電力電子電路電場串擾屏蔽方法研究

楊純海

（荊州職業技術學院，湖北 荊州 434020）

引言

當前，現代電子技術得到了快速的發展，電力電子產品的功率密度不斷增加，同時在電路結構當中，其銅線的設置也逐漸變得復雜且繁瑣。由于高頻率開關的電源在運行的過程中，其電壓與時間的微分比值較高，因此其節點造成的電場出現串擾的問題，會直接影響到電路結構的運行質量，因此針對這一問題，相關領域研究人員開展了深入的探究，并將如何實現對電場串擾問題的屏蔽作為研究重點。在電壓與時間的微分比值較高的節點上，針對采樣電路的電場串擾問題，輕度影響會使得電力電子電路的輸出控制精度無法得到保障，重度影響則會造成整個電路結構的無法正常啟動和運行。當前，針對電場串擾的問題研究，主要可劃分為對其產生原因、影響因素以及抑制等方面[1]。

1 電力電子電路電場串擾屏蔽方法設計

1.1 電力電子電路電場串擾噪聲頻譜特征提取

為了避免串擾現象對電力電子電路電場的穩定、安全運行造成影響，本章采用提取串擾噪聲頻譜特征的方式，對其串擾特性進行分析。在此過程中，應明確電路中PCB的高壓電流導線屬于電場在運行中的直接干擾源，此干擾源會通過電場中相鄰導線的電容，對其周邊導體、電氣、小信號裝置的運行產生串擾現象，在此種條件下，干擾源發射信號，敏感導線接收信號，定義電場中兩根敏感導線在傳輸信號與電流時，產生的寄生電容表示為Cp，電場發生干擾后產生的電壓表示為u（t），此時，可將敏感導線上的位移電流表示為i，對應i的計算公式如下。

當電場中運行的敏感導線存在其他分支電路時，可將電路終端的元件運行產生的二次干擾電流作為有效電流，對其進行信號放大處理，即可實現對電場串擾噪聲頻譜特征的有效提取[2]。在此過程中，以Boost電路元件為例，需要先按照上述計算公式，對此導體產生的電場進行串擾分析，分析后根據串擾信號，構建一個電場運行高頻率波形圖，定義波形圖中電壓的幅度值為U，在此基礎上定位前端造成串擾信號的干擾源，根據串擾電壓的動靜態表現形式，對分支電阻率進行計算。掌握電路中不同分支的電阻率后，對其進行采樣，得到電場的分路電阻，將存在異常的電阻作為敏感點。根據現有已知信息，建立一個與電力電子電路電場運行模式相同的干擾電路，根據波形圖的表達方式，定義電場中電壓值的上升與下降速度均表示為v，按照傅里葉表達方式，對u（t）進行詳細表達，表達式如下。

式中：T表示為信號占用電路電場運行的空比；C表示為開關打開與關閉狀態，當C=1時，表示等效電路處于打開運行狀態，當C=0時，表示等效電路處于關閉非運行狀態；n表示為開關數量；Φ表示為開關打開頻率。根據上述計算公式，分析電力電子等效電路圖，進行C=1狀態下，電路干擾噪聲的提取，根據噪聲值與分析過程，繪制電路電場串擾噪聲頻譜特征圖像，如下圖1所示。

根據上述圖1中所示的內容可以看出，電路電場串擾信號的上升或下降，會隨著頻率點的變化而發生變化，當頻率點為時，串擾噪聲值最大。結合圖1中的內容及上述分析得出，在頻率點為時，可實現對電路電場串擾噪聲頻譜特征的準確提取，基于提取到的內容可為后續屏蔽地線參數設定提供重要依據。

1.2 基于電場串擾噪聲頻譜特征的屏蔽地線參數設定

將上述圖1作為參照，根據電場串擾噪聲頻譜特征，對屏蔽地線參數進行設定，在此過程中應明確，屏蔽地線需要按照電路電場輸電線路的并行方向假設，根據屏蔽地線的架設高度，可從水平與位移兩個方向，對地線的屏蔽效果進行分析。此次設計的地線屏蔽方式參照下述表1。

表1 地線屏蔽方式設計

隨著屏蔽地線架設高度的提升，地下預設的根數應當隨之增多。以架設單根屏蔽地線為例，對線路參數進行設計，具體參數如下表2所示。

表2 單根屏蔽地線架設參數設計

按照上述方式，對單根屏蔽地線架設參數進行設計，架設過程中，需要先進行線路屏蔽位置水平方向上的確定，根據預設的水平位置，對屏蔽線的高度進行確定。在此基礎上，分析架設不同高度的成本，選擇經濟效益最佳的方式，進行屏蔽線路的架設，以此種方式提高架設效果的屏蔽效果。

1.3 屏蔽地線布設方式設計

在明確不同電場串擾噪聲頻譜特征下的屏蔽地線參數后，針對其布設方式進行設計。由于電壓與時間的微分比值較高的節點，會通過容性耦合對周圍導線產生一定的電場串擾。因此，針對這一問題，采用減小線間寄生電容的屏蔽思路，以此實現對電場串擾的屏蔽。通過增大兩個屏蔽地線之間的距離或減小屏蔽地線的寬度，都能夠減小寄生電容。因此，基于這一特點，分別從線間距離和線寬方面入手，實現對屏蔽地線的布設。圖2為屏蔽地線布設方式示意圖。

由于在實際應用中，屏蔽地線布設的距離會受到電路結構本身尺寸和規格的影響，使得布設參數常常無法滿足實際需要，并且無法實現對屏蔽地線長度的無限增加。因此，基于上述兩個限制條件，本文采用在干擾源導線和敏感導線之間布設一根屏蔽地線或多根屏蔽地線的方式，實現對其屏蔽能力的提升，以此實現對寄生電容數值的降低，從而不斷減少電場的串擾影響，進而達到屏蔽的效果。在實際進行對屏蔽地線的布設時，若存在兩根或多根屏蔽地線同時布設的情況，結合經驗將其之間的水平距離控制在3 m左右最佳，若布設地段對屏蔽地線下方環境的要求過高，則可以考慮采用多根屏蔽地線布設的方式，以此達到最佳的屏蔽效果。

2 實例應用分析

結合本文上述論述的內容，在明確了屏蔽方法的基本思路后，為了驗證這一方法的實際應用效果，選擇以某種常見的電力電子電路結構作為本文實驗的研究對象。已知該研究對象由于使用時間過長，本身質量存在問題，使得當前其運行過程中極易受到周圍電場串擾影響，造成電路運行質量無法達到預期要求。因此，針對這一問題，引入本文上述提出的屏蔽方法，對該電力電子電路結構進行優化，在實現對其優化的同時也進一步驗證本文屏蔽方法在實際應用中是否具備可行性。為了實現對本文屏蔽方法應用效果更加直觀的判定，選擇將本文屏蔽方法應用前后電力電子電路運行時寄生電容。通過本文上述論述可知，寄生電容越大，則說明電場串擾影響程度越大，屏蔽效果越不理想；反之寄生電容越小，則說明電場串擾影響程度越小，屏蔽效果越理想[3]。根據上述論述，結合公式（1）中的內容，確定屏蔽方法應用前后電力電子電路的位移電流，進一步推導得出其寄生電容。下頁表3為屏蔽方法應用前后電力電子電路中的位移電流和寄生電容變化數據記錄表。

從下頁表3中得到的數據可以看出，本文屏蔽方法應用前，其位移電流均在1.25 A以上，而寄生電容也均在12.25 pF以上，在應用本文屏蔽方法后，位移電流降低到了0.50 A以下，寄生電容也同樣降低到了0.55 pF以下。從表3中的兩組數據對比可以看出，本文提出的屏蔽方法在應用后實現了對位移電流和寄生電容的有效降低。根據上述論述得出，該電力電子電路的電場串擾影響程度得到明顯降低，達到了理想的屏蔽效果。

表3 屏蔽方法應用結果記錄表

3 結語

綜合本文上述論述，提出了一種全新的電場串擾屏蔽方法，并結合實例證明了該方法在實際應用中的可行性。為了進一步提高這一屏蔽方法的應用價值，在今后的研究當中，還將針對影響寄生電容的屏蔽地線之間距離以及線寬等參數進行更加深入的分析，從而實現對屏蔽地線更合理的參數設置和布設，進一步提高屏蔽效果。在實際應用本文上述提出的屏蔽方法時，應當將屏蔽地線的水平位置盡可能設定在電場強度較高的位置上，若需要完成對多根屏蔽地線的架設，則還需要保證其整體結構的中間位置向兩邊形成對稱排列的結構，以此才能夠進一步發揮屏蔽地線的屏蔽效果。同時，由于研究時間和能力有效，在對上述屏蔽方法設計時，沒有充分考慮到電力電子電路本身結構對電場串擾的影響問題。因此，針對上述問題，也將從電力電子電路本身角度出發，通過對其進行優化設計，在源頭上減少電場串擾發生的可能，從而確保電力電子電路能夠具備更高的運行質量。