SVG子模塊PCB殼體的電磁屏蔽效能仿真分析

孫德林 張中勝 曹利偉 徐國良

（1.常州博瑞電力自動化設備有限公司，常州 213025；2.南京南瑞繼保工程技術有限公司，南京 211100）

電磁屏蔽是用屏蔽體阻止高頻電磁場在空間傳播的一種方法。靜止無功發生器（Static Var Generator，SVG）子模塊中的印制電路板（Printed Circuit Boar，PCB）殼體為保證板卡艙內微電子元器件不受與它相近的絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）或者晶閘管的工作頻率的電磁干擾，通常對板卡艙外部加上金屬屏蔽殼體[1]。但是，由于板卡艙內部的微電子元器件工作時需要散熱、器件接線等因素的存在，需要在殼體上開孔開縫。外界的電磁干擾通過這些孔縫耦合到機箱內部，造成PCB中敏感元器件的波動，影響電路的正常工作，造成子模塊無法正常運行。本文采用基于有限元原理的ANSYS HFSS仿真軟件，對不同情形下的PCB殼體開孔和材質進行分析，給出提高機箱屏蔽效能的改進措施。

1 電磁屏蔽理論

屏蔽是一種空域的電磁干擾控制方法，用來抑制電磁噪聲沿著空間傳播，即切斷輻射電磁噪聲的傳輸途徑。理論上，很多電磁兼容問題可以通過屏蔽來解決。通過電磁屏蔽方法解決電磁干擾的問題不會影響電路的正常工作，因此不需要更改電路。

屏蔽也是利用屏蔽體阻止或減少電磁能量傳輸的一種措施。屏蔽體是用以阻止或減小電磁能傳輸而對裝置進行封閉或遮蔽的一種阻擋層，可以是導電、導磁、介質的，或帶有非金屬吸收填料。對干擾源或感受器（敏感設備、電路或組件）進行屏蔽，能有效抑制干擾，并提高電子設備的電磁兼容性，是電子設備結構設計必須考慮的重要措施之一。簡單來說，電磁屏蔽是同時抑制或削弱電場和磁場，一般采用屏蔽效能來定量分析和表示屏蔽體對電磁騷擾的屏蔽能力和效果。屏蔽效能的定義是指不存在屏蔽體時某處的電場強度E0（磁場強度H0）與存在屏蔽體時同一處的電場強度E1（磁場強度H1）之比SEdB，常用分貝（dB）表示[2]。

對電場，屏蔽效能SEdB為：

對磁場，屏蔽效能SEdB為：

理論上：對于近場，電場和磁場的近場波阻抗不相等，電場屏蔽效能和磁場屏蔽效能也不相等；對于遠場，電場和磁場是一個統一的整體。電磁場的波阻抗是一個固定的常數，因此可以認為電場的屏蔽效能和磁場的屏蔽效能是相等的，統稱為電磁屏蔽效能。

2 建模與仿真

2.1 建模與前處理過程

同等面積下，3種不同開孔形狀的仿真PCB殼體模型如圖1、圖2和圖3所示。

圖1 無開孔殼體

圖2 圓形陣列孔

圖3 正六邊形陣列孔

電磁場無論從屏蔽體的內部空間穿透到外面或者從外面進入其內部空間，都可以歸結為兩個途徑，即經屏蔽體材料的穿透和電氣上不連續處（空洞、縫隙）的泄露[3]。

為探討解決工程實際問題，基于SVG產品子模塊的PCB殼體的幾何尺寸為長×寬×高=470 mm×270 mm× 61.6 mm的矩形封閉殼體。它的表面開有供板卡通風的散熱孔和接線孔。PCB殼體中心為坐標原點，殼體6個面上開有散熱陣列孔和接線端子孔。PCB殼體壁厚度t為1.2 mm。如圖4所示，設置仿真的激勵源偶極子發射源位于殼體正中心原點處，測量點位于為3 m處的位置。模擬測試PCB殼體上無開孔、殼體開孔為圓形陣列孔和六邊形陣列孔、殼體材質為普通的Q235材質和防腐的304材質的屏蔽效能仿真對比分析。使用有限元法求解電磁場時，有必要引入一個包圍該物體的虛構面，將無線的區域截斷為有限的體積[4]。因此，建模時模型外面加了一個長×寬×高為620 mm×420 mm× 210 mm的矩形體作為輻射的邊界條件（如圖5所示），材質為真空。本文中如無特殊說明，平面電磁波都是垂直入射，頻率范圍為100 MHz～1 GHz[1]。

圖4 激勵源

圖5 邊界條件建立

2.2 同一材質殼體不同孔陣的屏蔽效能仿真分析

以不同開孔狀態下的PCB殼體進行仿真，同樣的殼體分別選擇無孔、圓形陣列孔以及正六邊形陣列孔為仿真分析對象，仿真結果如圖6所示。

圖6 同一材質殼體不同孔陣的屏蔽效能曲線

根據仿真曲線結果可知，此PCB殼體在同一種材質下的3種狀態。殼體外表面增加通風散熱孔和接線孔明顯，比沒有開孔的電磁屏蔽效能降低，且在低頻階段的屏蔽效能相差約60 dB；高頻階段相差不大，約為10 dB以內，諧振點附近無差異。同一種材質下，在開同等面積的通風散熱孔為圓形陣列孔和正六邊形陣列孔在頻率為低頻階段時，二者的電磁屏蔽效能基本相當。在高頻階段和諧振點附近，二者也基本相當。需要注意的是，高頻階段0.6～1 GHz區間，諧振點附近此PCB殼體的屏蔽效能整體上都較差，影響其屏蔽效能的主要因素已不再是開孔形狀。高頻階段使用時，注意校對器件的自振頻率，盡量避開此諧振頻率點[5]。

2.3 同一開孔形式不同材質的屏蔽效能仿真分析

實際工程應用中，根據工程現場環境如鹽霧、潮濕等不同工況，綜合考慮防腐等級、成本。常規內陸工程通常采用普通的Q235材質板為PCB殼體材質；鹽霧環境考慮到防腐等級要求高，則采用304（或316）不銹鋼材質板作為PCB的殼體[6]。現將二者不同材質同一開孔形式（圓形陣列孔）的電磁屏蔽進行仿真對比分析，仿真結果如圖7所示。

圖7 Q235材質和304材質殼體圓形陣列孔的屏蔽效能曲線

從上述仿真曲線結果來看：Q235材質板和304材質殼體屏蔽效能基本相當；在諧振點的位置，Q235材質殼體的屏蔽性能優于304材質殼體。

3 結語

仿真結果表明，此SVG子模塊板卡艙的PCB殼體外部開孔后會影響自身的電磁屏蔽特性。該結構在工程中實際使用中板卡上焊接的微電子元器件可能會受到外部干擾，從而導致故障。因此，在進行結構設計時，如果無法避免開孔的情況下，盡量減少開孔數量和減小開孔大小。在低頻階段同材質且同面積同規律孔陣列的情況下，圓形孔、六邊形孔的屏蔽效能二者相當，可以忽略不計。在高頻階段，諧振點附近三者不同的孔屏蔽效能都降低了，建議高頻階段需要注意器件的自振頻率，以注意避開諧振點。同形狀同面積的不同材質的孔陣列殼體，Q235材質的屏蔽效能在低頻階段和304材質的屏蔽效能一致，在高頻諧振點附近Q235材質殼體優于304材質殼體。在低頻階段，殼體材質和開孔形狀對屏蔽效能影響不大。殼體如果使用在高階頻率的情況下，設計屏蔽體開孔時需要綜合考慮開孔的形狀、殼體材質、開孔的美觀性，同時還要考慮到關鍵器件（IGBT）的自身頻率和殼體的諧振點頻率，盡可能調整結構，使電路器件響應頻率避開殼體自身的諧振頻率。