電子裝備電磁兼容性與電源設計*

宋 昕 王廷營

(1.駐716所軍代表室 連云港 222061)(2.江蘇自動化研究所 連云港 222061)

電子裝備電磁兼容性與電源設計*

宋 昕1王廷營2

(1.駐716所軍代表室 連云港 222061)(2.江蘇自動化研究所 連云港 222061)

論文通過分析開關電源的工作原理,指出了電磁干擾形成的主要原因,介紹了采用交流分布式供電體制的電子裝備解決電源線傳導發射(CE101)問題的基本解決措施,提出了集中加分布式供電的二次供電體制,以降低輸入電流的諧波電流以及對供電系統產生的不利影響,有效解決電源功率大于1KVA的電子裝備中電磁兼容性測試項目CE101的超標問題。

電子裝備; 開關電源; 供電體系; 電磁兼容性

Class Number TJ391

1 引言

伴隨著我國國力的增強、科技的進步以及國防建設的需要,武器裝備也迎來了一個快速發展時期。艦載電子系統一般包括導航系統、通信系統、雷達系統、電子偵察系統、電子對抗系統、作戰指揮系統和武器控制系統等,每個系統均配備有功能不同的電子裝備。由于電子裝備的功能越來越豐富、強大,種類和數量越來越多,使得電磁環境日益復雜。若不能很好地開展電子裝備電磁兼容性設計,將導致整個系統的性能指標大打折扣,嚴重影響了裝備性能的充分發揮。

目前電子裝備一般采用交流分布式供電體制,其電磁兼容性與供電體系及其開關電源[1]特性密切相關。

2 開關電源分析

2.1 開關電源原理

目前,多數電子裝備要求其供電單元體積小、效率高、動態響應好以及能提供低壓大電流等特點。傳統的線性電源由于變換效率低,體積大等缺點,已逐漸被淘汰。而開關電源因具有體積小、效率高、重量輕,動態響應快等突出特點,被廣泛應用。但是由于開關電源特殊的工作原理,也附帶了更多電磁兼容問題[2]。開關電源簡化原理圖如圖1所示。

圖1 電源簡化原理圖

圖中,C1～C4為電路各主要部分對地(機殼)電容(或分布電容),R1～R3為接地電阻或機殼電阻(機殼接地)。從交流(AC)輸入到直流(DC)輸出的全過程,包括:

1) 輸入濾波器:作用是將電網存在的諧波干擾過濾,同時也阻止開關電源本身產生的諧波干擾反饋到公共電網。

2) 整流與濾波:將電網交流電通過整流橋和濾波電容整流為較為平滑的直流電,以供下一級變換使用。

3) 逆變:通過PWM控制電路使得開關管(通常為MOSFET)工作在開關狀態,將整流后的直流電變換為高頻交流電,并通過高頻隔離變壓器傳送的后一級。這是高頻開關電源的核心部分。

4) 輸出整流與濾波:通過整流器件(通常為二極管或同步整流MOSFET)和輸出儲能濾波電容,將變壓器次邊得到的高頻交流電變換成穩定可靠的直流電,供負載使用。

上述的2)～4)環節均會產生電磁干擾,按頻率范圍可劃分為低頻和高頻電磁兼容問題。

2.2 低頻電磁干擾問題

在環節2),經濾波后的工頻交流電流經輸入整流濾波后變成了單向脈沖電流,不再是單一頻率的正弦波,其整流后的電壓、電流波形如圖2所示。

圖2 輸入整流濾波后的電壓、電流波形

由圖2可知,輸入正弦電壓波形經整流濾波后,電壓變成近似穩定的直流電壓,由于輸入電壓只在濾波電容的電壓低于一定值時才經整流橋對電容充電,造成流過整流橋的電流為單向脈動電流。

由傅立葉基數展開可知,一個周期函數可以分解為傅立葉基數,表示為多級正弦函數的和式,即可把周期信號當作是正弦函數的基波與高次諧波的合成。所以,經整流后的電流不僅包含一直流分量,還包含一系列由基波分量和不同次數的高頻交流分量。整流后的脈動波形傅立葉展開如圖3所示。

圖3 整流后電流傅立葉展開波形

這些高次諧波會沿著輸電線路產生傳導干擾和輻射干擾,一方面使前端電流發生畸變,產生尖脈沖,污染輸入電網;另一方面通過電源線產生輻射干擾,被其他設備接收產生干擾。

由于基波頻率較低(50Hz),所含諧波中小于10kHz的諧波含量較為豐富,而此頻率范圍常規EMI濾波的器件、裝置均難以濾去。出現問題時較難處理,在電磁兼容試驗中會造成CE101(25Hz～10kHz電源線傳導發射)測試項超標。

2.3 高頻電磁干擾問題

在環節3),PWM控制電路通過控制開關管工作在高頻開關狀態,將整流濾波后的直流轉換為高頻脈沖電壓(一般為矩形波),在高頻脈沖電壓的上升沿和下降沿部分(時間很短)具有很大的du/dt、di/dt,這些含有較大能量的電壓和電流的瞬變,通過開關器件、變壓器和電路中寄生的分布電容和分布電感,產生脈沖電流和脈沖電壓,而這些脈沖信號都包含豐富的高次諧波,從而產生很強的電磁干擾。

在環節4),輸出整流器件工作于高頻開關狀態,由于開關型變換器的快速通斷性質,整流器件由導通變為截止的時間很短,致使產生反向浪涌電流,又由于電路中存在分布電容和分布電感,會引起高頻衰減振蕩,從而產生高頻電磁干擾。

上述兩個環節中產生高次諧波通常頻率較高(≥50kHz),會產生高頻電磁干擾問題。

2.4 解決措施

為了抑制、消除上述低頻和高頻電磁兼容問題,目前人們研究開發了多種實用技術和裝置[3]。

2.4.1 低頻電磁干擾問題解決措施

針對低頻電磁干擾問題,目前主要通過采用功率因數校正技術。功率因數校正技術又分為無源和有源功率因數校正技術(APFC)。無源功率因數校正技術電路簡單,成本低,但校正效果稍差。而APFC[4]技術因校正效果較好、技術較為成熟,在裝備用電源中被廣泛采用。增加APFC電路后,整流濾波后的電流波形跟隨輸入交流電壓波形變化,呈現工頻正弦波的形式。校正后的電流波形如圖4所示。

圖4 功率因數校正后的電流波形

圖中ch2為電源輸入電壓波形,ch1為功率因數校正后的對應的電流波形,從圖中不難看出,電流波形基本呈工頻正弦波變化,由傅立葉展開理論可知,其極大的減小了輸入整流濾波環節產生的高頻諧波電流含量,進而減小了該環節的電磁干擾。

2.4.2 高頻電磁干擾問題解決措施

針對開關電源產生的高頻電磁干擾問題,常用措施為在電源輸入端加入合適的EMI濾波器,將開關電源內部產生的高次諧波過濾掉,同時濾掉輸入電源線上的高次諧波,使電源內部電路不受干擾。通過采用零電壓、零電流變換為基礎的軟開關電路技術、吸收電路、屏蔽技術、布線技術等可以顯著減少高頻電磁干擾問題的產生,進而減小EMI濾波器的復雜程度、體積和成本。通過上述措施的綜合運用,能夠使得高頻電磁輻射降低到標準規定的范圍。

3 影響電子裝備EMC的主要因素

通過采用上述措施,在負載和開關電源輸出功率比較匹配、供電體系簡單且功率較小的情況下,可以將局部電子設備使用的開關電源產生的電磁干擾問題限制在標準要求的范圍中。但是,在功率較大(一般≥1KVA)的系統中,隨著同類電源的增多、不合理的供電體系的運用以及電磁兼容考核標準的提高,導致整個系統很難滿足測試要求。這也是當前艦載系統所面臨的電磁兼容難題之一。

3.1 標準要求更高

隨著電子裝備中開關電源數量和輸出功率不斷增大,使得諸如功率因數低(無功沖擊大)、諧波干擾、高頻發射等一系列使電網供電品質惡化的公害問題越來越嚴重,特別是對容量有限的船舶電網來講,這個問題更顯突出。一方面造成設備的損壞,加速絕緣老化;另一方面也影響電子裝備的正常工作,給系統運行的經濟性和可靠性帶來了危害,影響了裝備的正常使用,有時還會破壞艦船的隱身性[5]。為了防止和減小這種危害發生,我國制定的GJB151A-1997《軍用設備和分系統電磁發射和敏感度要求》標準中,對輸入功率大于1KVA的系統提出了更高的的低頻電磁兼容要求標準。其中CE101極限(50Hz)如圖5所示[6]。

圖5 CE101極限(50Hz)

其中規定:

1) 在設備和分系統電源小于1kVA的情況下,用連接a、b和c點的連線作極限。

2) 在設備和分系統電源不小于1kVA的情況下,用連接d、b和c點的連線作極限。

由此可以看出,對于大于1kVA的電源系統或設備,對電源線傳導發射要求更苛刻。即使單個電源能滿足CE101的要求,整個裝備電源功率若超出1kVA,電源傳導發射也可能會超出CE101的極限值。

3.2 供電體系設計不合理

電子裝備由功能、外形、內部組成等逐步向標準化、模塊化、組合化發展的各級子設備單元組成。每個子設備單元的供電需求又相對不同,導致每個子設備單元都需要單獨的電源模塊。其供電方式多采用交流分布式供電。典型結構如圖6所示。

圖6 某電子裝備供電體系結構示意圖

交流分布式供電體系由多個AC-DC變換模塊組成,每一塊電路板或一個裝置擁有一個AC-DC變換模塊。為了提高電子設備的可靠性,電源設計中需考慮降額、兼容、標準化、冗余等因素,導致電源數量和總輸出功率遠大于實際負載需求,造成多數電源模塊在其設計輸出的30%左右的條件下工作,在此負載條件下,電源模塊內部的APFC電路處于非最佳工作狀態(APFC電路的校正效果與負載大小成正比關系),各路AC/DC電源模塊的諧波相互影響、疊加,往往導致整個分系統的電磁干擾(特別是低頻傳導CE101問題)超標,在輸入功率等級1kVA以上的電子裝備上表現得尤為嚴重。輸入超過1kVA的電子裝備典型測試結果如圖7所示。

圖7 CE101項典型測試結果示意圖

從圖7中不難看出,由于采用更嚴格的考核極限,會導致系統出現單塊AC/DC電源不超標,但整個系統超標的現象。特別是在采用濾波元件很難去除的低頻部分(≤1kHz),超標問題尤為嚴重。

4 二次供電體系結構

由于新一代電子裝備對電源的可靠性、效率、輸出電壓路數、動態響應、功率密度、標準化設計、冗余設計等方面的要求越來越高,這些要求是復雜、嚴格的,有的甚至是相互矛盾的,僅通過提高單個電源模塊的技術、工藝水平很難得到解決,必須從裝備系統頂層對供電架構進行優化設計,在整體上保證各種性能同時滿足要求的供電方案。

參照國內外先進的新型供電體系[7～9],電子裝備電源系統設計應采用集中供電加分布式供電的二次供電體系結構。

一次電源主要是把220V或380V交流電轉化為48V或24V大功率電源,二次電源把48V或24V轉化為更低的電壓供給負載使用。拓撲結構如圖8所示。

其中,一次電源通常采用APFC+DC/DC拓撲結構,提供一個母線電壓(48V或24V),實現穩壓、隔離、噪聲消除和功率因數校正等功能。直流母線電壓經過DC/DC高頻開關功率變換,獲得滿足負載需求的不同大小的直流電壓輸出,即是二次電源。

依據同樣的原理,對于采用三相380VAC供電的功率更大的系統,我們可以采用圖9所示的二次供電體系,其中母線電壓選擇350VDC,有利于減小因后級功率較大時造成的輸入母線電流較大的現象,從而減小傳輸線上所產生的損耗。

圖9 大功率系統二次供電體系

采用二次供電體系。對整個電源系統產生的高頻10kHz～1MHz電源線傳導發射,通過在一次電源的輸入端加裝合適的濾波器即可較好地解決[10];考慮到冗余設計,二次電源數量增多。但二次電源從一次電源索取的總功率是一定的,只與系統的最終功率需求及二次電源的靜態功耗(通常很小,這里可忽略)有關,所以,可以合理設計、選用一次電源,使其設計輸出功率和實際工作時的輸出功率相匹配(通常工作在70%左右的輸出狀態),使得內部PFC電路工作在最佳工作狀態,能夠有效降低輸入諧波電流,滿足1KVA以上時對CE101項的要求,有效提高電子裝備的電磁兼容性。

此外,由于電源系統具有元器件數量減少、熱分布均勻、二次電源選用靈活、動態響應性能好、更易冗余設計等特點,可有效提高電源系統的可靠性[11]、熱設計性和安全性等方面性能。

5 結語

電子裝備的電源設計是裝備電磁兼容性設計的重要組成部分,切不可將電源設計孤立于裝備電磁兼容性設計之外,應將電子裝備的電磁兼容性設計與裝備供電體系及電源設計協調統一,實施頂層系統性設計,才能從根本上解決電子裝備的電磁兼容性問題,提高電子裝備的電磁兼容性設計水平。

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[3] 肖樂明.船舶電力系統高次諧波危害與抑制研究[J].中國航海,2006(1):86-90.

[4] 陳道煉.有源功率因數校正技術[J].電工技術雜志,1997(1):4-6.

[5] 趙懷軍,宋倩楠,邱宗明,等.艦船電力系統諧波的產生、危害和抑制[J].艦船科學技術,2007,219(4):62-66.

[6] 中國國家軍用標準.GJB151A-97軍用設備和分系統電磁發射和敏感度要求[S].國防科工委軍標出版發行部,1997:11-13.

[7] IBM’s next gen. building power systems one block at a time[J]. switching power magazine,2004,5(3).

[8] 朱雄世.信息網絡時代通信電源供電特點和體制的探討[J].郵電設計技術,2005(5):35-39.

[9] 胡德成,蔡麗娟.開關電源供電架構的發展[J].電源世界,2005(9):1-5.

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[11] 李滋剛.可靠性設計手冊.中國造船工程學會船用電子設備學術委員會,1982.

Power Supply and EMC of Electronic Equipment

SONG Xin1WANG Tingying2

(1. The Military Agent of 716th Research Institute, Lianyungang 222061) (2. Jiangsu Automation Research Institute, Lianyungang 222061)

Aiming at the EMC problems of the naval equipment system brought by switching power supply and distributed AC power system, a new power system is proposed, which includes a concentrative power system and a distributed power system. Both theoretic analysis and experiments prove that the superscale of CE101 on more than 1kVA electronic equipment is greatly reduced in the new power system. It can also decrease the input harmonic current and the harm of the power supply system brought by the electronic equipments. At the same time, it increases the convenience for thermal design, reliability and safety of the system.

electronic equipment, switching power supply, harmonic, EMC

2013年8月2日,

2013年9月30日

宋昕,男,高級工程師,研究方向:海軍裝備技術。王廷營,男,工程師,碩士,研究方向:電力電子。

TJ391

10.3969/j.issn1672-9730.2014.02.040