電磁*由電磁騷擾源、耦合途徑(或稱耦合通道)及敏感設(shè)備三個要素構(gòu)成,前兩者降低設(shè)備的電磁*輸出量,降低本設(shè)備對其它設(shè)備的*,最后一項提升本設(shè)備的適應(yīng)能力和電磁耐受能力。對于降低電磁騷擾源的措施已在許多書刊上進(jìn)行了非常廣泛的闡述,本文主要從傳導(dǎo)耦合途徑的角度對降低UPS系統(tǒng)的電磁*進(jìn)行分析。

1 UPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

從圖1可以看出,UPS系統(tǒng)有市電、電池、旁路、輸出四個端口。一般旁路與市電連接為同一輸入,充電器跨接在市電輸入與電池回路之間,四個端口間相互連接,互相耦合,這就為UPS處理EMC*問題增加了難度。

2 *源及其傳播路徑

同普通的開關(guān)電源一樣,UPS的*源也來自開關(guān)管、磁性元件等存在的較大的di/dt、du/dt回路和節(jié)點。UPS系統(tǒng)是一個復(fù)雜系統(tǒng),存在多個*源,主要有整流器、逆變器、充電器、輔助電源等。另一方面,由于存在多個相互耦合的支路,使得UPS系統(tǒng)的EMC處理變得非常復(fù)雜。下面以某30kVAUPS為例研究其*傳播路徑(參見圖2)。

在該UPS系統(tǒng)中,EMC特性與器件的寄生參數(shù)、功率回路的吸收電路、EMC濾波器、接地系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)有很大的關(guān)系,主要的*傳遞路徑有:

①開關(guān)管→散熱器→機(jī)箱

開關(guān)管通過絕緣導(dǎo)熱部件(常見的為硅膠布)的寄生電容將*信號傳遞到散熱器,再通過散熱器將*傳遞到機(jī)箱,形成共模*。

②電感線圈→電感鐵心→機(jī)箱

若電感的磁芯外露,需要將磁芯接地,此時電感線圈與磁芯間的寄生電容會將*信號引入到

鐵心中,并進(jìn)一步將*信號引入地線,形成共模*。

③電感線圈→Cepc→電網(wǎng)端或輸出端,電感內(nèi)部的等效并聯(lián)電容會降低濾波效果,將開關(guān)管的噪聲引入到電網(wǎng)端或輸出端,形成差模*。

④散熱器→接地寄生電感、鐵心→接地寄生電感、輸入輸出濾波器→接地寄生電感……

通常在設(shè)計和處理EMC問題時都將機(jī)箱視為地平面,認(rèn)為只要將信號接入機(jī)箱都視為接地,事實上并不能完全忽略機(jī)箱對EMC的影響,特別是當(dāng)機(jī)箱體積較大時,機(jī)箱設(shè)計不良引起的EMC問題會相當(dāng)嚴(yán)重。機(jī)箱設(shè)計不良可等效在*傳播回路或濾波器回路中串入了電感,這個電感會引起EMC濾波器效能降低、*信號由傳導(dǎo)轉(zhuǎn)換為輻射、引起濾波回路振蕩等問題。

⑤逆變?yōu)V波電容端→旁路SCR的吸收電容Csnb→電網(wǎng)端

由于逆變?yōu)V波電容存在ESR,不能完全濾除噪音,這部分噪音會通過旁路SCR的吸收電容Csnb傳遞到輸入端。更嚴(yán)重的是旁路SCR的吸收電容Csnb會“短路”市電輸入濾波器的共模電感,導(dǎo)致輸入濾波器性能大幅降低。

3 處理方式及注意事項

上述初步分析了UPS系統(tǒng)主要的*傳播途徑,這里針對這些傳播途徑一一采取措施進(jìn)行抑制。

(1)開關(guān)管→散熱器→機(jī)箱回路*的抑制

在該回路中有兩點措施可以采用,即降低開關(guān)管→散熱器、散熱器→機(jī)箱兩個耦合路徑。前者是由開關(guān)管與散熱器間的絕緣導(dǎo)熱器件決定的,常用的絕緣導(dǎo)熱器件是硅膠布,為了得到更低的熱阻,硅膠布都用的比較薄,最低達(dá)到0.15mm。但是過小的厚度增加了開關(guān)管與散熱器間的電容,增強(qiáng)了開關(guān)管*的傳播,不利于EMC*的處理。

在另一些應(yīng)用中,為了進(jìn)一步降低開關(guān)管與散熱器間的熱阻,在開關(guān)管與硅膠布間增加大面積銅板,再通過銅板、硅膠布將熱量傳遞到散熱器。這種辦法降低了開關(guān)管與硅膠布間的熱阻,卻極大地增加了開關(guān)管(含銅板)與散熱器間的電容,惡化了EMC特性。

氧化鋁陶瓷基板的出現(xiàn)解決了這一問題,它具有導(dǎo)熱好、熱阻低的特點,通常陶瓷基板的厚度在1mm左右,因而用陶瓷基板替換硅膠布,可以大大降低開關(guān)管與散熱器間的電容。

表1為TO-3P封裝分別采用三種不同的方法進(jìn)行對比,其中銅板+硅膠布的方案中,銅板尺寸按34×32×1.5進(jìn)行對比。

由表1看出,采用陶瓷基板可在獲得高的導(dǎo)熱性能的同時顯著降低耦合電容,減少EMC*的傳播。

散熱器與機(jī)箱通常有兩種連接方式,一種是將散熱器直接接機(jī)箱,如采用自冷卻系統(tǒng)的設(shè)備;另一種是散熱器懸空,不與任何機(jī)箱或電路連接。前者會直接把*信號耦合到機(jī)箱,形成共模*,后者通過散熱器與機(jī)箱間的耦合電容將*信號耦合到機(jī)箱。對散熱器懸空的系統(tǒng),應(yīng)盡可能的增加散熱器與機(jī)箱的間距,以減少耦合電容。另一種辦法是通過一高壓電容將散熱器與N線相連,將共模信號轉(zhuǎn)化為差模信號,便于處理。

(2)電感線圈→電感鐵心→機(jī)箱回路的抑制

對于采用外置磁芯的電感,可以通過加大線圈與鐵心間距的辦法減少耦合電容。也可以重新布置繞組,將電感的“靜端”或噪聲小的接線端布置在靠近電感磁芯的位置,以減小噪聲的傳播。也可采用內(nèi)置磁芯的電感取代外置磁芯的電感,如用環(huán)形電感取代CD型鐵心電感。

(3)電感線圈→Cepc→電網(wǎng)端或輸出端*的抑制

有多篇論文提到,可以通過改變線圈的繞制工藝降低電感的等效并聯(lián)電容。除此之外,將箔繞組替換為線繞組并合理分布繞組可以有效降低寄生電容。當(dāng)電感已經(jīng)確定無法改變時也可以采用一些措施減少電磁*的傳播,如:采用好的濾波電容和合理的電容連接結(jié)構(gòu)來降低*的傳播,也可以在主電感回路中串聯(lián)小的副電感,通過副電感降低*的傳播。

(4)接地系統(tǒng)引起的*抑制

由于機(jī)箱設(shè)計的不合理使得接地系統(tǒng)不良,無法有效地濾除EMC*甚至引起振蕩。通過優(yōu)化機(jī)箱設(shè)計,使得電磁*的耦合點盡可能地以大面積金屬的形式接入系統(tǒng)接地點,盡可能避免多個接地點串聯(lián)接入系統(tǒng)地。另外,系統(tǒng)的接地點的選擇也很重要,要選擇面積較大的金屬板、離EMC濾波器較近的位置作為系統(tǒng)接地點。要避免電磁*強(qiáng)的電纜通過大孔或長條孔。

(5)逆變?yōu)V波電容端→旁路SCR吸收電容Csnb→電網(wǎng)端回路的抑制

有幾個辦法可以采用:

①在SCR吸收電容上串聯(lián)電阻，形成一定的阻抗，抑制電磁*的傳播。但該電阻不易過大，否則會對SCR的電壓尖峰吸收和di/dt抑制造成影響。

②在旁路回路上串聯(lián)電感。該法可以有效地切斷該回路,但在功率回路上串聯(lián)電感會引起成本上升,接點增加。

③更改SCR的吸收電路,將并聯(lián)于SCR兩端的電容取消,更改為SCR兩端分別對零線并聯(lián)電容,

從而切斷該回路。

在圖3中,N點的選擇非常重要,一定要選擇對三個源都“安靜”的源進(jìn)行濾波,否則仍將引入*。

4 結(jié)束語

EMC處理需要對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)非常了解,UPS是比較復(fù)雜的系統(tǒng),其*處理比較困難,但只要掌握其規(guī)律也能較好的進(jìn)行處理。本文通過對UPS系統(tǒng)功率回路、吸收回路、濾波回路的分析,展示了部分EMC*的傳播途徑,并提出了一些解決辦法,為有效處理EMC問題提供了思路。

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　　作者簡介

王志東,廈門科華恒盛股份有限公司研發(fā)中心項目經(jīng)理,負(fù)責(zé)大功率高頻UPS的開發(fā)。

林藝成,廈門科華恒盛股份有限公司研發(fā)中心項目經(jīng)理,主要研究方向為不間斷電源技術(shù)。

鄒建忠,廈門科華恒盛股份有限公司研發(fā)中心經(jīng)理,長期從事UPS產(chǎn)品開發(fā)工作和研發(fā)管理工作。

編輯：Harris

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