开关电源电磁干扰的分析

摘要：针对开关电源工作的不稳定性，分析开关电源产生电磁干扰（ＥＭＩ）的机理，并用天线测试了开关

电源ＥＭＩ的时域、

频域波形，说明在大功率开关电源中除了有谐波的传导干扰外，还存在电磁的辐射干扰，因此即使根据负载和工艺要求设计一套可行的驱动和控制电路、ＰＣＢ电路板，ＥＭＩ依然存在。在开关电源研发过程中一定要防止电磁干扰。

关键词：ＥＭＩ；开关电源；时－频特性

中图分类号：ＴＮ９３４．７；ＴＧ４０９文献标识码：Ａ

文章编号：１００１－２３０３（２００８）０６－

００６８－０３

第

３８卷第６期２００８年６月

Ｖｏｌ．３８Ｎｏ．６Ｊｕｎ．２００８

ＥｌｅｃｔｒｉｃＷｅｌｄｉｎｇＭａｃｈｉｎｅ

曹太强，许建平，徐顺刚

（西南交通大学电气工程学院，四川成都６１００３１）

ＳｔｕｄｙｏｎｔｈｅＥＭＩｏｆｓｗｉｔｈｉｎｇｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙ

ＣＡＯＴａｉ－ｑｉａｎｇ，ＸＵＪｉａｎ－ｐｉｎｇ，ＸＵＳｈｕｎ－ｇａｎｇ

（ＳｃｈｏｏｌｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＳｏｕｔｈｗｅｓｔＪｉａｏｔｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ６１００３１，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆＥｌｅｃｔｒｏＭａｇｎｅｔｉｃＩｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ（ＥＭＩ）ｐｒｏｄｕｃｅｄｂｙｓｗｉｔｃｈｉｎｇｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙｗａｓａｎａｌｙｚｅｄａｒｃｃｏｒｄｉｎｇ

ｔｏｔｈｅｕｎｓｔａｂｉｌｉｔｙｏｆｓｗｉｔｃｈｉｎｇｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙ，ｔｈｅｎｔｈｅｗａｖｅｏｆｔｉｍｅｆｉｅｌｄａｎｄｆｒｅｑｕｅｎｃｅｆｉｅｌｄｏｆＥＭＩｏｆｓｗｉｔｃｈｉｎｇｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙｗａｓｔｅｓｔｅｄｂｙａｎｔｅｎｎａ，ｗｈｉｃｈｓｈｏｗｓｔｈｅＥＭＩｓｔｉｌｌｅｘｉｓｔｓｂｅｓｉｄｅｓｔｈｅｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎＩｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅＨａｒｍｏｎｉｃｉｎｔｈｅｈｉｇｈｐｏｗｅｒｓｗｉｔｃｈｉｎｇｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙ．ＴｈｅｒｅｆｏｒｅｔｈｅｄｅｖｉｃｅｓｃａｎｂｅｓｔａｂｌｅａｎｄｒｅｌｉａｂｌｅｂｙｐｒｅｖｅｎｔｉｎｇＥＭＩｏｆｈｉｇｈ－ｐｏｗｅｒｓｗｉｔｃｈｉｎｇｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ａｌｔｈｏｕｇｈａｓｅｔｏｆｐｒａｃｔｉｃａｌｄｒｉｖｅｒ，ｃｏｎｔｒｏｌｃｉｒｃｕｉｔ，ＰＣＢｃｉｒｃｕｉｔｂｏａｒｄｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄ，ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｌｏａｄａｎｄｔｅｃｈｎｉｃｓｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ．ＳｏｔｈｅＥｌｅｃｔｒｏＭａｇｎｅｔｉｃＩｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅｍｕｓｔｂｅａｖｏｉｄｅｄｗｈｅｎｄｅｓｉｇｎｉｎｇｓｗｉｔｃｈｉｎｇｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＥＭＩ；ｓｗｉｔｃｈｉｎｇｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙ；ｔｉｍｅ－ｆｒｅｑｕｅｎｃｙｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ

收稿日期：２００７－０７－２０；修回日期：２００８－０３－２２

基金项目：国家自然科学基金资助项目（５０６７７０５６）

作者简介：曹太强（１９６９—），男，四川富顺人，博士，主要从事

大功率开关变换器及光伏发电、电力电子与电力传动的研究工作。

０前言

电磁兼容随着以电力电子技术为基础的开关

电源装置的快速发展和应用范围不断扩大，越来越受到人们的重视。在对干扰问题进行研究的过程中，人们从理论上认识了电磁干扰产生的原因，明确了干扰的性质及其数学物理模型，逐渐完善了干扰传输及耦合的计算方法，提出了抑制干扰的一系列技术措施，建立了电磁兼容的各种组织和电磁兼容系列标准与规范，解决了电磁兼容分析、预测设计及测量等方面一系列理论问题和技术问题，逐渐在电力电子学中形成一个新的分支。在此通过试验测试和理论分析，深刻认识电磁干扰在开关电源中的存在及其带来的危害。

１ＥＭＩ的理论分析［１－３］

目前，我国的电磁兼容性研究大多停留在某一

实际干扰问题的防护研究水平。随着电力电子技术在开关电源中的快速发展，开关电源的应用在提高系统可靠性和效率方面显得尤为重要，一方面开关电源朝着高频、高速、高灵敏度、高可靠性、多功能、小型化的方向发展；另一方面，随着电力电子装置功率容量和功率密度不断增大，开关电源的稳定性和可靠性一直困扰着电力电子的发展，因为开关电源的电压、电流在输送过程中，不仅有传导的谐波存在，而且电磁干扰（ＥＭＩ）严重影响开关电源的正常运行。由于ｄｕ／ｄｔ、ｄｉ／ｄｔ以及电路中的寄生电感和电容，使得开关电源的电磁干扰噪声很难与其他敏感电子设备电磁兼容。对开关电源产生的ＥＭＩ采取的抑制措施，应从两个方面考虑：一是减小干扰源的干扰强度；二是切断干扰传播途径。比如在智能电焊机、光伏发电、变频器、伺服控制系统中一定存在

开关电源电磁干扰的分析

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在开关电源中以ＰＷＭ为基础的控制模式，其输出电压是高频的ＰＷＭ脉冲电压，脉冲宽度由每个开关周期输出电压的幅值决定，脉冲由高频开关管产生。由于开关管的门极Ｇ与发射极Ｅ、集电极Ｃ之间总有一定的寄生电容，使得开关管产生的波形有一定的上升和下降时间，这些快速上升和下降的脉冲信号由高速半导体开关器件产生，如ＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴ等，可以大大加快逆变器的动态响应过程。但是，这些半导体开关产生的高频脉冲信号具有很大的ｄｕ／ｄｔ、ｄｉ／ｄｔ，由于驱动电路和控制电路中也存在电感和电容器件，开关器件自身以及其他器件和布线存在杂散电感和电容，ｄｕ／ｄｔ会通过电容产生一个脉冲电流，而ｄｉ／ｄｔ则通过电感的作用产生一个脉冲电压。同时，有很大ｄｉ／ｄｔ的电流环路也是一个辐射源并对空间辐射电磁场，这样在开关电源中就形成很强的电磁干扰。

电磁干扰的过程首先是要有干扰源，其次要有敏感的干扰设备，同时在干扰源和干扰设备之间要有耦合途径及传播方式。

（１）干扰源发出不同频率的电磁干扰能量，其干扰信号可能是周期的，也可能是非周期的。因此研究ＥＭＩ首先是要分析干扰信号的空间、时间、频率等的分布。该分布的功率密度为

ρ＝Ｆ（ｔ，ｆ，Φ，ｒ），（１）式中ｔ、ｆ、Φ、ｒ分别为时间、频率、方位、距离。

（２）敏感设备是受干扰的设备。设备的抗干扰设计能力用电磁敏感度表示。在电器产品（特别是开关电源）设计时，不同的设计方案，其设备的抗干扰能力是不同的。

（３）耦合途径及传播方式是通过电磁场耦合。无论哪种性质的电磁场，都可以通过电力线或磁力线接触或穿入被干扰设备的表面或内部。要消除干扰一定要判别电磁干扰的模式。干扰模式一般有共模干扰和差模干扰：共模干扰是指出现在每个导体与参考点（地或机壳）之间的电压和电流，它在线路上产生同相位电流。共模干扰大多来自雷电、大功率辐射，并通过空间电、磁场的耦合；差模干扰是指在一组规定的导体系统中任意两点之间的电压，它在线路上产生反相位的电流［４］。

１．１干扰信号的时－频特性及转换

电磁干扰信号除了极少数为恒定外，绝大部分的干扰都是时变的，它们可以是正弦的、非正弦的、周期的、非周期的、甚至是脉冲波形的。但是无论从耦合途径的分析还是进一步采取干扰措施，对时变的干扰信号采用频域方法分析是十分方便的。在对敏感设备进行屏蔽和滤波时一定要对干扰源产生信号所含的频率成分进行理论分析。

１．２干扰源周期信号的傅立叶变换

假设干扰源产生的信号为周期信号的干扰源，即

ｆ（ｔ）＝ｆ（ｔ＋ｎｔ），（２）其傅立叶分解为

ｆ（ｔ）＝Ｆ０＋

∞

ｍ＝１

!［ａｍｃｏｓ２πｍｔ

Ｔ

＋ｂｍｓｉｎ２πｍｔ

Ｔ

］＝

Ｆ０＋

∞

ｍ＝１

!Ｆｍｃｏｓ（２πｍｔ

Ｔ

＋φｍ］，（３）从而知道每个频率的分量。

非周期性干扰信号的频谱分析对非周期信号ｆ（ｔ）傅立叶变换为

Ｆ（ω）＝

＋∞

－∞

"ｆ（ｔ）ｅ－ｊωｔｄｔ，（４）当周期Ｔ→∞时，式（４）中的频率间隔Δω成为无穷小量ｄω，变量ｎω由离散量变为连续量ω，求和变为积分，因此非周期脉冲的谱线变为连续谱。

２ＥＭＩ的测试波形

设计了一个天线接收ＥＭＩ电路，并对小功率驱动和控制板进行测试，如图１所示。

从图１可以看出电路板是开关电源板，示波器下方是提供给开关电源板的电源。开关电源产生的电磁干扰经天线通过信号处理输入到示波器。

开关管触发端的ＰＷＭ测试波形如图２所示。这是在脉宽不变、频率恒定的情况下触发的，如果在脉宽时变，频率同时也按照设计要求在不断改变的情况下，其开关管产生的电磁干扰会更严重。

研究与设计曹太强等：开关电源电磁干扰的分析第６期

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ＥｌｅｃｔｒｉｃＷｅｌｄｉｎｇＭａｃｈｉｎｅ

ＥｌｅｃｔｒｉｃＷｅｌｄｉｎｇＭａｃｈｉｎｅ

从开关管电源ＥＭＩ的时域测试波形（见图３）可以看出，电磁干扰是存在的，并且很严重。

图４是图３对应的频谱测试图，开关电源中自身会产生电磁

干扰，不仅影响其他元器件正常工作状态，而且也会影响自身开关管的正常触发，导致系统误工作。如果在大功率开关电源中，ＥＭＩ会更加严重。

图３

开关管的时域波形

３开关电源ＥＭＩ的抑制方法

消除开关电源对环境的电磁污染，一般采用软

开关的ＰＷＭ调节方式，即在输入端增加功率因数校正器，但是其主要缺点是由于增加了一级校正器，因而控制复杂、成本高、效率低。因此，出现了所谓单级功率因数校正和变换装置，采用一级变换器同时完成功率因数校正和输出电压的调节。目前，这仅在输入电源为单相的变换器中实现，而且不是软开关，仍存在ＥＭＩ。对于污染问题更严重的输入

电源为三相三线的较大功率的变换器，则要复杂得多，同时，三相大功率的电磁污染治理问题也成为国际研究的热点之一。也有文献报道通过试验证明，采用软开关及其他控制技术不能降低ＥＭＩ的干扰。

抑制ＥＭＩ首先要对其建模，但是辐射ＥＭＩ与传

导ＥＭＩ的建模相比，辐射ＥＭＩ建模更为复杂，涉及因素更多。而且，辐射ＥＭＩ的建模必须以传导ＥＭＩ精确仿真为基础。因此，开关电源辐射ＥＭＩ精确建模迄今为止仍然是不可能的，这方面的研究也是最欠缺的。现在在大功率开关电源中除了首先做好接地、屏蔽外，还在电路中增加滤波器（差模、共模）。根据不同的开关电源工作状况进行建模，然后抑制，比如根据测试的ＥＭＩ干扰程度计算出差模、共模方案参数的计算确定，最终设计出ＥＭＩ滤波装置。

４结论

通过以上对开关电源的理论分析和测试，在开

关电源中电磁干扰是非常严重的，提出了现阶段抑制ＥＭＩ的一些方法。

随着电力电子技术的飞速发展，大功率开关电源在工控产品中应用越来越多，特别是在电焊机、变频器、光伏发电等，因此对ＥＭＩ的

研究和治理是当务之急。

参考文献：

［１］ＧｅｏｒｇｅＪＷ．电力系统谐波——基本原理、

分析方法和滤波器设计［Ｍ］．徐政，译．北京：机械工业出版社，２００３．

［２］凡木文．新型无污染大功率开关电源［Ｄ］．成都：四川大学电力学院，２００３．

［３］钱照明，程肇基．电磁兼容设计基础及干扰抑制技术［Ｍ］．

江苏：浙江大学出版社，２０００．

［４］周佩白，鲁君伟．电磁兼容问题的计算机模拟与仿真技

术［Ｍ］．北京：中国电力出版社，２００６．

图１开关电源ＥＭＩ的测试试验

图２

开关电源ＰＷＭ触发波形

图４开关电源频域测试波形

研究与设计

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