]耿敬纬．浅谈电磁兼容与电磁干扰[J]．动力与电气工程，2009(6)[2]钱照明，陈恒林．电力电子装置电磁兼容研究最新进展[J]．电工技术学报，2007，22（7）[3]汪东艳，张林昌．电力电子装置电磁兼容性的研究进展[J]．电工技术学报，2000，15（7）[4]张兴．高等电力电子技术．北京：机械工业出版社，2011.2[5]王欣,姚海岩．电磁污染的防护技术[J]．黑龙江环境通报,2003,27(1)[6]王培章，钱祖平，于同彬．电磁兼容技术．北京：人民邮电出版社[7]王庆斌，刘萍，尤利文．电磁兼容原理及应用．北京：国防工业出版社，1996