開關(guān)電源電磁干擾及其抑制技術(shù)的分析

錢忠源

（中航工業(yè)洛陽電光設(shè)備研究所，河南 洛陽 471009）

1 引言

目前我國的開關(guān)電源正呈現(xiàn)小型化、高頻化的發(fā)展趨勢，其在電磁兼容性上具有優(yōu)異表現(xiàn)。由于開關(guān)電源在正常運行工作的情況下，會產(chǎn)生較為嚴重的電磁干擾，其對電網(wǎng)會造成一定程度的污染，并且對電氣設(shè)備的安全使用產(chǎn)生極大的危害。因此，進行開關(guān)電源對電磁干擾的阻抗研究時，應(yīng)采用科學、合理的抑制技術(shù)，以此有效防范電磁干擾，保證電氣設(shè)備能夠穩(wěn)定運行，保障電網(wǎng)系統(tǒng)性能的穩(wěn)定、高效。鑒于此，本文的研究不僅對提高我國開關(guān)電源阻抗電磁干擾水平具有理論意義，同時還對提高我國電網(wǎng)穩(wěn)定運行水平具有現(xiàn)實意義。

2 開關(guān)電源產(chǎn)生電磁干擾的危害

電磁兼容性不足是開關(guān)電源產(chǎn)生電磁干擾的主要原因，電磁兼容性不足使得電子設(shè)備電磁的輻射傳導電路受損，進而產(chǎn)生電磁干擾。在現(xiàn)今開關(guān)電源小型化、高頻化的發(fā)展趨勢之下，開關(guān)電源自身的噪聲源也會產(chǎn)生大量的傳導性電磁干擾，這些電磁干擾將對電子系統(tǒng)及設(shè)備造成不良影響[1]。大量傳導性電磁干擾的出現(xiàn)將造成空間人為電磁干擾能量的大數(shù)額增長，并且日益惡化的電磁環(huán)境對社會日常的生產(chǎn)活動造成較大的損失。

3 開關(guān)電源工作機理和電磁干擾原理

3.1 開關(guān)電源的工作機理

開關(guān)電源的組成包括如下部分：主電路；監(jiān)測電路；控制電路；輔助電路。主電路包括整流器、濾波器以及逆變器等三個部分；控制電路可以采集數(shù)據(jù)電流，進行數(shù)據(jù)對比分析后改變逆變器的控制，之后可以調(diào)節(jié)電流變化的頻率以及脈寬，從而可以保證電路運行的穩(wěn)定性；檢測電路的工作運行目標是保護系統(tǒng)參數(shù)，并且通過儀表盤的形式體現(xiàn)出來；輔助電源則可以保證電源路徑的順利運行。電源所供給的能量及負載具有不定時、間斷的特點，為使開關(guān)電源能夠進行持續(xù)不間斷的電能供應(yīng)，設(shè)計人員需為開關(guān)電源設(shè)置配套的電能設(shè)備，在開關(guān)連接狀態(tài)時進行電能的儲存工作，儲存的電能用于開關(guān)斷開時維護系統(tǒng)正常運行。

3.2 電磁干擾的作用原理

電磁干擾是存在于電路間的無用電磁信號，其對電氣設(shè)備的日常運行有著嚴重的干擾，開關(guān)電源本身具有大量的諧波干擾以及潛在的電磁干擾，并且集中表現(xiàn)在電壓、電流的變化之中。電磁干擾作用原理如下：①電磁干擾普遍存在于開關(guān)電路，而開關(guān)電源的核心組成部分為管道以及高頻變壓器電路。該核心具有較大的脈沖電磁電壓以及相對變化較多的諧波。高頻變壓器初級線圈是開關(guān)管的負載，連接和斷開的瞬間會在開關(guān)電源中產(chǎn)生較大的電壓脈沖，電流瞬間受到磁化沖擊，這是電磁干擾的傳導性質(zhì)體現(xiàn)。②電磁干擾產(chǎn)生于整流電路，連接狀態(tài)下的整流電路二極管會產(chǎn)生較強電流值的正向電流，在開關(guān)斷開的瞬間，這股正向電流將受到反電壓的影響，轉(zhuǎn)變?yōu)榉聪螂娏鳎⑶以摲聪螂娏髦写嬖谙鄬^多的高頻率諧波分量，電磁干擾由于這種強烈的電流變化而產(chǎn)生。③高頻電壓器中同樣存在電磁干擾，其電流環(huán)路是由管道、初級線圈以及濾波電容共同構(gòu)成，該環(huán)路存在空間輻射。電容中的高頻阻抗會在電流濾波電容不足或性能較低的情況下，將頻率不相符的電流傳導到交流電源當中，進而產(chǎn)生電磁干擾。

4 開關(guān)電源電磁干擾的抑制技術(shù)

4.1 濾波抑制技術(shù)

較為常用的電磁干擾抑制技術(shù)之一就是濾波抑制技術(shù)，其具體應(yīng)用方式為：將濾波器接在開關(guān)電源的輸入接口處，對開關(guān)電源電網(wǎng)中產(chǎn)生的干擾信號產(chǎn)生阻抗作用，這種干擾信號會對電路的傳導產(chǎn)生干擾。干擾的非對稱性體現(xiàn)就是共模干擾，這種干擾產(chǎn)生的主要原因是電網(wǎng)噪聲和干擾信號對地的電位共同構(gòu)成的，因此，共模干擾不僅具有頻率幅度大的特點，并且具有較強的干擾性[2]。差膜則與共膜的情況呈現(xiàn)相反的特征，并且主要是指對稱性的干擾，通過電路的轉(zhuǎn)換，可以實現(xiàn)對信號耦合的調(diào)節(jié)，從而保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，另外，電磁場產(chǎn)生后，會造成電路產(chǎn)生不平衡的電壓，這種情況在添加抗干擾濾波器后，干擾信號就會得到有效抑制。因此，差模干擾因為幅度小、頻率低的特點，導致自身干擾性較小。

4.2 軟開關(guān)抑制技術(shù)

軟開關(guān)抑制技術(shù)是一種利用控制和諧振技術(shù)，斷開和連接電路的先進抑制技術(shù)。這種技術(shù)能夠針對現(xiàn)今電源開關(guān)小型化、高頻率的發(fā)展特點對開關(guān)的噪聲及機械損耗進行有效控制，進而使開關(guān)電源的使用壽命得到顯著提高。軟開關(guān)針對原有開關(guān)的基礎(chǔ)增加了電感應(yīng)以及電容等組件，可以在一定程度上減少電流以及電壓產(chǎn)生的重疊，通過改進電路，可以降低噪聲，而軟開關(guān)技術(shù)則包括下列技術(shù)：①準諧振變換器；②PWM變換器（零開關(guān)）；③諧振變換器；④PWM變換器（零轉(zhuǎn)換）。準諧振變換器是在PWM開關(guān)上附加諧振元件控制技術(shù)，諧振類型變換器是在參考標準類型的PWM變換器基礎(chǔ)之上，將諧振網(wǎng)絡(luò)添加到變換器之中，從而實現(xiàn)開關(guān)的零電壓電流[3]。零開關(guān)PWM通過將諧振利用到開關(guān)當中，進而實現(xiàn)電流的換相。除此之外，還需要將PWM方式運用到實際電路。通過零轉(zhuǎn)換PWM變換器，構(gòu)建諧振網(wǎng)絡(luò)，以此構(gòu)成一個零轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換條件。在軟開關(guān)技術(shù)中要注意輔助電路的添加及實現(xiàn)，才能有效抑制開關(guān)電源的電磁干擾。

4.3 屏蔽抗干擾技術(shù)

通過對開關(guān)電源傳播空間中產(chǎn)生磁場和電場采用相應(yīng)的屏蔽抑制措施，能夠有效抑制電磁場造成的電磁干擾，具體屏蔽抑制措施為：在電磁干擾源頭與受干擾物之間建立一片片的間隔片[4]。這種抑制技術(shù)能夠減少電磁波的產(chǎn)生，抑制靜電場及恒定磁場的干擾，有效降低電磁場對開關(guān)電源的干擾影響。

4.4 共模電磁干擾的有源抑制技術(shù)

由于共模干擾主要是存在于電流載體和大地間的電磁干擾，因此共模干擾也被稱作不對稱干擾、接地干擾[5]。有源抑制的技術(shù)應(yīng)用思路具體為：在主回路中進行噪聲電壓的提取，通過提取與開關(guān)電壓噪聲電壓波形相反的電壓，使得開關(guān)電源在正常工作的情況下，讓頻率段位比較長的共模干擾得到消除，這種有源抑制技術(shù)由于其直接作用于電磁干擾源的特性，使得其是一種實用效率較高的電磁干擾抑制技術(shù)。

5 結(jié)論

本文的研究結(jié)果是通過采用抑制技術(shù)能夠有效阻抗開關(guān)電源中的電磁干擾，由此本文對以下幾種抑制技術(shù)進行詳細研究：濾波抑制技術(shù)、軟開關(guān)抑制技術(shù)、屏蔽抗干擾技術(shù)、共模電磁干擾的有源抑制技術(shù)。開關(guān)電源在信號的傳輸過程中會產(chǎn)生電磁干擾是一種正常的電磁現(xiàn)象，但是其對電氣設(shè)備的穩(wěn)定運行有著極大的危害，并嚴重影響了我國電氣事業(yè)的發(fā)展。因此，選擇合適的抑制技術(shù)，是電氣系統(tǒng)穩(wěn)定運行的保障。