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1、第28卷第5期2010年5月水电能源科学Vol.28No.5WaterResourcesandPowerMay.2010文章编号:100027709(2010)0520153203开关电源的射频传导发射分析及预测阎毓杰樊友文杨华荣(武汉第二船舶设计研究所,湖北武汉430064)摘要:针对工程中电网的射频传导干扰现象,研究了开关类设备的射频传导发射及其干扰抑制,分析了开关电源的射频传导干扰成因,并建立了射频传导发射数学模型以计算流回到电源线上的射频传导干扰。在此基础上,通过使用软件适当设计滤波器以仿真射
2、频传导干扰的抑制效果,实现了对开关电源射频传导发射及其干扰影响的数值预测。关键词:开关电源;电磁兼容;传导干扰;射频传导发射;预测中图分类号:TN86文献标志码:A开关电源(SMPS)[1～3]的设计是一个系统工程,不仅需考虑电源自身的参数设计,还需考虑其电磁兼容性能,尤其要防止谐波及开关频率的电流经传导方式进入配电系统中对电网上的其他电气电子设备造成严重干扰。因此,对开关电源的传导发射及其干扰影响实施定量的预测分析在系统级电磁兼容工程中发挥着极其重要的作用。由于开关电源干扰形成机理的复杂性,在工程电
3、磁兼容设计中对干扰的定性分析往往依赖于设计人员的经验或测试数据;而对干扰源、干扰耦合通道及干扰影响的定量描述主要通过试验测量或构建简单电路模型的方式来分析和推算传导发射[4],因而难以实现精确的数值分析。开关电源的电磁干扰主要来自于其整流部分的低频传导发射及转换部分的射频传导发射。文献[5]对开关电源的低频传导发射及其谐波畸变影响作了探讨。目前,在开关电源的射频传导发射及其干扰影响方面的研究并不多见,尤其是对射频传导发射的定量分析及干扰影响的数值预测一直还是该领域内的研究难点,开展该方面的研究对于寻求
4、开关电源的射频传导干扰的抑制措施、增强开关类设备的电磁兼容性能、改善电网供电品质将起到至关重要的作用。鉴此,本文针对工程中电网上出现的射频传导干扰,分析了开关电源的射频传导干扰成因,建立了射频传导发射数学模型以计算流回到电源线上的射频传导干扰,借助软件工具通过适当设计滤波器以仿真射频传导干扰的抑制效果,从而实现对开关电源射频传导发射及其干扰影响的数值预测。本文预测结果可作为系统级工程电磁兼容的设计依据。开关电源的射频传导干扰成因开关电源的电路结构组成原理框图见图1。由图可看出,开关电源的工作流程为:①
5、交流电源输入后经第一次整流滤波成为直流电压,作为DC/DC变换电路的输入。②通过高频脉冲宽度调制(PWM)信号控制开关管,将直流加到高频变压器的初级上,在次级上感应出高频电压,再经过第二次整流滤波得到输出直流电压,以供给负载使用。③与此同时,输出部分通过取样比较电路经放大反馈给控制电路,控制PWM占空比,以达到稳定输出的目的[6]。图1开关电源的组成框图Fig.1FrameworkofSMPS从电磁兼容角度分析,上述工作流程中所产生的传导发射将会对电网供电品质造成一定程度的影响。这些传导发射主要分布于
6、赫兹到千赫兹(低频传导发射)和千赫兹到兆赫兹(射频传导发射)两个频段范围。其中,前者通常与开关电源的一次整流电路相关,后者与开关电源DC2DC变换电路中使用的实际开关频率有关,且后者引起的收稿日期:2009212228,修回日期:2010201227作者简介:阎毓杰(19792),男,高级工程师,研究方向为电磁兼容设计,E2mail:yanyujiecn@163.com的途径和机理如下:①在开关电源的工作电路中,开关管电路部分实际上构成了一个高频电流的环路,开关管通断所产生的梯形波电流流经该环路而形成
7、高频谐波震荡。如果整流回路的滤波不足,该开关频率的高频谐波电流将以差模方式传播到开关电源所在的交流电网中去。②由于在二次整流电路中,处在高频通断状态的整流二极管也将与高频变压器及二次滤波电容一起形成一个射频开关电流环路,其射频电流会叠加到输出直流电压上,从而影响开关电源供电负载的正常工作。弦波脉冲(正弦衰减震荡)(图4)模拟:f(t)=e-αtsinbt(3)式中,α为衰减指数;b=2πf0,f0为正弦波频率。图4指数衰减的正弦波脉冲(T=50μs)Fig.4Sinepulseofexponentia
8、lattenuation(T=50μs)傅里叶系数可由f(t)在整个周期内积分求得:T1(t)e-j2ntfdtT∫0fπ(4)Cn=积分得到的归一化系数为:开关电源射频传导发射建模Zt-Zt1-1e1-e-11(5)Cn=2jTZ2Z1为对射频传导发射进行建模,可将开关电源DC2DC变换的非线性负载(包括平滑滤波器和开关电路)用一电流源代替,该电流源的阻抗实际上是由输出功率计算出的电阻值,即:其中Z1=α-j(b-2nπf0);Z2=α+j(b+2nπ
