電磁騷擾抑制的可靠性研究與電路設(shè)計(jì)

潘亮，周月飛，宋有兵，魏宇

（空調(diào)設(shè)備及系統(tǒng)運(yùn)行節(jié)能國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，珠海 519070）

引言

獨(dú)立濾波器適用頻段大，這使許多變頻冰箱采用獨(dú)立濾波器來解決電磁騷擾的問題，這的確可以避免許多電磁騷擾問題。但獨(dú)立濾波器的濾波效果在實(shí)際使用中并不穩(wěn)定且成本較高，除受樣品本身質(zhì)量影響外，還受到運(yùn)輸以及零部件本身質(zhì)量問題的影響。且由于生產(chǎn)中的不可控性，對于采用獨(dú)立濾波器的產(chǎn)品，其電磁騷擾抑制效果受到負(fù)載、走線、電機(jī)等多方面影響。一旦產(chǎn)品出現(xiàn)濾波失效，往往很難解決。

杜迎等[1]對傳導(dǎo)耦合產(chǎn)生進(jìn)行研究，分析抑制傳導(dǎo)耦合的機(jī)理。柳光福等[2]對家用電器的電磁干擾進(jìn)行分析，分析干擾的傳播路徑和EMI濾波器的應(yīng)用；闞愛梅等[3]對風(fēng)冷冰箱EMI問題進(jìn)行研究，分析控制板風(fēng)扇電機(jī)驅(qū)動電路的影響。陳卉[4]等對家用電器的輻射騷擾進(jìn)行分析，從屏蔽、套磁環(huán)、增加共模扼流圈、陶瓷電容和環(huán)形壓敏電阻等角度分析對輻射的抑制效果。

業(yè)內(nèi)對家用電器電磁騷擾的因素和涉及改進(jìn)有一些研究，但對帶有獨(dú)立濾波器的產(chǎn)品出現(xiàn)濾波失效研究較少。本文從設(shè)計(jì)、生產(chǎn)兩個角度進(jìn)行研究，結(jié)合生產(chǎn)一致性問題以及對傳導(dǎo)耦合和濾波電路機(jī)理的研究分析，選擇風(fēng)冷變頻冰箱為實(shí)驗(yàn)樣本進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，對比研究結(jié)果的可靠性，在整體結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)設(shè)計(jì)不更改的前提下實(shí)現(xiàn)抑制電磁騷擾,提出一種抑制電磁騷擾的濾波電路設(shè)計(jì)。該濾波電路較以往取消獨(dú)立濾波器，采用從主板直接出線的方式，減少箱內(nèi)線束傳導(dǎo)耦合造成的影響。利用濾波電路的阻抗特性，大幅提高對電磁騷擾的抑制效果的同時，達(dá)到節(jié)約生產(chǎn)成本。

1 冰箱內(nèi)部導(dǎo)線傳導(dǎo)耦合原理分析

傳導(dǎo)耦合是騷擾源與敏感器件之間的主要耦合途徑之一，分為電容性耦合和電感耦合兩種方式。由于變頻冰箱的結(jié)構(gòu)出現(xiàn)電容性耦合的概率要大于電感性耦合，本文只對電容性耦合進(jìn)行分析，圖1為導(dǎo)體間電容式耦合的簡單表示方法。

圖1 導(dǎo)體間電容式耦合的簡單表示方法

由冰箱實(shí)際結(jié)構(gòu)可知，騷擾源壓縮機(jī)UVW線的電壓為U1，被擾體電源線與地之間耦合的騷擾電壓Un表示為：

式中：

C12—壓縮機(jī)UVW線與電源線之間的分布電容；

C2G—電源線與地之間的電容；

R—電源線與地之間的阻抗；

f—騷擾電壓Un的頻率。

則，由（1）可簡化為：

從（2）中可以看出在，當(dāng)被擾體與地之間距離保持不變時，即C2G保持不變，要消除耦合干擾對冰箱的影響，就必須要減小UVW線與電源線之間的分布電容C12。結(jié)合冰箱實(shí)際情況，冰箱內(nèi)部導(dǎo)線長度遠(yuǎn)大于導(dǎo)線直徑，則得出如下公式：

式中：

C—騷擾源與被擾體之間的線間電容；

1—冰箱內(nèi)部導(dǎo)線實(shí)際長度；

d—騷擾源與被擾體的間距；

a—導(dǎo)線直徑；

?—常數(shù)。

從（3）可知：要減小騷擾源與被擾體之間的線間電容C，必須縮短導(dǎo)線的長度或增大導(dǎo)線間的距離。由于C=εS/d，所以減小兩根導(dǎo)線之間的面積，也可以減小耦合電容，而減小接觸面積就是要使UVW線與電源線不要平行走線，盡可能保持相互垂直。

2 樣品選擇與影響因素

以某風(fēng)冷變頻冰箱（BCD-529）為研究樣本，如圖2所示，實(shí)驗(yàn)室選擇電磁屏蔽室，測試儀器采用：EMI接收機(jī)、功率吸收鉗、V型人工電源網(wǎng)絡(luò)等。

圖2 實(shí)驗(yàn)用BCD-529冰箱

測試方法嚴(yán)格按照國標(biāo)GB 4343.1-2018《家用電器、電動工具和類似器具的電磁兼容要求第一部分：發(fā)射》[5]執(zhí)行，騷擾電壓、騷擾功率測試為空載，環(huán)境溫度為25 ℃，冰箱箱內(nèi)溫度穩(wěn)定以后分別進(jìn)行騷擾電壓、騷擾功率測試，頻譜曲線如圖3，騷擾功率滿足、騷擾電壓測試滿足測試限值（火線測試情況相同）。

圖3 運(yùn)行穩(wěn)定下騷擾功率、零線騷擾電壓頻譜曲線

為解決冰箱箱內(nèi)傳導(dǎo)耦合的影響，我們提出取消獨(dú)立濾波器，采用從主板出線的方式，減少箱體內(nèi)傳導(dǎo)耦合的影響。去除獨(dú)立濾波器會導(dǎo)致整個濾波電路的阻抗特性發(fā)生變化，會導(dǎo)致騷擾功率、騷擾電壓裕量減少甚至超標(biāo)，如圖4數(shù)據(jù)，騷擾電壓、功率數(shù)據(jù)明顯變差。

圖4 取消濾波器后騷擾功率、零線騷擾電壓頻譜曲線

2.1 阻性負(fù)載的影響

根據(jù)主控板PCB布局以及冰箱負(fù)載分析得出：箱內(nèi)線性器件化霜加熱器為敏感器件，箱內(nèi)壓縮機(jī)UVW線為干擾源，化霜加熱器在箱體內(nèi)的位置與壓縮機(jī)UVW線的位置滿足傳導(dǎo)耦合的條件，導(dǎo)致干擾通過化霜加熱器流入電源線中，從而導(dǎo)致冰箱電磁騷擾超標(biāo)。

針對該問題，將化霜加熱器取電位置改為主板濾波電路后。即把濾波電路前端取電的阻性負(fù)載（如化霜加熱器、翻轉(zhuǎn)梁加熱器）調(diào)整至濾波電路后端取電，讓干擾通過濾波電路濾波，防止出現(xiàn)濾波失效的問題。由圖5可以看出，優(yōu)化后騷擾電壓裕量增加，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖5 調(diào)整阻性負(fù)載騷擾電壓頻譜曲線

2.2 濾波電路器件選型的影響

濾波電路器件選型[6]：由電容電感阻抗公式可知（感抗XL=2πfL、容抗），電容阻抗隨頻率增大減小，電感相反。且家用電器產(chǎn)生的輻射騷擾一般屬于高頻共模騷擾，在產(chǎn)生共模干擾的路徑上加上共模扼流圈對騷擾的抑制可以起到很好的效果。在電路中共模電感選擇一大一小兩種規(guī)格，由電感結(jié)構(gòu)可知，當(dāng)干擾經(jīng)過繞組時，兩個繞組的磁通方向相同，總電感量增大，對共模干擾呈現(xiàn)高阻抗，阻礙其通過。若電源線中差模成分較多，可人為地增加共模扼流圈的漏電感，提高差模電感量，與差模電容組成低通濾波器用來抑制電源線上存在的差模騷擾。適當(dāng)增大第二個扼流圈感量，可以改善低頻，從而能夠有效的抑制高頻和低頻的電磁干擾。

針對于變頻冰箱產(chǎn)品，X電容跨接在輸出端，也可并聯(lián)在輸入端，選用陶瓷電容，常用容量范圍是0.1～0.47 uF；Y電容采用薄膜電容，冰箱屬于Ⅰ類駐立式電動類家電產(chǎn)品，其泄漏電流不能超過3.5 mA，其容量范圍大致是1～4.7 nf。

3 優(yōu)化方案

因此我們針對冰箱干擾特性，優(yōu)化濾波電路的結(jié)構(gòu)及布局，達(dá)到提高濾波效果的目的；利用電容電感的阻抗特性，提高濾波電路低頻、高頻電磁干擾的抑制能力，更好地解決冰箱產(chǎn)生的電磁騷擾。

通過通過對電容電感特性以及冰箱電磁干擾機(jī)理的研究分析，重新設(shè)計(jì)濾波電路，該電路主要有X電容C1-C3、Y電容C4-C5、共模電感L1、L2組成。

電路中X電容接于零火線之間，分布在兩個共模電感周圍，Y電容分別連接于火線與地之間、零線與地之間。阻性負(fù)載調(diào)整至濾波電路后端。由電容電感阻抗特性可知，電容阻抗隨頻率增大減小，電感相反。電容能將高頻干擾去掉，從而達(dá)到通低頻阻高頻的作用。此時由變頻冰箱產(chǎn)生的高頻干擾一部分通過Y電容導(dǎo)入地線中，剩余部分通過感量較小的共模電感進(jìn)行抑制；冰箱產(chǎn)生的低頻干擾部分，剩余部分通過感量較大的共模電感進(jìn)行抑制。避免過多的干擾直接流入電網(wǎng)。

優(yōu)化后測試騷擾功率、騷擾電壓數(shù)據(jù)如圖6所示，均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求且具有較大余量。

圖6 優(yōu)化后騷擾功率、騷擾電壓頻譜曲線

4 結(jié)論

通過對冰箱傳導(dǎo)耦合和針對冰箱濾波電路的研究分析，以實(shí)際冰箱為載體進(jìn)行測試驗(yàn)證和設(shè)計(jì)改進(jìn)優(yōu)化，在整體結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)設(shè)計(jì)不更改的前提下實(shí)現(xiàn)抑制電磁騷擾，同時對主要影響因素提出以下解決方案：

傳導(dǎo)耦合是冰箱內(nèi)部線路中常見的一種干擾型式，它使騷擾源的能量通過導(dǎo)線耦合到被擾體，從而導(dǎo)致整體電磁騷擾超限值。抑制冰箱傳導(dǎo)耦合的方法有，一是縮短箱體內(nèi)部導(dǎo)線的長度或增大導(dǎo)線間的距離；二是減小兩根導(dǎo)線之間的面積，使騷擾源與被擾體不要平行走線，盡可能保持相互垂直。

1）濾波電路器件選型的影響

濾波器件選型是電路設(shè)計(jì)時的一大難點(diǎn)。針對變頻冰箱的電路設(shè)計(jì)，濾波電路電感選擇，在電路中共模電感選擇一大一小兩種規(guī)格，由電感結(jié)構(gòu)可知，當(dāng)共模干擾經(jīng)過電感繞組時，兩個繞組的磁通方向相同，總電感量增大，對共模干擾呈現(xiàn)高阻抗；電感的繞組與濾波電路中的Y電容組成低通濾波器，可抑制電路中的共模干擾。且可人為地增加共模扼流圈的漏電感，提高差模電感量，與差模電容組成低通濾波器可用來抑制電源線上存在的差模騷擾。適當(dāng)增大第二個扼流圈感量，可以改善低頻，從而能夠有效的抑制高頻和低頻的電磁干擾。

X電容選用陶瓷電容，常用容量范圍是0.1～0.47 uF；Y電容采用薄膜電容，容量范圍大致是1～4.7 nf。

2）阻性負(fù)載的影響

冰箱中阻性負(fù)載是除箱內(nèi)電源線之外的另一個傳導(dǎo)耦合的路徑。針對該問題，將阻性負(fù)載取電位置改為主板濾波電路后。即把濾波電路前端取電的阻性負(fù)載（如化霜加熱器、翻轉(zhuǎn)梁加熱器）調(diào)整至濾波電路后端取電，讓干擾通過濾波電路濾波，防止出現(xiàn)濾波失效的問題。