電機拖動系統控制器傳導發射EMC設計*

邵 威

（武漢數字工程研究所 武漢 430074）

1 引言

電機拖動系統控制器是電機拖動系統中的重要設備，尤其是在軍事應用領域，要求控制器不僅具有很高的抗干擾能力，同時還要對其它設備產生的干擾盡可能少。電磁兼容是電子儀器設備或系統在電磁環境中符合要求運行并不對環境中其它設備或系統產生無法忍受的電磁干擾的能力［1］，它是衡量電子產品質量的一個重要指標［2］。本文采用GJB151B-2013標準來考察電機拖動系統控制器的電磁兼容特性，并針對模塊在CE102項目（10kHz～10MHz電源線傳導發射）測試中兩次測試都出現超標現象的問題進行全面分析，并提出合理的整改方案。

2 問題描述

CE102是用來測量EUT輸入電源線上的傳導發射的［3］，GJB151B-2013中規定了 CE102項目電源線傳導發射干擾的基準限值，如圖1所示，本文電機拖動系統控制器采用DC-DC電源模塊供電，供電電壓DC24V，所以按照標準要求采用基準曲線，沒有放寬極限。

在電機拖動系統控制器第一次進行CE102項目測試的時候，測試結果中多處出現超標現象，具體測試曲線如圖2所示，圖中是正線測試曲線，可以看出主要超標段在0.365MHz～10MHz，而且在進行負線測試的時候，測試曲線與正線基本一致。

圖1 CE102基準限值曲線

圖2 第一次整改前CE102測試曲線

一般來說根據開關電源產生差模干擾、共模干擾的特點，可以將測試曲線頻率段劃分為三個部分［4］：

1）0.15MHz～0.5MHz差模干擾為主；

2）0.5MHz～5MHz差模干擾、共模干擾共存；

3）5MHz～10MHz共模干擾為主。

根據CE102測試現場整改經驗，超標可以通過采用濾波電路、增加差模X電容、共模Y電容和磁環等方式來解決，但是具體器件參數無法確定，一般X電容通常為1uF和0.68uF，Y電容通常為330nF、220nF和33nF等。由于現場條件有限，第一次CE102整改使用了一般性能濾波電路前置在電源入口處，并增加幾個X電容和Y電容，最后將電源進線和出現分別繞線套在EMI磁環內，經過幾次調整后整改后的測試曲線如圖3所示，測試效果得到很大的改善，但是依舊在0.365MHz這個頻點有超標現象。

3 分析計算

3.1 干擾源分析

電機拖動系統控制器的電源部分電路圖如圖4所示，DC-DC電源模塊為開關電源，模塊手冊中說明開關頻率典型值為360kHz，與第一次CE102測試和整改后超標頻率相近。可以判斷干擾源主要是DC-DC電源模塊，開關電源產生電磁干擾最根本的原因，就是其在工作過程中產生的高di/dt和高dv/dt，它們產生的浪涌電流和尖峰電壓形成了干擾源［5］。

圖3 第一次整改CE102測試曲線圖

圖4 電機拖動系統控制器電源電路圖

3.2 干擾抑制措施

干擾源、耦合路徑和敏感設備是電磁干擾的三要素［6］，如圖5一般DC-DC電源模塊采用RC吸收電路能有效抑制干擾源頭，但是DC-DC電源模塊封裝完整，無法對內部電路進行優化，本文采用切斷耦合路徑的方式來減少電源模塊對其它敏感電子設備的干擾。

圖5 DC-DC電源模塊干擾源抑制措施

采用可靠的濾波電路是切斷干擾耦合路徑的有效方式，如圖6典型的濾波電路分為一般性能EMI濾波電路和差模增強型EMI濾波電路［7］。在第一次整改過程中用到的濾波電路為一般性能EMI濾波電路，這個電路中L與2個Cy組成共模濾波電路對共模干擾起到很好的抑制作用，由于L的兩端線圈的繞制不可能絕對相同，兩端的線圈電感的差值就形成了一個漏電感，這個漏電感與2個Cx為差模濾波電容主要消除差模干擾信號。從第一次整改結果來看一般性能EMI濾波電路在對共模干擾部分的抑制可以滿足測試的需求，而對電源模塊產生365kHz差模干擾部分抑制作用還達不到要求，圖6中列出了兩種常用EMI濾波電路的插損圖，對比可以看出差模增強型EMI濾波電路在365kHz頻點的插損高于一般性能EMI濾波電路，所以需要采用差模增強型EMI濾波電路的設計方案。

圖6 典型EMI濾波電路

3.3 濾波電路參數計算

設計差模增強型EMI濾波電路需要確定的參數包括差模電容Cx、共模電容Cy、共模電感L和差模電感Ld，其中差模電容Cx和共模電容Cy對濾波電路的安全問題都有非常重要的作用，因此在設計制作時，一定要把Cx和Cy的選用放在至關重要的位置［8］。

濾波電路對干擾噪聲的抑制額能力用插入損耗IL（Insertion Loss）來衡量［9］，它定義了濾波電路接入前后噪聲源在負載上產生功率的前后功率之比。在標準測試條件下，一般軍用電源濾波電路的設計應滿足10kHz～30MHz范圍內插入損耗30dB～60dB，而實際過程中插入損耗值還應該加上6dB的安全量。結合第一次EMC測試的曲線，設計差模增強型EMI濾波電路抑制差模和共模干擾需要達到的衰減量如表1所示。

表1 差模增強型EMI濾波電路插損需求表

濾波電路接入前后電機拖動系統控制器的等效電路如圖8所示，由等效電路可以得到插入損耗IL的表達式為

圖7 EMI濾波電路插入前后等效電路

差模增強型濾波電路的差模等效電路和共模等效電路如圖8所示，其中共模電感LCM≈L，差模電感 LDM≈Ld，共模電容Cy，差模電容 Cx。

圖8 EMI濾波電路等效電路

根據等效電路得出式（2）共模等效電路參數矩陣和式（3）差模等效電路參數矩陣。

結合式（4）可求得EMI濾波電路插入損耗IL的表達式：

把共模等效電路和差模等效電路的參數矩陣分別帶入式（4）得到式（5）共模等效電路的插入損耗和式（6）差模等效電路的插入損耗。

EMI濾波電路一般源阻抗和負載阻抗都處于不匹配狀態，需要根據其源、負載阻抗匹配情況選擇合適濾波器結構與失配網絡對噪聲進行有效抑［10］，為了利于參數計算，這里先不考慮負載不匹配狀態，使用標準源阻抗和負載阻抗，即RS=RL=50Ω。直流EMI濾波電路中的電容耐壓較低，電容值越大濾波效果也越明顯，但是電容的取值關系到人身安全問題［11］，需要選擇合適的電容值。常用的共模電容為330nF、220nF和33nF，常用的差模電容為1uF和0.68uF，本文中選取33nF和1uF作為共模電容和差模電容的數值，其它的常用參數值作為測試整改備用值。

理論上共模電感LCM值越大EMI濾波效果越好，但共模電感過高會導致截止頻率變低，使分布電容也同時變大，高頻電流經過分布電容使濾波電路的高頻噪聲抑制效果變差，而且增大共模電感會造成電感繞線匝數增加，電感制作困難，成本變高，通常共模電感值在2mH～50mH之間；差模電感的發熱量一般比較大，因此為控制濾波電路的溫度在一定范圍內，差模電感LDM值也不宜過大。結合式（5）、式（6）和表1可以求出表2中的共模電感LCM值和差模電感LDM值，其中12.6mH和38uH分別最大，為了有較好的濾波效果，共模電感選取數值相近的15mH，并同時選擇10mH和20mH作為備用；差模電感同樣選取數值相近的39uH，用12uH和47uH作為備用。

表2 共模電感值

4 試驗驗證

根據計算好的濾波電路參數值制成濾波電路，其中共模電容Cy=33nF，差模電容Cx=1uF，共模電感LCM=15mH，差模電感LDM=39uH。經過再次的實驗和現場參數微調，CE102測試最終曲線如圖9所示。

圖9 CE102最終測試曲線圖

最終測試曲線圖中的關鍵測試頻點標定如表3所示，從圖表結果可以看出整改方案是可行的，濾波電路關鍵參數的理論計算值是符合實際需求的。

表3 CE102測試關鍵頻點標定表

5 結語

電機拖動系統控制器的電磁兼容特性是系統可靠運行的關鍵因素，因此穩定合適的濾波電路也成為系統必不可少的一部分。然而濾波電路的設計涵蓋了電氣、電子、結構、材料和工藝等多個領域，EMC是一門嚴重依賴測試的學科［12］，EMC整改對工程人員的經驗要求很高，完全依靠反復的測試整改將造成時間和費用的嚴重超支，因此必然要借助計算機應用技術來輔助設計，再通過仿真和實驗驗證的方式來提高解決EMC測試問題的效率。