鐵路機車專用模塊電源的EMC研究說明

1、鐵路機車專用模塊電源的現(xiàn)狀

鐵路機車正常運行中，由于用電設(shè)備頻繁啟動、環(huán)境溫度變化大、設(shè)備安裝集成度高等原因，造成機車供電環(huán)境十分惡劣，使得供電總線的干擾非常大，經(jīng)常出現(xiàn)浪涌電壓沖擊、電磁輻射、高頻脈沖群等干擾。目前鐵路機車對機車電源的電磁兼容性提出了更高的要求。為此，北京星原豐泰電子技術(shù)有限公司專門籌建了電磁兼容實驗室，對公司產(chǎn)品的電磁兼容(EMC)進行認真研究， 以滿足鐵路機車對模塊電源的更高要求。

2、開關(guān)電源的EMC產(chǎn)生機理

電磁兼容是近年來迅速發(fā)展的技術(shù)領(lǐng)域，它研究如何使電氣、電子設(shè)備或系統(tǒng)在電磁環(huán)境中，既具有足夠的抗干擾能力、保持正常的下作性能，同時也不對處于同一環(huán)境中的其他設(shè)備和系統(tǒng)造成干擾。EMC包括電磁干擾(EMI) 和電磁敏感(EMS)2方面。EMI是指電氣產(chǎn)品向外發(fā)出噪聲；EMS則是指電氣、電子產(chǎn)品抵抗外來電磁騷擾的能力。機車用的模塊電源其EMC產(chǎn)生機理可以從EMS和EMI 2個方面來分析。

1．EMS包括：

(1)電快速瞬變脈沖群干擾，一般是由閃電、接地故障或切換電感性負載而引起的瞬時擾動。這種干擾的特點是脈沖成群出現(xiàn)、重復(fù)頻率高、波形上升時間短。干擾的機理是脈沖群對設(shè)備中半導(dǎo)體器件結(jié)電容的充電，當(dāng)結(jié)電容的能量積累到一定程度，便會引起設(shè)備的誤動作。

(2)浪涌電壓沖擊干擾是由于主電源系統(tǒng)切換干擾、各種系統(tǒng)故障及雷電引起的。該干擾具有電壓快速上升后緩慢下降的特性。

(3)由于摩擦生電、感應(yīng)生電、容性生電產(chǎn)生的靜電放電干擾，其電流具有很高的幅值和很短的上升沿，這樣就會在放電電流的附近產(chǎn)生強度大、頻譜寬的電磁場，對電子線路產(chǎn)生干擾。

(4)射頻輻射電磁場干擾，往往是由設(shè)備操作、維修和安全檢查人員在使用移動電話時所產(chǎn)生的，其他如無線電臺、電視發(fā)射臺、移動無線電發(fā)射機和各種丁業(yè)電磁輻射源，以及電焊機、晶閘管整流器、熒光燈工作時產(chǎn)生的寄生輻射，也都會產(chǎn)生射頻輻射干擾。

(5)電壓瞬時跌落、短時中斷干擾，是由電網(wǎng)、變電設(shè)施的故障或負荷突然出現(xiàn)大的變化所引起的。在某些情況下會出現(xiàn)2次或更多次連續(xù)的跌落或中斷。

EMS還包括很多內(nèi)容，與機車開關(guān)電源關(guān)系密切的多為以上5種干擾。

2．EMI的干擾主要來自開關(guān)電源內(nèi)部， 由開關(guān)器件、變壓器、二極管和非線性無源元件 作時產(chǎn)生，印制板布線不當(dāng)也是引起電磁干擾的一個主要因素。開關(guān)管產(chǎn)生的dv／dt、di／dt是具有較大輻度的脈沖，頻帶較寬且諧波豐富；整流二極管和續(xù)流二極管的反向恢復(fù)電流產(chǎn)生的干擾強度大；而變壓器的漏感會產(chǎn)生頻帶寬、幅度大的輻射能量。

開關(guān)電源產(chǎn)生的電磁干擾，會使鐵路的無線信號傳輸中發(fā)生變化而導(dǎo)致誤操作。同時為了抵制其他干擾對開關(guān)電源的影響，有必要采取一定的措施進行抑制。

3、開關(guān)電源的EMC抑制措施

形成電磁干擾的三要素是干擾源、傳播途徑和受擾設(shè)備。因而，抑制電磁干擾也應(yīng)該從這三方面著手。

首先應(yīng)該抑制干擾源，直接消除干擾原因；

其次是消除干擾源和受擾設(shè)備之間的耦合和輻射，切斷電磁干擾的傳播途徑；第3是提高受擾設(shè)備的抗擾能力，降低其對外來噪聲的敏感度。目前抑制干擾基本上采用以下措施：

① 輸入側(cè)加磁珠；

②輸入側(cè)加壓敏電阻；

③ 加瞬態(tài)電壓抑制二極管(TVS管)；

④ 輸入側(cè)加濾波器；

⑤ 有效的屏蔽；

⑥可靠的接地；

⑦ 優(yōu)化PCB布板；

⑧ 輸入側(cè)加較大的濾波、儲能電容器。濾波是抑制干擾的一種很好的辦法。常在電源輸入端接上濾波器，不僅可以抑制開關(guān)電源產(chǎn)生并向電網(wǎng)反饋的干擾，而且可以抑制來自外界干擾對電源本身的侵害。以下主要介紹濾波器的設(shè)計。

開關(guān)電源的干擾信號有差模信號和共模信號，分別產(chǎn)生差模干擾和共模干擾。二者分布在不同的頻段。大部分的差模干擾出現(xiàn)在1MHz以下，而共模干擾通常出現(xiàn)在100kHz以上。在100kHz～1MHz之間既有共模干擾又有差模干擾?？梢哉f，差模一般出現(xiàn)在低頻段，共模出現(xiàn)在高頻段。開關(guān)電源在EMC測試中，最不好通過的傳導(dǎo)干擾就是在10 MHz以下的干擾。而抑制該頻段干擾的濾波器設(shè)計難度較大。

4、EMC濾波器的設(shè)計

濾波器各元件的參數(shù)設(shè)計可以通過差模和共模等效電路來計算。共模回路轉(zhuǎn)折頻率為：fc=1/（2π√LCMCCM）；差模叫路轉(zhuǎn)折頻率為：fDM=1/（2π√LDMCDM）。其中LCM、LDM為共模和差?；芈返牡刃щ姼?，CCM、CDM為共模和差?；芈返牡刃щ娙荨?/p>

圖1為EMC 濾波器的基本電路圖。設(shè)計EMC濾波器，首先必須獲得濾波器所要提供的干擾的衰減量。利用各種干擾分離器分別測出待測設(shè)備在未加任何濾波器元件下，共模和差模的原始信號，將測得的結(jié)果同需要抑制的最終值比較，以得到需要的衰減量來設(shè)計濾波器的各元件參數(shù)，并通過測量驗證不斷修正．以確認十?dāng)_是否在限值內(nèi)。濾波器的轉(zhuǎn)折頻率即是需要的衰減量，可通過畫波特圖并和斜率為+40dB／dec的線相交點找到。從抑制效果來看，濾波電感、電容值越大，對干擾的抑制能力越強，但必須付出成本、體積增大的代價。而且由材料特性可知，當(dāng)電容、電感值越大，元件阻抗特性的自共振頻率越低，可持續(xù)衰減干擾的頻帶相對變窄，所以其值不能無限增大?？紤]到電容器電容值對體積的變化率較電感器對電感值的比值小，且電容器都有固定的容值，所以在決定濾波器的元件時，將優(yōu)先考慮電容，并在《安規(guī)》限制許可下，盡量選擇較大的容值。