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军用不间断电源的电磁兼容设计研究

  • 关键词:军用不间断电源,中电华星
  • 摘要:军工电源专家中电华星的电源工程师在研制某军用不间断电源UPS时,由于其使用环境的特殊性,要求该产品具有下列3个特性。

军工电源专家中电华星的电源工程师在研制某军用不间断电源UPS时,由于其使用环境的特殊性,要求该产品具有下列特性: 1、良好的抗干扰性:包括两个方面内容:A、在外界强电磁或电力畸变尖峰的干扰下稳定工作;B、本身的输出应该是纯净电源,不能作为一个干扰源去干扰外界的设备;2、高可靠性。按照美国军标可靠性预测方案: MTBF(单机) (Mean Time Be.tweenFailures)不低于3万h,MTBF(系统)不低于15万h(响应时间+维修时间按24h考虑或1+1备份);3、能够抗击冲击、跌落、震动等军标要求。中电华星的工程师在研制过程中,在对UPS的EMC(Electromag.netic Compatibility)设计方面进行了严格的测试和设计,特别是对传导辐射,进行了深人的研究设计,达到了军标相应标准和EN55022 class.B标准。

1 传导辐射的来源

当电子设备干扰噪声频率小于30MHz时,主要干扰音频频段,电子设备的电源线对于这类波长的电磁波来说,还不足一个波的波长(30MHz波长为10m),向空中辐射很小。这样,若能测得电源线上感应的噪声电压,就能衡量这一频段的电磁噪声干扰程度,这类噪声就是传导噪声。

传导噪声由差模噪声和共模噪声构成。差模噪声存在于相线L,中线N之间(也可视为存在于L与地线(PE),N与地线(PE)之间,大小相等,相位差1800);共模干扰噪声存在于L与PE,N与PE之间,大小相等,相位相同。

首先分析输入传导噪声的共模及差模通路:

图1为UPS交流输入电路原理图,采用有源倍压PFC,输出+400,一400V的母线电压。图中共模噪声有两路,一路为正负母线上的噪声经L1、C6、RI流回大地,一路为0线上经L2、C7、R2流回大地;正半周差模噪声流动回路为L3、C4、0线、L2、C7、R2、R1、C6、L1、D1,负半周差模噪声流动回路为0线、C5、L4、D2、L1、C6、RI、R2、C7、0线。差模噪声主要影响低频段,共模噪声主要影响高频段。由图可见,共模噪声和差模噪声电流都在网络流动,电流越大,测出的干扰也越大, 所以要想办法减小网络中的共模和差模电流。

在样机中没有充分考虑EMC的设计,传导骚扰噪声的抑制不够,结果严重超标,输入超过EN55022 CLASS B限值最高处达1 8dB。

根据传导辐射产生的根源,我们从以下几个方面做了处理:A、EMI滤波器设计;B、电路结构;C、PCB设计;改进后的UPS经过测试,完全达到爱求。


2 EMI滤波器设计改进

EMI滤波器的作用主要是滤除开关电源产生的传导干扰噪声;另外,EMI滤波器为无源二端口网络,满足互易性,它同时也可滤除来自电网侧的电磁噪声。


EMI后级输人为PFC电路。由Boost开关电源噪声模型知:其共模噪声等效电路为高阻容性,差模,噪声等效电路为低阻感性(当输入整流桥开通时)及高阻容性(当输入整流桥关断时),根据EMI滤波器设计的“阻抗失配”原则,采用如图2所示拓朴结构的EMI滤波器:

则共模滤波器电路等效电路如图3所示:


其中cp为共模噪声源等效电容,为将其归一化,在输入整流“+”, “-”与PE间接入四4700pF的Y电容,即Cp归一化为18800pF。

取Cyl=Cy2=0.033uF

在未接滤波器时测得在1 50KHZ处共模传导骚扰超过限值18dBuv,取10dB的余量,则fRcml取90KHz,fRcm2取40KHz,根据


得:Ll=L2=2.4mH

差模滤波器等效电路如图4:


其中L1leakage,L2eakage,分别为共模电感Ll、L2的杂散电感,一般为其电感量的l%即24uH。由未安装滤波器时的差模共模噪声的分离结果知在1 50KHz处滤波器需要42dB的差模插入损耗。考虑10dB余量,则用作图法在对数频率一插入损耗座标轴上得出出第一级波器的截止频率,侬,DMI=15KHz,第二级滤波器截止频率取fR,DM2=25KHz时,能达到上述要求:

则由:


得Cx1=4.5uF,取两个2.2uF电容并联。得Cx2= 2.2uF


在前述测试条件下的L线传导干扰测试结果见图5,可见已满足CLASS B要求,但在28MHz处平均值余量较小,仅0.61dBμV。通过对电感电容取值的反复测量和比较,在此EMI滤波器结构下,平均余量总不能取得满意结果。如28MHz处平均值余量从0.61 dBμV 增加到2.22 dBμV,但3.55MHz处平均值余量较小,仅1.39dBμV。因此我们通过分析电路结构,提出相应的办法,减少了传导噪声。

3 电路结构改进

为了增加余量,中电华星的工程师们分析PFC主电路拓扑结构,发现其差模输入阻抗为感性,于是分别在正、负PFC主电路开关管与电感间并联电容,一方面可将PFC差模输入阻抗归一化为低阻容性,另一方面可给功率回路去耦,减小功率回路面积。

1.在正负半周回路上并x电容,由于X电容阻抗较小,PFC纹波电流和差模电流信号绝大部分都从x支路通过,从而使流人PE的差模电流显著减小。测试结果低频段的差模干扰降低。

2.将PFC功率回路并联的电容增大到2倍后,在上述测试条件下,测试结果显示低频段已得到很大改善,但在21MHz处,传导干扰噪声仍然较大。

3.根据前面测试结果发现,20MHz的传导干扰噪声主要是共模分量。于是在DC/AC 的直流母线与PE之间分别并联Y电容,在前述测试条件下的L线传导干扰测试结果达到CLASS B要求,但余量不大。

4.在EMI滤波器的输出端L、N分别串入2-3HH棒芯电感,测试条件与前述相同。从测试结果可以发现,在3.55MHz处平均值余量较小,仅2 dBμV 。

5.为了进一步减小传导噪声,在EMI滤波器的输出PE端串入320 pH 电感,测试条件与前述相同。从测试结果可以发现,平均值余量最小处的1.1MHz处余量为5.68 dBμV,完全满足了要求。测试结果如图6所示。

6.为了进一步减少传导噪声,在上述参数不变情况下,我们优化了PCB布线,通过缩短dV/dt大的支路长度及缩小di/dt大的回路面积,平均值余量最小处余量为6.23 dBμV。


4 结论

通过测试发现,当电路结构相同时,针对某个频率平均值余量优化而采用不同参数,其平均值余量最小处的频率有所变化,这是由于参数的变动影响了其传输函数极点的变化。因此传导辐射的EMC设计是综合性的设计,需要对电路、结构、布线等进行综合考虑才能取得良好效果。

采用上述方法,对单进单出在线UPS的传导辐射进行了优化设计,达到了EN55022 CLASS A标准,通过了GJB151.2中CE03(15kHz~50MHz)和RE02(14kHz~1GHz)共l2项参数测试。对同类产品具有一定指导作用。更多军工电源解决方案请联系中电华星相关电源工程师。


发布时间:2017年5月11日 13:54  人气:   审核编辑(王静)
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