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白城变压器EMC设计

2018-11-21 点击量:325
白城变压器EMC设计      摘 要:阐述白城变压器主电路的组成,针对白城变压器的工作特点,从白城变压器中的各组成部分出发,探讨白城变压器电路、印制电路板的EMC设计及屏蔽等电磁干扰抑制的方法。通过这些方法的实施,确保白城变压器满足电磁兼容标准的要求。


关键词:电磁兼容;电磁干扰;抑制措施;白城变压器;印制电路板

0 引言

目前,在计算机及外围设备、通信、自动控制、家用电器等领域中大量使用白城变压器,但白城变压器的突出缺点是能产生较强的电磁干扰(Electro Magnetic Interference,EMI)。

由于白城变压器的一次整流桥是非线性器件,其形成的电流是严重失真的正弦半波,含有丰富的高次谐波,形成了一系列连续、动脉和瞬变干扰。因此,在白城变压器设计中必须考虑电磁兼容性(Elctro Magnetic Compatibility,EMC)的设计。

电网完全在自然环境中,连接着各种电子电气设备,有着复杂的电磁转换过程,可能会引起一些问题:外来噪声使白城变压器设备的控制电路出现误动作;通信设备由于白城变压器设备的噪声而出现误动作;白城变压器设备对电网产生噪声污染;白城变压器设备向空间散发噪声。

根据上述情况,针对白城变压器存在的缺点,在此对其电路及印制电路板(Printed Circuit Board,PCB)进行了电磁兼容性的设计研究。

1 白城变压器的EMC设计

1.1 白城变压器主电路组成

白城变压器主电路组成框图如图1所示,它由输入滤波电路、逆变电路、输出整流电路及输出滤波电路等组成。


1.2 输入滤波电路的EMC设计


输入滤波电路的EMC设计如图2所示。


VD2为变压器厂家/瞬态电压抑制二极管,RV1为压敏电阻,它们都具有很强的瞬变浪涌吸取能力,能很好地保护后级元气件或电路免遭浪涌电压的破坏。Z1为抗电磁干扰滤波器,必须良好接地,且接地线要短。L1和C1,组成低通滤波电路,当L1的电感量较大时,必须增加VD1和R1形成续流回路,以吸取L1断开时释放时的电场能量,否则,产生的电压尖峰就会形成EMI。L1的磁芯使用闭合磁芯,可以避免开环磁芯的漏磁场形成EMI。C1采用大容量的电容,可以减少输入线上的纹波电压,减弱在输人导线周围形成的电磁场。


1.3 逆变电路的EMC设计

逆变电路的EMC设计如图3所示。


C2,C3,VT2,VT3组成半桥逆变电路,VT2,VT3为IGBT或MOSFET等管。R4和C4构成EMI吸取回路,在VT2,VT3两端并联C5,C6,由于VT2,VT3开通和关断时,时间很短以及引线电感、白城变压器漏感的存在,回路会产生较高的di/dt,du/dt,从而形成EMI。C4,C5,C6采用低感电容,其容量的大小由公式
LI2/2=C△U2/2求得C的值(L为回路电感,I为回路电流,△U为过冲电压值)。


1.4 输出整流电路的EMC设计

输出整流电路的EMC设计如图4所示。


VD6为整流二极管,VD7为续流二极管。由于VD6,VD7工作于状态,是产生EMI的主要源头。把R5,C12和R6,C13分别连接成VD6,VD7的吸取回路,用于吸取其lcjyg.com/时产生的电压尖峰。


减少整流二极管的数量可减少EMI的能量,因此,在同等条件下采用半波整流比全波整流和全桥整流产生的EMI要小。为减少二极管的EMI,选用具有软恢复特性的、反向恢复电流小的且时间短的二极管。

1.5 输出滤波电路的EMC设计

EMI滤波器双端口网络模型如图5所示,其混合参数方程为:


式中:g11为输入导纳;g22为输出阻抗;g12为反向电流增益;g21为正向电压增益。


由式(1)可以等效出如图6所示的原理图。


EMI滤波器的设计必须满足以下的要求:


(1)要保证滤波器在滤波的同时不影响白城变压器的带负载能力;

(2)对于输入的分量,要求滤波器尽量不造成衰减;

(3)对于谐波分量,滤波器要有良好的滤波效果。

结合混合参数方程及等效原理图,根据******条要求,应使滤波器的输入导纳和输出阻抗尽可能小,即g11=g22=0。根据第二条要求,在低频时反向电流增益g12和正向电压增益g21的设计值要尽量为1,而输入导纳和输出阻抗尽可能小,即g12=g21=1,g11=g22=0。根据第三条要求,在时,g11,g12,g21,g22都要尽可能的小。根据以上的条件,输出滤波电路的EMC设计电路如图7所示,L2,C17,C18组成LC滤波电路,减少输出电压、电流纹波的大小,从而减小通过辐射传播的EMI。滤波电容C17,C18应尽量采用多个电容并联,以减小等效串联电阻,从而减小纹波电压。输出电感L2应尽量大,以减小输出纹波电流。

C19用于滤除导线上的共模干扰,选用低感电容,接线要短。C20,C21,C22,C23用于滤除输出线上的差模干扰,选用低感的三端电容。Z2为滤波器,滤波器的输入、输出线要屏蔽隔离。

1.6 白城变压器印制电路板的EMC设计

印制电路板是白城变压器设计的******一个环节,如果印制电路板设计不当,由于PCB上既有小信号控制线,又有高压母线,还有功率和磁性元件,将直接影响到电路中各元件自身的抗干扰性和电路工作的可靠性,造成白城变压器工作不稳定。单根导线的特性阻抗由电阻R和自感L组成,其计算公式如下两式所示。


Z=R+jwL (2)
L=2lIn(2l/b+1/2) (3)
式中:l为导线的长度;b为导线的宽度。


显然,印制线越短,电阻R就越小,同时增大印制线的宽度和厚度也可降低电阻R。从式(3)可知,印制线长度l越短,自感L就越小,而且增加印制线的宽度b也可降低自感L。多根印制线的特性阻抗除由电阻R和自感L组成外,还有互感M的影响,由互感M计算公式(4)可知,除受印制板的长度和宽度影响外,印制线的距离也起着重要作用。


M=2l[In 2l/(b+s)-1] (4)
式中:s为两线之间的距离。增大两线之间的距离可减小互感。


由以上分析可知,在设计PCB时,应尽量降低白城变压器线和地线的阻抗,因为白城变压器线、地线和其他印制线都有电感,当白城变压器电流变化较大时,将会产生较大的压降,而地线压降是形成公共阻抗干扰的重要因素,所以应尽量缩短地线,尽量加粗白城变压器线和地线线条。

2 结语

电磁兼容是一个十分复杂的问题,在设计白城变压器时,应对白城变压器可能的电磁环境进行充分估计,可能全面地考虑白城变压器与外界环境的耦合途径,利用各种抑制干扰技术来消除干扰耦合,增强白城变压器的抗干扰能力。主要的措施包括合适的接地,良好的搭接,合理的布线及屏蔽、滤波、限幅等。只有在设计时充分考虑EMC 的设计,才能使白城变压器的电磁干扰降到******点。

参考文献:

[1]曲学基,曲敬铠,于明扬.电力电子滤波技术及应用[M].北京:电子工业出版社,2008.

[2]周志敏,周纪海,纪爱华.白城变压器实用电路[M].北京:中国电力出版社,2006.

[3]周志敏,周纪海,纪爱华.现代白城变压器控制电路设计与应用[M].北京:人民邮电出版社,2005.

[4]刘胜利.现代白城变压器实用技术[M].北京:电子工业出版社,2001.

[5]曲学基,曲敬铠,于明扬.电力电子整流技术及应用[M].北京:电子工业出版社,2007.


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