基于HFSS仿真分析的控制箱電磁兼容

楊開宇， 譚天洪， 高印寒， 柯 慧， 宋玉河， 蔡文靜

(1.吉林大學(xué) a.汽車工程學(xué)院，吉林長(zhǎng)春 130022;b.儀器科學(xué)與電氣工程學(xué)院，吉林長(zhǎng)春 130021)

0 引言

人工智能技術(shù)及功率半導(dǎo)體器件技術(shù)的進(jìn)步，促進(jìn)了電源技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。如今，電源技術(shù)日益向輕量化、小型化、集成化、高頻化方向發(fā)展，由于開關(guān)電源固有的特點(diǎn)及其內(nèi)部的越來(lái)越復(fù)雜的電路，使其成為一個(gè)很強(qiáng)的電磁干擾源，產(chǎn)生的各種電磁干擾對(duì)周圍電子設(shè)備的正常工作造成很大威脅。在實(shí)際工程中，為了解決開關(guān)電源帶來(lái)的電磁干擾問(wèn)題，通常加裝屏蔽箱。一個(gè)絕對(duì)密封的箱體能達(dá)到非常好的屏蔽效能，但任何一個(gè)實(shí)際的屏蔽箱都不可能達(dá)到這種理想狀態(tài)，為了進(jìn)出線束和散熱，不可避免地需要在箱體上進(jìn)行開口，另外，電子元件在箱體中通常需要加開散熱孔，開口的存在將導(dǎo)致電磁泄漏。正是基于這一工程實(shí)際問(wèn)題，運(yùn)用電磁場(chǎng)仿真中專業(yè)的ANSOFT HFSS軟件，結(jié)合協(xié)同學(xué)原理［1］來(lái)進(jìn)行仿真研究。

1 開關(guān)電源的工作原理及EMI分析

1.1 開關(guān)電源主電路的構(gòu)成

開關(guān)電源先將工頻交流電通過(guò)整流橋整流為300 V左右的直流電，經(jīng)過(guò)電容濾波后進(jìn)入變壓器加到開關(guān)管的集電極進(jìn)行高頻振蕩，反饋繞組反饋到基極維持電路振蕩。負(fù)載繞組感應(yīng)的電信號(hào)，經(jīng)整流、濾波、穩(wěn)壓得到直流電壓給負(fù)載供電。負(fù)載繞組在提供電能的同時(shí)，也起到穩(wěn)壓的作用，其原理是在電壓輸出電路中接一個(gè)電壓取樣裝置，監(jiān)測(cè)輸出電壓的變化情況，并及時(shí)反饋給振蕩電路調(diào)整振蕩頻率，從而達(dá)到穩(wěn)壓之目的。從交流電網(wǎng)輸入到直流輸出的全過(guò)程，主要包括:輸入濾波器、整流與濾波、逆變、輸出整流與濾波［2］。

濾波與整流和常用電路類似，本文不再贅述。在此，簡(jiǎn)述一下振蕩電路，振蕩電路主要由集成電路和高頻變壓器組成。集成電路可采用UC38等系列［3］的集成塊，輸出方波頻率為10～500 kHz。為了簡(jiǎn)化電路將開關(guān)管簡(jiǎn)化為開關(guān)K，并受到集成電路輸出方波的控制，高電平時(shí)接通，低電平時(shí)斷開。

圖1中的Ui是前文提到的300 V左右的直流電，N1、N2分別是高頻變壓器的初級(jí)、次級(jí)線圈，N3是輔助線圈，作為輔助電源給初級(jí)的芯片等供電(圖中略去了其詳圖)。開關(guān)K接通時(shí)，輸入電源Ui通過(guò)開關(guān)K和濾波電路提供給負(fù)載R0，在整個(gè)開關(guān)接通期間，電源Ui向負(fù)載提供能量;當(dāng)開關(guān)K斷開時(shí)，輸入電源Ui便中斷了能量的提供。圖中，由電感L、電容C和二極管D2組成的電路，具備儲(chǔ)能功能。電感L用以儲(chǔ)存能量，在開關(guān)斷開時(shí)，儲(chǔ)存在電感L中的能量通過(guò)二極管D2釋放給負(fù)載，從而使負(fù)載得到連續(xù)而穩(wěn)定的能量，保證了直流供電。

圖1 高頻振蕩簡(jiǎn)圖

1.2 開關(guān)電源EMI分析

開關(guān)電源電磁干擾(Electromagnetic Interference，EMI)是指開關(guān)電源在工作的過(guò)程中可能對(duì)周圍的設(shè)備或系統(tǒng)性能降級(jí)的電磁現(xiàn)象，這些干擾主要由基本整流器產(chǎn)生的高次諧波電流和功率變換電路產(chǎn)生的尖峰電壓引起。

基本整流器在整流過(guò)程產(chǎn)生高次諧波電流是產(chǎn)生EMI最常見(jiàn)的原因。這是因?yàn)楣ゎl交流正弦波通過(guò)整流后不再是單一頻率的電流，而是單向脈動(dòng)電流［4］，經(jīng)傅里葉分解可得:

式中:Im是峰值電流，i除了包含直流分量外，還含有一系列頻率不同的高頻諧波分量。這些高頻諧波沿著輸電線路產(chǎn)生傳導(dǎo)干擾和輻射干擾，使前端電流發(fā)生畸變，一方面使其前端電源線上的電流波形發(fā)生畸變，另一方面通過(guò)電源線產(chǎn)生射頻干擾。同時(shí)功率變換電路是開關(guān)穩(wěn)壓電源的核心，開關(guān)管在高頻下的通、斷過(guò)程產(chǎn)生大幅度的電壓和電流跳變，因而產(chǎn)生強(qiáng)大的脈沖電磁騷擾。

2 分析建模

箱體內(nèi)部的信號(hào)線通常采用屏蔽線以保證信號(hào)的準(zhǔn)確性和可靠性，加之開關(guān)電源電磁騷擾的頻率通常小于200 MHz。開關(guān)電源及電控箱中其它小功率設(shè)備的幾何尺寸都遠(yuǎn)小于200 MHz電磁場(chǎng)對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)(空氣介質(zhì)中約為1.5 m)。為了簡(jiǎn)化分析模型，依據(jù)協(xié)同學(xué)原理，箱體內(nèi)部的電磁分布情況可以不予考慮。由于一般器件及導(dǎo)線的電磁輻射與開關(guān)電源的高頻干擾比起來(lái)是可以忽略不計(jì)的，本文運(yùn)用協(xié)同學(xué)原理把開關(guān)電源當(dāng)作唯一的干擾源。根據(jù)電磁屏蔽原理［5］，在理想導(dǎo)電材料做成的完全密封箱體，是不會(huì)對(duì)外產(chǎn)生電磁騷擾的。

實(shí)際工程中，完全密封是不存在的。首先，箱體必須要開門，門的開口處通常都會(huì)留下狹小的縫隙，這會(huì)造成電磁泄漏。其次，控制箱必然有線束的引入、引出，這就需要開口，開口也會(huì)造成一定的電磁泄漏?？刂葡渥畲蟮碾姶判孤﹣?lái)自于散熱孔。散熱孔是專門給易發(fā)熱的電子元器件散熱的裝置，散熱孔的引入會(huì)進(jìn)一步影響箱體的場(chǎng)分布情況，尤其是箱體內(nèi)有開關(guān)電源這一類在工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生高頻振蕩的原件時(shí)，電磁泄漏［6-7］將成為一個(gè)不得不面對(duì)的問(wèn)題。在工程上，很多時(shí)候散熱孔的開鑿只注重了美觀，忽視了電磁泄漏?；诖耍疚耐ㄟ^(guò)ANSOFT HFSS軟件對(duì)市面上幾種常用散熱孔進(jìn)行建模、仿真，分析不同散熱孔時(shí)的電磁泄漏情況，以此來(lái)指導(dǎo)今后的實(shí)際工程應(yīng)用。在工程中，散熱孔極少有開單孔的。

設(shè)Sn是總面積，用總面積相同的n個(gè)小孔陣代替一個(gè)大孔，將使透出的電磁場(chǎng)減小為1/。因此工程中多采用孔陣，常見(jiàn)散熱孔陣可分為:圓形孔陣、正方形孔陣、矩形孔陣。根據(jù)電磁學(xué)原理，矩形的長(zhǎng)邊橫過(guò)電流通路時(shí)，電流分布將遭到更嚴(yán)重的破壞，其影響要比圓孔或正方形孔嚴(yán)重，也就是說(shuō)矩形孔要比圓形或正方形孔的傳輸系數(shù)大。設(shè)n個(gè)孔的面積均為s，屏蔽體的面積設(shè)為M。當(dāng)Ms，且電磁波的波長(zhǎng)遠(yuǎn)大于孔的尺寸時(shí)，則電磁場(chǎng)通過(guò)孔陣的傳輸系數(shù)［9］可表示為:

當(dāng)孔的形狀為圓形孔時(shí)k=1，當(dāng)孔的形狀為正方形時(shí)，k=1.05，當(dāng)孔的形狀為長(zhǎng)方形時(shí)k＞1。由此可知正方形孔陣與圓形孔陣的傳輸系數(shù)幾乎相同，而長(zhǎng)方形孔陣的傳輸系數(shù)要明顯大于兩者。即圓形孔陣與正方形孔陣的電磁屏蔽效果相當(dāng)，矩形孔陣的屏蔽效果最差。

考慮到其他設(shè)備的電磁輻射能力均遠(yuǎn)小于開關(guān)電源的電磁輻射能力，本文將開關(guān)電源建模為唯一的干擾源。并選取控制箱的下半部分開有孔陣，此處建模的散熱孔的單孔面積、孔的個(gè)數(shù)、孔陣總面積均相等［10］，內(nèi)部由于都是開關(guān)電源產(chǎn)生的電磁騷擾，故干擾源也使用同一干擾源，且在同一位置。模型如圖2所示(后文仿真的展示圖從左向右依次均為圓形孔陣、正方形孔陣、矩形孔陣):

圖2 常見(jiàn)散熱孔陣建模

3 仿真驗(yàn)證

模型確立好后，需要確定激勵(lì)和邊界條件［11］才能進(jìn)行仿真分析［12-13］。ANSOFT HFSS是專業(yè)電磁場(chǎng)仿真軟件之一，因此其仿真結(jié)果具有非常高的可信度。為了便于觀測(cè)仿真結(jié)果，在原控制箱的外面建了一個(gè)等大的空氣盒子，空氣盒子的邊界設(shè)為理想輻射邊界。仿真過(guò)程中矩形散熱孔陣采用了多種長(zhǎng)寬比［14］不同的孔陣(2∶1，3∶1，8 ∶1，18 ∶1)，得到的結(jié)論是一致的，限于篇幅，此處不失一般性，只展示長(zhǎng)寬比為3∶1的矩形孔陣的仿真情況，不同形狀散熱孔陣的電磁場(chǎng)仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同形狀散熱孔陣的電磁場(chǎng)分布主視圖

通過(guò)圖像，可以得出結(jié)論，在開孔面積相同的情況下，圓形孔陣的屏蔽效果是最好的，正方形孔陣的屏蔽效果與之相當(dāng)，矩形孔陣的屏蔽效果最差。

通過(guò)上圖可以看到，電場(chǎng)強(qiáng)度遠(yuǎn)大于磁場(chǎng)強(qiáng)度，在此記錄了空氣盒子上電場(chǎng)分布的側(cè)視圖。

通過(guò)圖4可以清晰地看到，圓形孔陣時(shí)，空氣盒子上的電場(chǎng)強(qiáng)度約為200 V/m，且分布區(qū)域較窄;正方形孔陣時(shí)，空氣盒子上的電場(chǎng)強(qiáng)度約為200 V/m，但分布較寬;矩形孔陣時(shí)，空氣盒子上的電場(chǎng)強(qiáng)度高達(dá)600 V/m，且分布較寬。這一仿真結(jié)果進(jìn)一步說(shuō)明了圓形孔陣的屏蔽效果最好，正方形孔陣的屏蔽效果與之相當(dāng)，略低于圓形孔陣的屏蔽效果，矩形孔陣的屏蔽效果最差。這與圖3所得到的結(jié)論是完全一致的。

現(xiàn)把空氣盒子改為高度和半徑均相同的空氣圓柱，邊界條件仍然設(shè)為輻射邊界，其他條件不變，仿真在柱體外側(cè)的電磁場(chǎng)分布，得到如圖5所示的結(jié)果。

圖4 空氣盒子上電場(chǎng)分布側(cè)視圖

圖5 空氣柱上電磁場(chǎng)分布圖

從上圖仍然可以得出:穿過(guò)圓形孔陣的電磁場(chǎng)最弱［15］，穿過(guò)矩形孔陣的電場(chǎng)最強(qiáng)，這與上文的結(jié)論是一致的。因此，實(shí)際開孔時(shí)，為了達(dá)到更好的電磁兼容效果，應(yīng)盡可能選擇圓形孔陣，而且應(yīng)盡量避免矩形孔陣。

4 結(jié)語(yǔ)

本文經(jīng)理論推導(dǎo)后，采用ANSOFT HFSS電磁場(chǎng)仿真軟件進(jìn)行建模分析，參考工程實(shí)際，在激勵(lì)源相同的情況下，對(duì)電磁場(chǎng)通過(guò)不同形狀孔陣的屏蔽效果進(jìn)行仿真。理論與仿真得出了一致結(jié)論:在實(shí)際中，圓形孔陣的屏蔽效果最好，正方形孔陣的屏蔽效果與之相當(dāng)，矩形孔陣的屏蔽效果最差。這為以后裝有開關(guān)電源的控制箱的設(shè)計(jì)提供了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)?？钻嚨钠帘涡Ч苯記Q定了控制箱的電磁兼容性，上述結(jié)論為以后更加深入的電磁兼容理論研究提供了支撐。

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