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开关电源所产生的电磁干扰及抑制方案
时间:2021-03-30 08:21:04 点击次数:44

因为开关电源作业在高频开关状况,内部会产生很高的电流、电压改变率(即高dv/dtdi/dt),导致开关电源产生较强的电磁烦扰(EMI)。EMI信号既具有很宽的频率规划,又有必定的崎岖,它不只对电网构成污染,直接影响到其他用电设备的正常作业,并且作为辐射烦扰闯入空间,对空间也构成电磁污染。因而,克制开关电源本身的电磁噪声,一同前进其对EMI的抗扰性,以确保电子设备可以长时间安全可靠地作业,是开发和规划开关电源的一个重要课题。

 

1开关电源的根本作业原理

开关电源将市电直接整流滤波成为直流高压,然后通过逆变器转化成低压的高频交流电压,再通过二次整流和滤波变成所需求的直流低电压。

开关电源首要是通过整流器与电力网相联接的,经典的整流器由二极管或晶闸管组成,是一个非线性电路,在电网中会产生许多的电流谐波和无功功率而污染电网,影响电网和发电系统的作业效率,烦扰通讯系统,成为电力公害。开关电源已成为电网最首要的谐波源之一。

 

2谐波的危害及管理方法

谐波是一个数学或物理学概念,是指周期函数或周期性的波形中能用常数、与原函数的最小正周期相同的正弦函数和余弦函数的线性组合表达的部分。电力系统的谐波问题早在20世纪20年代和30年代就引起了人们的留意。

 

2.1谐波产生的原因

在志向的干净供电系统中,电流和电压都是正弦波的。在只含线性元件(如:电阻)的简略电路里,流过的电流与施加的电压成正比,流过的电流是正弦波。当电流流经负载时,与所加的电压不呈线性关系,就构成非正弦电流,即电路中有谐波产生。

 

2.2谐波对电网产生的危害

2.2.1谐波引起变压器的损耗增加

因为变压器铁心产生的涡流损耗,与谐波电流次数的平方成正比,谐波次数越高,铁损越大。谐波电流使变压器的铜耗增加,引起部分过热,振荡,噪声增大,绕组附加发热等。这种谐波电流在产生谐振时的条件下对变压器的安全运即将构成威胁。

2.2.2构成电容器的过载缺点

电容器的容性阻抗随频率的增加而下降,而其负载阻抗一般是理性的,随频率的增高而增大;当谐波电流的频率升高到使电容器的容性阻抗与负载的感抗附近或相等常,会产生谐振,引起电流增大,构成电容器的过载缺点。

2.2.3谐波引起电力系统功率因数下降

因为开关电源的接入,电力系统中除了基波电流外,还产生了各次谐波电流,谐波电流分量越大,则电网中的无功功率越大,设备的运用率越低,导线和变压器的损耗越大。

2.2.4对电力避雷器的影响

变电站大容量、高电压的变压器因为合闸涌流的进程时间比较长,可以接连数秒或更长的时间,有时还会引起谐振过电压,并使相关避雷器的放电时间过长而遭到损坏。

2.2.5对继电保护及主动设备的影响

在谐波严峻超支的电弧炉负荷、电气化铁路等谐波含量大的部分电网中会遭到影响。频频出现变压器严峻涌流且涌流衰减缓慢的变电站遭到涌流产生谐波的烦扰。继电器或发动元件本身对谐波灵敏晶体管或集成电路保护设备的动作量非常小和动作时间非常少,因而它的发动判据简略遭到谐波影响而出现较大的误差。运用信号过零取样的操控系统及运用数据过零点的数字式继电器或微机保护,都会遭到谐波的影响和烦扰。

2.2.6对用户电动机的工作影响

谐波电流通过交流电动机,使谐波附加损耗明显增加,引起电动机过热,机械振荡和噪声增大。当三相电压不对称时,定子绕组上产生负序电流,并励磁产生负序旋转磁场,该制动磁场下降了电机的最大转矩和过载才干,增加铜损,并且负序过电流可以将电机定子绕组烧毁。

2.2.7对用户主动操控设备的影响

跟着数字操控技术的大规划运用,许多精细负载对受电电能质量指标提出了更高的要求。电能质量污染对这类设备的危害首要有三个方面,即在设备的检测模块中引进畸变量、烦扰正常的分析核算、导致差错的输出成果。

2.2.8对电力用户的影响

用电设备对系统电源的污染会影响用电设备本身的可靠性。运用电能质量污染的电源,用电设备又或许成为新的污染源,而危害电力系统和其他用户设备。或许产生的影响包括:对用户电动机产生影响;对用户补偿电容器产生影响;对用户主动操控设备产生影响;对居民生活用电产生影响;对用电安全构成威胁。

 

2.3谐波对电网产生的危害管理方法

2.3.1无源并联滤波器

现有的谐波滤除设备大都运用无源并联滤波器,对每一种频率的谐波需求运用一组滤波器,一般需求运用多组滤波器用以滤除不同频率的谐波。因而,工频是单一频率,而谐波有无限多种频率,可见谐波具有无限的杂乱性,运用并联滤波器的方法明显无法抵挡无限频率成分的谐波。

2.3.2无源串联滤波器

由电感与电容串联构成的LC串联滤波器,具有一个阻抗很低的串联谐振点,假如咱们构造一个串联谐振点为工频频率的串联滤波器,并将其串联在线路中,就可以滤掉一切的谐波。

在三相电路中均接入串联滤波器,因为串联带通滤波器对基波电流的阻抗很小,而对谐波电流的阻抗很大,所以只用一组滤波器就可以滤除一切频率的谐波。串联滤波器关于谐振点频率的电流具有极低的阻抗,关于违背谐振点频率的电流,则阻抗增大,违背的越多,阻抗越大。因而,当电容器的实践作业电压等于其额定电压时,电容器的本钱最低。

当串联滤波器衔接在电源与谐波源之间时,谐波源的输入电压波形会产生严峻畸变,正时这种电压波形的畸变使得谐波源的电流靠近正弦波。这种输入电压波形畸变或许会影响谐波源操控电路的正常工作,假如出现操控电路不能正常工作的状况,应该将操控电路的电源改接至串联滤波器的前端。

 

2.4开关电源的电磁烦扰

依据开关电源的作业原理可知,开关电源本身就是一个很强的电磁烦扰源。开关电源产生的烦扰,按烦扰源品种,可分为尖峰烦扰和谐波烦扰两种;若按耦合通路来分,可分为传导烦扰和辐射烦扰两种。

2.4.1一次整流器

一次整流器的整流进程是产生EMI最常见的原因。

2.4.2二次整流电路

整流二极管在正向导通时PN结内的电荷被堆集。因为二极管作业在高频通断状况,当二极管加反向电压时,堆集的电荷不能当即消失,然后产生反向浪涌电流。

2.4.3高频开关变压器

变压器型功率转化电路用以完结变压、变频以及完结输出电压调整,是开关稳压电源的中心部分,首要由开关管和高频变压器组成。它产生的尖峰电压是一种有较大崎岖的窄脉冲,其频率较宽且谐波比较丰富。产生这种脉冲烦扰的首要原因是:

1)开关管的负载是高频变压器的初级线圈,是理性负载。当开关管导通时,由电磁感应定律可知,初级线圈中会产生很大的尖峰脉冲电压,构成烦扰。

2)当开关管关断时,高频变压器线圈中产生电动势e=-Ldu/dt,储存在电感中的能量和集电极的电阻、电容构成阻尼振荡,叠加在关断电压上,构成关断电压尖峰。该谐波电压通过电线不只会影响变压器的初级线圈,还会回来配电系统,构成电网谐波烦扰。

3)由高频变压器的初级线圈、开关管和滤波电容构成的高频开关电流回路或许产生较大的辐射烦扰。一同,若滤波电容的滤波缺乏或高频特性欠好,则高频电流通过一次整流回路以差模烦扰的方法进入电网。

2.4操控电路引起的电磁烦扰

操控电路中周期性的高频脉冲信号,如振荡器产生的高频脉冲信号等将产生高频高次谐波,对周围电路产生电磁烦扰。

2.5杂散参数影响产生的电磁烦扰

在传导烦扰频段,多数开关电源烦扰的耦合通道是可以用电路网络来描绘的。但是,在开关电源中的任何一个实践元器件,如电阻器、电容器、电感器乃至开关管、二极管都包括有杂散参数,且研究的频带愈宽,等值电路的阶次愈高,因而,包括各元器件杂散参数和元器件间的耦合在内的开关电源的等效电路将杂乱得多。

开关电源电磁烦扰的克制

构成电磁烦扰的三要素是烦扰源、传达途径和受扰设备。因而,克制电磁烦扰也应该从这三方面下手,采纳恰当方法。首要应该克制烦扰源,直接消除烦扰原因;其次是消除烦扰源和受扰设备之间的耦合和辐射,堵截电磁烦扰的传达途径;第三是前进受扰设备的抗扰才干,减低其对噪声的灵敏度。

滤波性能

1.开关电源滤波器概论

滤波器的功能就是容许某一部分频率的信号顺利的通过,而别的一部分频率的信号则遭到较大的克制,它实质上是一个选频电路。滤波器中,把信号可以通过的频率规划,称为通频带或通带;反之,信号遭到很大衰减或彻底被克制的频率规划称为阻带;通带和阻带之间的分界频率称为截止频率;志向滤波器在通带内的电压增益为常数,在阻带内的电压增益为零;实践滤波器的通带和阻带之间存在必定频率规划的过渡带。

2.开关电源滤波器的分类

1、按所处理的信号

按所处理的信号分为模仿滤波器和数字滤波器两种。

2、按所通过信号的频段

按所通过信号的频段分为低通、高通、带通和带阻滤波器四种。

低通滤波器:它容许信号中的低频或直流分量通过,克制高频分量或烦扰和噪声。

高通滤波器:它容许信号中的高频分量通过,克制低频或直流分量。

带通滤波器:它容许必定频段的信号通过,克制低于或高于该频段的信号、烦扰和噪声。

带阻滤波器:它克制必定频段内的信号,容许该频段以外的信号通过。

 

3开关电源所选用的元器件

开关电源所选用的元器件分为无源和有源滤波器两种。

1)无源开关电源滤波器

无源滤波器仅由无源元件(RLC)组成的滤波器,它是运用电容和电感元件的电抗随频率的改变而改变的原理构成的。

2)有源开关电源滤波器

有源滤波器由无源元件(一般用RC)和有源器件(如集成运算扩展器)组成。这类滤波器的长处是:通带内的信号不只没有能量损耗,并且还可以扩展,负载效应不明显,多级相联时相互影响很小,运用级联的简略方法很简略构成高阶滤波器,并且滤波器的体积小、分量轻、不需求磁屏蔽(因为不运用电感元件)。

开关电源的滤波器安放方位

3)板上滤波器设备在线路板上

依据滤波器的安放方位不同,一般分为板上滤波器和面板滤波器。板上滤波器设备在线路板上。其首要原因是:滤波器的输入与输出之间没有阻隔,简略产生耦合;滤波器的接地阻抗不是很低,削弱了高频旁路作用;滤波器与机箱之间的一段连线会产生两种不良作用:一个是机箱内部空间的电磁烦扰会直接感应到这段线上,沿着电缆传出机箱,凭借电缆辐射,使滤波器失效;另一个是外界烦扰在被板上滤波器滤波之前,凭借这段线产生辐射,或直接与开关电源线路板上的电路产生耦合,构成灵敏度问题;

4)面板开关电源滤波器

滤波阵列板、滤波衔接器等面板滤波器一般都直接设备在屏蔽机箱的金属面板上。因为直接设备在金属面板上,滤波器的输入与输出之间彻底阻隔,接地良好,开关电源电缆上的烦扰在开关电源机箱端口上被滤除,因而滤波作用相当志向。缺陷是有必要在规划初期考虑设备所需的合作结构。

 

2屏蔽功能

屏蔽技术源于欧洲,它是在一般非屏蔽开关电源布线系统的外面加上金属屏蔽层,运用金属屏蔽层的反射、吸收及趋肤效应完结防止电磁烦扰及电磁辐射的功能,屏蔽技术综合运用了双绞线的平衡原理及屏蔽层的屏蔽作用,因而具有非常好的电磁兼容(EMC)特性。在我国越来越多的用户,尤其是涉及到保密和辐射剧烈的项目,开始重视和运用屏蔽系统,乃至是六类屏蔽系统。屏蔽技术具有一套无缺的屏蔽、接地理论和产品系列,提供最无缺、最全面的电缆、部件及端到端全屏蔽解决方案以满意当今网络日益前进的需求。频率越高,趋肤深度越小,即电磁波的穿透才干越弱)有用地防止外部电磁烦扰进入电缆,同时也阻挠内部信号辐射出去烦扰其它设备的作业。

1接地

电子电气设备有许多需求接地的部位,因为电路的性质和接地的目的不同有必要加以严格的差异,需求分成若干独立的子系统,然后衔接在一同进行总接地。设备接大地的目的首要有设备的安全接地,对设备操作人员完结安全保护。

2电路方法

2.1吸收电路

开关电源产生EMI的首要原因是电压和电流的急剧改变,因而需求尽或许地下降电路中电压和电流的改变率(du/dtdi/dt)。选用吸收电路可以克制EMI,其根本原理就是在开关关断时为其提供旁路,吸收积蓄在寄生散布参数中的能量,然后克制烦扰的产生。

2.2软开关技术

软开关技术的根本思想是在原有的硬开关电路中增加电感和电容元件,运用电感和电容的谐振,下降开关进程中的du/dtdi/dt,使开关器件注册时电压的下降先于电流的上升,或关断时电流的下降先于电压的上升,来消除电压和电流的堆叠。在志向状况下,这样不只减小了开关损耗,还可以大大减小EMI电平。

2.3EMI滤波

EMI滤波技术是克制烦扰的一种有用方法,尤其是在克制开关电源的传导烦扰方面,具有明显的作用。开关电源的传导烦扰可分为共模烦扰和差模烦扰。共模烦扰存在于相线与地线间及中线与地线间,其电流在相线与中外,在运用EMI滤波器时还要考虑滤波器的设备质量。

2.4开关频率调制技术

频率固定不变的调制脉冲产生的烦扰在低频段首要是调制频率的谐波烦扰,且这些烦扰首要会集的各谐波点上。

运用频率调制技术下降开关电源EMI电平的根本思想是:通过调制开关频率fc的方法把会集在fc,2fc,3fc,…上的能量分散到它们周围的频带上,由此下降各个频率点上的EMI幅值,然后完结EMI标准规定的限定值,但是图中方法却不能下降总的烦扰能量。线一同存在,大小相等,流向相同。差模烦扰是在相线与中线间存在的烦扰。其电流在相线与中线一同存在,大小相同,流向相反。无论是共模烦扰仍是差模烦扰,都能运用EMI滤波器克制。因为,通过对开关电源烦扰的分析和实测可知,开关电源的烦扰频率和频域要比电网频率高得多和宽得多。

通过缓冲吸收电路可以延缓功率开关电源器件的通断进程,然后下降开关电源的EMI电平,但一同会因为附加的吸收电路的损耗,导致电源总效率的下降。另一种下降开关电源EMI电平的方法是选择适宜的驱动电路参数,使得驱动电路不只可以满意开关管的正常导通的要求,还能操控开关注册和分断时其上电压电流的改变率。这样可以维持电路功能不变的一同下降EMI电平。从优化驱动电路规划的视点改进开关电源的EMC,是近年来展开的一个新方向。

开关电源在实践工作环境中,必然会遭到多种多样的电磁烦扰。在烦扰严峻的场合会使系统无法作业。本文扼要地介绍了数字系统的烦扰来历和噪声耦合途径,全面地阐述了屏蔽、接地、去耦、滤波、阻隔、完结阻抗匹配或选用传输线驱动器、接收器等削弱烦扰源、堵截烦扰源对系统的耦合通道,以及前进电路本身的抗烦扰才干的方法。

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