自動化專業本科畢業設計中“電磁兼容”教學實踐

王 飛, 梁入文, 張 楠

(1. 煙臺大學 計算機與控制工程學院, 山東 煙臺 264005；2. 煙臺大學 教務處, 山東 煙臺 264005)

自動化專業本科畢業設計中“電磁兼容”教學實踐

王 飛1, 梁入文2, 張 楠1

(1. 煙臺大學 計算機與控制工程學院, 山東 煙臺 264005；2. 煙臺大學 教務處, 山東 煙臺 264005)

針對本科教學計劃中未開設“電磁兼容”課程的自動化專業,嘗試在畢業設計階段進行電磁兼容的案例導入式教學。選用開關電源中的EMI濾波器、緩沖電路和變壓器屏蔽等作為應用案例,引導學生實現理論與實踐相結合,取得了良好的教學效果。

電磁兼容； 畢業設計； 開關電源

隨著電子電氣技術的發展,各類用電設備越來越多,電磁干擾的問題十分突出。同時,國際和國內不斷制訂或修訂強制性的電磁兼容標準,如國內GB 4824—2013《工業、科學和醫療(ISM)射頻設備騷擾特性限值和測量方法》在2015年1月13 日強制實施。可見,電磁兼容成為電子系統設計的重要組成部分。優秀的電子工程師必須具備堅實的電磁兼容知識[1-2]。本文依據我校自動化專業的教學計劃,以增強大學生電磁兼容設計能力為目標,在本科畢業設計階段,通過案例導入式教學方式,指導完成畢業設計作品,激發學生的學習興趣,取得良好的教學效果。

1 我校自動化專業“電磁兼容”教學現狀

我校自動化專業本科教學計劃中未開設“電磁兼容”課程。學生在“大學物理”課程中學習“靜電場”“穩恒磁場” “電磁感應”等電磁場基本知識,隨后學習“電路”“模擬電子技術”“數字電子技術”“電力電子技術”“檢測技術及控制儀表”等電子類課程,已初步掌握學習電磁兼容技術的先修知識。目前學生在電子類企業就業的比例較高,產品研發中會遇到各類電磁兼容相關的問題。那么,在本科畢業設計階段,通過設計作品來提高他們的電磁兼容設計能力成為一個很好的教學嘗試。結合科研經驗選擇開關電源作為畢業設計題目。一方面,開關電源是一類強調電磁兼容性的電子類產品；另一方面,開關電源也是一類閉環的高階—非線性—時變系統,涉及現代控制理論和控制系統仿真等自動化專業知識,適合用于該專業畢業設計的教學實踐。

2 電磁兼容的教學實踐

2.1 開關電源EMI產生機理

相比于線性電源,開關電源具有體積小、重量輕、效率高等優點[3],在通信電源和電力操作電源中占據主導地位。其基本工作原理是反饋輸出電壓或電流給控制電路,調整驅動波形的占空比來控制功率半導體器件(如MOSFET、IGBT、MCT、GTO、Thyristor等)的導通和關斷時間,從而實現穩定的輸出。電源開關頻率一般在幾十KHz至幾MHz,線路中存在突變的電壓或電流,引起電磁干擾(EMI)問題[3]。

圖1是小功率單端反激式開關電源主回路的電路簡圖,現在按照干擾源來說明電源EMI產生機理。

圖1 單端反激式開關電源主回路電路圖

(1) 輸入整流濾波電路中產生的干擾。圖2所示是全橋整流濾波電路。D1—D4是整流二極管,C1是濾波電容,R2是后級等效電阻,V1是電網輸入交流電壓。由于濾波電容的存在,整流二極管D1—D4僅在V1的瞬時值高于濾波電容電壓時才能導通,電容電壓和電網輸入電流波形如圖3所示。其中輸入電流波形呈窄而陡的脈沖狀。該脈沖電流包含大量的高頻諧波分量,對電網產生諧波污染,同時會引起射頻干擾問題[4]。

圖2 全橋整流濾波電路圖

圖3 電容電壓和電網輸入電流波形圖

(2) 主開關管工作時產生的干擾。圖1中的主開關管Q1、高頻變壓器T1原邊和電容C1形成電流環路,Q1按開關頻率不斷地導通和關斷。無論采用連續控制模式(CCM),還是采用斷續控制模式(DCM),環路電流都含有大量的諧波,通過線路會向周圍空間輻射干擾。EMI正比于電流強度、環路面積和開關頻率的平方[3]。即：

EMI=K×I×S×f2

(1)

式中,I是環路電流強度,S是環路面積,f是電源的開關頻率,K是與線路板材等相關的常數。

(3) 高頻變壓器工作時產起的干擾。實際高頻變壓器繞組存在漏感。假設變壓器T1原邊的漏感量為Le,Q1關斷時,T1原邊漏感會產生感應電動勢：

(2)

形成關斷電壓尖峰。一方面它會通過傳導方式對電網形成電磁干擾,另一方面該電壓尖峰也是導致射頻干擾的重要原因。由于Q1極間電容CDS、導線電阻、線圈的分布電容等的存在,漏感存儲的能量還會引起阻尼振蕩。

(4) 輸出整流電路中產生的干擾。輸出整流二極管D5按開關頻率導通和關斷,流經D5的電壓波形近似矩形波,電流含有高次諧波。同時,二極管存在反向恢復時間,當施加反向電壓時,二極管結電容積累的電荷不會瞬間消除,形成很大的反向電流。當di/dt很大時形成尖峰電壓。

2.2 抑制干擾的措施

圖1電路中存在電流諧波、尖峰電壓、傳導、輻射等電磁干擾問題。抑制干擾的措施很多,介紹幾種相對簡單可行的措施,使學生在設計中能獨立實現,以增強解決EMI問題的信心。

(1) EMI濾波器。圖4所示是常用的EMI濾波器電路圖,安裝在電源的輸入端。電容Cx1和Cx2為差模電容,一般選擇安規電容,用于抑制差模干擾。R為泄放電阻,用于泄放電容上的靜電荷[3]。電感L1為共模電感,與共模電容Cy1和Cy2共同抑制共模干擾。文獻[5]詳細介紹了EMI濾波器的設計步驟,得出文中電源的共模和差模干擾電流大小,并用Pspice軟件進行了濾波器的仿真。

圖4 常用EMI濾波器電路圖

(2) 功率因數校正。針對圖2所示整流濾波電路對電網會產生諧波污染問題,常用的解決辦法是采用功率校正電路。單相功率校正技術已十分成熟。文獻[3]采用填谷式無源功率校正電路與圖2中普通整流濾波電路進行比較,電流總諧波含量從117.5%下降到28.0%。性能更佳的有源功率因數校正電路在中、大功率電源中早已成熟應用。

(3) 緩沖電路。如圖5所示,采用RCD緩沖電路能有效減小變壓器原邊繞組上的尖峰電壓幅度[6]。輸出整流二極管D5兩端可使用R5、C4組成的簡單緩沖電路。這里注意,D5一定要選擇使用超快恢復二極管或肖特基二極管[7]。

圖5 兩種簡單實用的吸收電路

(4) 變壓器的屏蔽。變壓器原、副邊的耦合電容以及變壓器與電源機殼間的分布電容會為共模干擾電流提供傳導路徑。采用屏蔽技術能較好的解決這一問題[8-12]。在學生繞制變壓器時,結合減小繞組漏感和屏蔽技術來講解變壓器的“三明治”繞法。具體步驟：①在變壓器骨架上均勻繞制Np/2(Np指原邊匝數)匝原邊繞組,覆一層絕緣墊襯,用銅箔做屏蔽層,注意首尾端做絕緣處理,防止銅箔首尾短路,屏蔽層焊接一根短引線,通過變壓器引腳最終與電源主回路原邊的地

線相連。②繞制Ns匝副邊繞組。③同①相同覆一層絕緣墊襯后,再用銅箔做一屏蔽層。④繞制剩余Np/2匝原邊繞組。若電源是多路輸出,再繞制其他繞組。用絕緣膠帶纏緊,安裝磁芯,調整磁路氣隙,固定磁芯。高頻變壓器正常工作時,少量磁通利用空氣產生漏磁。在變壓器的外層用銅箔形成短路環,可有效屏蔽變壓器對外電路的電磁干擾。

3 結語

多年指導自動化專業本科畢業設計的教學實踐表明,用開關電源作為應用案例來進行電磁兼容技術的教學切實可行。通過動手調試電路以及書寫畢業論文,讓學生理解并掌握開關電源中EMC產生的機理及各類對策。通過諧波電流、尖峰電壓、傳導、輻射等概念或實測波形,學習理論知識。在設計畢業作品過程中,運用接地、屏蔽和濾波等電磁兼容技術提高實踐能力。教學實踐表明,學生學習興趣大、主動性強、學習效率高,在工作中能力能很快得到體現。

References)

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[3] 錢振宇.開關電源的電磁兼容性設計與測試[M].北京:電子工業出版社,2005:76-78.

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[5] 白昊,張強,李萬玉.基于開關電源的EMI濾波器設計與實現[J].電力電子技術,2012,46(5):2-3.

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Teaching practice of Electromagnetic Compatibility in undergraduate graduation design of Automation speciality

Wang Fei1, Liang Ruwen2, Zhang Nan1

(1. School of Computer and Control Engineering,Yantai University,Yantai 264005,China;2. Office of Academic Affairs,Yantai University,Yantai 264005,China)

In view of the Automation speciality which does not offer the Electromagnetic Compatibility course in the undergraduate teaching plan,the case introduction teaching of electromagnetic compatibility at the graduation design stage is carried out. By taking the EMI filter,the buffer circuit and the transformer shield in the switching power supply as the application case,the students are guided to realize the combination of theory with practice,and the good teaching effect has been achieved.

electromagnetic compatibility; graduation design; switching power supply

10.16791/j.cnki.sjg.2017.07.048

2016-12-22

2017-03-27

國家自然科學基金青年科學基金項目(61403329)

王飛(1976—),男,山東萊蕪,博士,講師,主要研究方向為新能源發電技術.

E-mail：13905358550@126.com

TM645；G642.0

A

1002-4956(2017)07-0185-03