关键词：开关电源；电磁干扰；仰制
Electromagnetic interference and suppression of switching power supply
Author: Sun Ruilong, Wang Xiaoke
Author: WuSitai thermal power plant of Inner Mongolia Energy Power Investment Group Co., Ltd
This paper analyzes the cause of EMI in switching power supply and its propagation path. By reducing the interference of interference source and cutting off the path of interference propagation, the effective measures of interference suppression are put forward, and the design method and manufacturing method of transformer are mainly introduced.
Key words: switching power supply; electromagnetic interference; inverted system
1 绪论
1.1 课题的背景及意义
由于开关电源工作在高频开关状态，内部会产生很高的电流、电压变化率（即高dv/dt和di/dt），导致开关电源产生较强的电磁干扰(EMI，Electro Magnetic Interference)。EMI信号既具有很宽的频率范围，又有一定的幅度，它不仅对电网造成污染，直接影响到其他用电设备的正常工作，而且作为辐射干扰闯入空间，对空间也造成电磁污染。因此，抑制开关电源本身的电磁噪声，同时提高其对EMI的抗扰性，以保证电子设备能够长期安全可靠地工作，是开发和设计开关电源的一个重要课题。
1.2 开关电源的基本工作原理
开关电源将市电直接整流滤波成为直流高压，然后通过逆变器转换成低压的高频交流电压，再经过二次整流和滤波变成所需要的直流低电压。
开关电源主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，在电网中会产生大量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工作效率，干扰通信系统，成为电力公害。开关电源已成为电网最主要的谐波源之一。
1.3 谐波的危害及治理方法
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注意。
1.3.1 谐波产生的原因
在理想的干净供电系统中，电流和电压都是正弦波的。在只含线性元件(如：电阻)的简单电路里，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，就形成非正弦电流，即电路中有谐波产生。
1.3.2 谐波对电网产生的危害
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，引起局部过热，振动，噪声增大，绕组附加发热等。这种谐波电流在发生谐振时的条件下对变压器的安全运行将造成威胁。
2、造成电容器的过载故障
电容器的容性阻抗随频率的增加而下降，而其负载阻抗通常是感性的，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相近或相等时，会产生谐振，引起电流增大，造成电容器的过载故障。
3、谐波引起电力系统功率因数降低
由于开关电源的接入，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，设备的利用率越低，导线和变压器的损耗越大。
4、对电力避雷器的影响
变电站大容量、高电压的变压器由于合闸涌流的过程时间比较长，能够延续数秒或更长的时间，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受到损坏。
5、对继电保护及自动装置的影响
在谐波严重超标的电弧炉负荷、电气化铁路等谐波含量大的局部电网中会受到影响。频繁出现变压器严重涌流且涌流衰减缓慢的变电站受到涌流产生谐波的干扰。继电器或启动元件本身对谐波敏感晶体管或集成电路保护装置的动作量非常小和动作时间非常少，因此它的启动判据容易受到谐波影响而出现较大的误差。利用信号过零取样的控制系统及利用数据过零点的数字式继电器或微机保护，都会受到谐波的影响和干扰。
6、对用户电动机的运行影响
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，机械振动和噪声增大。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，该制动磁场降低了电机的最大转矩和过载能力，增加铜损，并且负序过电流可以将电机定子绕组烧毁。
7、对用户自动控制装置的影响
随着数字控制技术的大规模使用，很多精密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主要有三个方面，即在设备的检测模块中引入畸变量、干扰正常的分析计算、导致错误的输出结果。
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自身的可靠性。使用电能质量污染的电源，用电设备又可能成为新的污染源，而危害电力系统和其他用户设备。可能产生的影响包括：对用户电动机产生影响;对用户补偿电容器产生影响;对用户自动控制装置产生影响;对居民生活用电产生影响;对用电安全造成威胁。
1.3.3 谐波对电网产生的危害治理方法
1、无源并联滤波器
现有的谐波滤除装置大都使用无源并联滤波器，对每一种频率的谐波需要使用一组滤波器，通常需要使用多组滤波器用以滤除不同频率的谐波。因此，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复杂性，使用并联滤波器的方法显然无法对付无限频率成分的谐波。
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，如果我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，就可以滤掉所有的谐波。
在三相电路中均接入串联滤波器，由于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，于是只用一组滤波器就可以滤除所有频率的谐波。串联滤波器对于谐振点频率的电流具有极低的阻抗，对于偏离谐振点频率的电流，则阻抗增大，偏离的越多，阻抗越大。因此，当电容器的实际工作电压等于其额定电压时，电容器的成本最低。
当串联滤波器连接在电源与谐波源之间时，谐波源的输入电压波形会发生严重畸变，正时这种电压波形的畸变使得谐波源的电流接近正弦波。这种输入电压波形畸变可能会影响谐波源控制电路的正常运行，如果出现控制电路不能正常运行的情况，应该将控制电路的电源改接至串联滤波器的前端。
2 开关电源的电磁干扰
根据开关电源的工作原理可知，开关电源本身就是一个很强的电磁干扰源。开关电源产生的干扰，按干扰源种类，可分为尖峰干扰和谐波干扰两种；若按耦合通路来分，可分为传导干扰和辐射干扰两种。
2.1 一次整流器
一次整流器的整流过程是产生 EMI 最常见的原因。
2.2 二次整流电路
整流二极管在正向导通时 PN 结内的电荷被积累。因为二极管工作在高频通断状态，当二极管加反向电压时，积累的电荷不能立即消失，从而产生反向浪涌电流。
2.3 高频开关变压器
变压器型功率转换电路用以实现变压、变频以及完成输出电压调整，是开关稳压电源的核心部分，主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幅度的窄脉冲，其频率较宽且谐波比较丰富。产生这种脉冲干扰的主要原因是：
（1）开关管的负载是高频变压器的初级线圈，是感性负载。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆当开关管导通时，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，形成干扰。
（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、电容形成阻尼振荡，叠加在关断电压上，形成关断电压尖峰。该谐波电压通过电线不仅会影响变压器的初级线圈，还会返回配电系统，造成电网谐波干扰。
（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可能产生较大的辐射干扰。同时，若滤波电容的滤波不足或高频特性不好，则高频电流通过一次整流回路以差模干扰的方式进入电网。
2.4 控制电路引起的电磁干扰
控制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干扰。
2.5 杂散参数影响产生的电磁干扰
在传导干扰频段，多数开关电源干扰的耦合通道是可以用电路网络来描述的。但是，在开关电源中的任何一个实际元器件，如电阻器、电容器、电感器乃至开关管、二极管都包含有杂散参数，且研究的频带愈宽，等值电路的阶次愈高，因此，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复杂得多。
3 电磁干扰的抑制
形成电磁干扰的三要素是干扰源、传播途径和受扰设备。因而，抑制电磁干扰也应该从这三方面入手，采取适当措施。首先应该抑制干扰源，直接消除干扰原因；其次是消除干扰源和受扰设备之间的耦合和辐射，切断电磁干扰的传播途径；第三是提高受扰设备的抗扰能力，减低其对噪声的敏感度。
3.1 滤波技术
3.1.1 滤波器概论
滤波器的功能就是允许某一部分频率的信号顺利的通过，而另外一部分频率的信号则受到较大的抑制，它实质上是一个选频电路。 滤波器中，把信号能够通过的频率范围，称为通频带或通带；反之，信号受到很大衰减或完全被抑制的频率范围称为阻带；通带和阻带之间的分界频率称为截止频率；理想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；实际滤波器的通带和阻带之间存在一定频率范围的过渡带。
3.1.2 滤波器的分类
1、按所处理的信号
按所处理的信号分为模拟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：它允许信号中的低频或直流分量通过，抑制高频分量或干扰和噪声。
高通滤波器：它允许信号中的高频分量通过，抑制低频或直流分量。
带通滤波器：它允许一定频段的信号通过，抑制低于或高于该频段的信号、干扰和噪声。
带阻滤波器：它抑制一定频段内的信号，允许该频段以外的信号通过。
3、按所采用的元器件
按所采用的元器件分为无源和有源滤波器两种。
（1）无源滤波器
无源滤波器仅由无源元件(R、L和C)组成的滤波器，它是利用电容和电感元件的电抗随频率的变化而变化的原理构成的。
（2）有源滤波器
有源滤波器由无源元件(一般用R和C)和有源器件(如集成运算放大器）组成。这类滤波器的优点是：通带内的信号不仅没有能量损耗，而且还可以放大，负载效应不明显，多级相联时相互影响很小，利用级联的简单方法很容易构成高阶滤波器，并且滤波器的体积小、重量轻、不需要磁屏蔽(由于不使用电感元件）。
4、根据滤波器的安放位置
（1）板上滤波器安装在线路板上
根据滤波器的安放位置不同，一般分为板上滤波器和面板滤波器。板上滤波器安装在线路板上。其主要原因是：滤波器的输入与输出之间没有隔离，容易发生耦合；滤波器的接地阻抗不是很低，削弱了高频旁路效果；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干扰会直接感应到这段线上，沿着电缆传出机箱，借助电缆辐射，使滤波器失效；另一个是外界干扰在被板上滤波器滤波之前，借助这段线产生辐射，或直接与线路板上的电路发生耦合，造成敏感度问题；
（2）面板滤波器
滤波阵列板、滤波连接器等面板滤波器一般都直接安装在屏蔽机箱的金属面板上。由于直接安装在金属面板上，滤波器的输入与输出之间完全隔离，接地良好，电缆上的干扰在机箱端口上被滤除，因此滤波效果相当理想。缺点是必须在设计初期考虑安装所需的配合结构。
3.2 屏蔽技术
屏蔽技术源于欧洲,它是在普通非屏蔽布线系统的外面加上金属屏蔽层,利用金属屏蔽层的反射、吸收及趋肤效应实现防止电磁干扰及电磁辐射的功能,屏蔽技术综合利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。在中国越来越多的用户，尤其是涉及到保密和辐射强烈的项目，开始关注和使用屏蔽系统，甚至是六类屏蔽系统。屏蔽技术拥有一套完整的屏蔽、接地理论和产品系列，提供最完整、最全面的电缆、部件及端到端全屏蔽解决方案以满足当今网络日益提升的需求。频率越高，趋肤深度越小，即电磁波的穿透能力越弱)有效地防止外部电磁干扰进入电缆，同 时也阻止内部信号辐射出去干扰其它设备的工作。
3.3 接地
电子电气设备有许多需要接地的部位,由于电路的性质和接地的目的不同必须加以严格的区分,需要分成若干独立的子系统,然后连接在一起进行总接地。设备接大地的目的主要有设备的安全接地,对设备操作人员实现安全保护。
3.4 电路措施
3.4.1 吸收电路
开关电源产生EMI的主要原因是电压和电流的急剧变化,因而需要尽可能地降低电路中电压和电流的变化率(du/dt和di/dt)。采用吸收电路能够抑制EMI,其基本原理就是在开关关断时为其提供旁路,吸收积蓄在寄生分布参数中的能量,从而抑制干扰的发生。
3.4.2 软开关技术
软开关技术的基本思想是在原有的硬开关电路中增加电感和电容元件,利用电感和电容的谐振,降低开关过程中的du/dt和di/dt,使开关器件开通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重叠。在理想情况下,这样不仅减小了开关损耗,还可以大大减小EMI电平。
3.4.3 EMI滤波
EMI滤波技术是抑制干扰的一种有效措施,尤其是在抑制开关电源的传导干扰方面,具有明显的效果。开关电源的传导干扰可分为共模干扰和差模干扰。共模干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,在使用EMI滤波器时还要考虑滤波器的安装质量。
3.4.4 开关频率调制技术
频率固定不变的调制脉冲产生的干扰在低频段主要是调制频率的谐波干扰,且这些干扰主要集中的各谐波点上。
利用频率调制技术降低开关电源EMI电平的基本思想是:通过调制开关频率fc的方法把集中在fc, 2fc, 3fc,…上的能量分散到它们周围的频带上,由此降低各个频率点上的EMI幅值,从而实现EMI标准规定的限定值,但是图中方法却不能降低总的干扰能量。线同时存在,大小相等,流向相同。差模干扰是在相线与中线间存在的干扰。其电流在相线与中线同时存在,大小相同,流向相反。无论是共模干扰还是差模干扰,都能使用EMI滤波器抑制。因为,通过对开关电源干扰的分析和实测可知,开关电源的干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器件的通断过程,从而降低开关电源的EMI电平,但同时会因为附加的吸收电路的损耗,导致电源总效率的下降。另一种降低开关电源EMI电平的方法是选择合适的驱动电路参数,使得驱动电路不仅能够满足开关管的正常导通的要求,还能控制开关开通和分断时其上电压电流的变化率。这样可以维持电路性能不变的同时降低EMI电平。从优化驱动电路设计的角度改善开关电源的EMC,是近年来发展的一个新方向。
4 结 论
数字系统在实际运行环境中,必然会受到多种多样的电磁干扰。在干扰严重的场合会使系统无法工作。本文扼要地介绍了数字系统的干扰来源和噪声耦合途径,全面地阐述了屏蔽、接地、去耦、滤波、隔离、实现阻抗匹配或采用传输线驱动器、接收器等削弱干扰源、切断干扰源对系统的耦合通道,以及提高电路本身的抗干扰能力的措施。
参考文献
[1]王敬斌.开关电源的电磁干扰及抑制技术[J].电气工程应用.2017(01).
[2]李清生.开关电源的电磁干扰分析及有效的抑制措施[J].襄樊职业技术学院学报.2016(01).
论文作者:孙瑞隆,,王晓科
论文发表刊物:《科学与技术》2019年21期
论文发表时间:2020/4/17
标签：谐波论文; 滤波器论文; 干扰论文; 开关电源论文; 电流论文; 频率论文; 电压论文; 《科学与技术》2019年21期论文;