电磁干扰由电磁骚扰源、耦合途径(或称耦合通道)及敏感设备三个要素构成,前两者降低设备的电磁干扰输出量,降低本设备对其它设备的干扰,最后一项提升本设备的适应能力和电磁耐受能力。对于降低电磁骚扰源的措施已在许多书刊上进行了非常广泛的阐述,本文主要从传导耦合途径的角度对降低UPS系统的电磁干扰进行分析。
　　
　　1 UPS系统结构
　　
　　从图1可以看出,UPS系统有市电、电池、旁路、输出四个端口。一般旁路与市电连接为同一输入,充电器跨接在市电输入与电池回路之间,四个端口间相互连接,互相耦合,这就为UPS处理EMC干扰问题增加了难度。
　　
　　2 干扰源及其传播路径
　　
　　同普通的开关电源一样,UPS的干扰源也来自开关管、磁性元件等存在的较大的di/dt、du/dt回路和节点。UPS系统是一个复杂系统,存在多个干扰源,主要有整流器、逆变器、充电器、辅助电源等。另一方面,由于存在多个相互耦合的支路,使得UPS系统的EMC处理变得非常复杂。下面以某30kVAUPS为例研究其干扰传播路径(参见图2)。
　　
　　在该UPS系统中,EMC特性与器件的寄生参数、功率回路的吸收电路、EMC滤波器、接地系统的结构有很大的关系,主要的干扰传递路径有:
　　
　　①开关管→散热器→机箱
　　
　　开关管通过绝缘导热部件(常见的为硅胶布)的寄生电容将干扰信号传递到散热器,再通过散热器将干扰传递到机箱,形成共模干扰。
　　
　　②电感线圈→电感铁心→机箱
　　
　　若电感的磁芯外露,需要将磁芯接地,此时电感线圈与磁芯间的寄生电容会将干扰信号引入到
　　
　　铁心中,并进一步将干扰信号引入地线,形成共模干扰。
　　
　　③电感线圈→Cepc→电网端或输出端,电感内部的等效并联电容会降低滤波效果,将开关管的噪声引入到电网端或输出端,形成差模干扰。
　　
　　④散热器→接地寄生电感、铁心→接地寄生电感、输入输出滤波器→接地寄生电感……
　　
　　通常在设计和处理EMC问题时都将机箱视为地平面,认为只要将信号接入机箱都视为接地,事实上并不能完全忽略机箱对EMC的影响,特别是当机箱体积较大时,机箱设计不良引起的EMC问题会相当严重。机箱设计不良可等效在干扰传播回路或滤波器回路中串入了电感,这个电感会引起EMC滤波器效能降低、干扰信号由传导转换为辐射、引起滤波回路振荡等问题。
　　
　　⑤逆变滤波电容端→旁路SCR的吸收电容Csnb→电网端
　　
　　由于逆变滤波电容存在ESR,不能完全滤除噪音,这部分噪音会通过旁路SCR的吸收电容Csnb传递到输入端。更严重的是旁路SCR的吸收电容Csnb会“短路”市电输入滤波器的共模电感,导致输入滤波器性能大幅降低。
　　
　　3 处理方式及注意事项
　　
　　上述初步分析了UPS系统主要的干扰传播途径,这里针对这些传播途径一一采取措施进行抑制。
　　
　　(1)开关管→散热器→机箱回路干扰的抑制
　　
　　在该回路中有两点措施可以采用,即降低开关管→散热器、散热器→机箱两个耦合路径。前者是由开关管与散热器间的绝缘导热器件决定的,常用的绝缘导热器件是硅胶布,为了得到更低的热阻,硅胶布都用的比较薄,最低达到0.15mm。但是过小的厚度增加了开关管与散热器间的电容,增强了开关管干扰的传播,不利于EMC干扰的处理。
　　
　　在另一些应用中,为了进一步降低开关管与散热器间的热阻,在开关管与硅胶布间增加大面积铜板,再通过铜板、硅胶布将热量传递到散热器。这种办法降低了开关管与硅胶布间的热阻,却极大地增加了开关管(含铜板)与散热器间的电容,恶化了EMC特性。
　　
　　氧化铝陶瓷基板的出现解决了这一问题,它具有导热好、热阻低的特点,通常陶瓷基板的厚度在1mm左右,因而用陶瓷基板替换硅胶布,可以大大降低开关管与散热器间的电容。
　　
　　表1为TO-3P封装分别采用三种不同的方法进行对比,其中铜板+硅胶布的方案中,铜板尺寸按34×32×1.5进行对比。
　　
　　由表1看出,采用陶瓷基板可在获得高的导热性能的同时显著降低耦合电容,减少EMC干扰的传播。
　　
　　散热器与机箱通常有两种连接方式,一种是将散热器直接接机箱,如采用自冷却系统的设备;另一种是散热器悬空,不与任何机箱或电路连接。前者会直接把干扰信号耦合到机箱,形成共模干扰,后者通过散热器与机箱间的耦合电容将干扰信号耦合到机箱。对散热器悬空的系统,应尽可能的增加散热器与机箱的间距,以减少耦合电容。另一种办法是通过一高压电容将散热器与N线相连,将共模信号转化为差模信号,便于处理。
　　
　　(2)电感线圈→电感铁心→机箱回路的抑制
　　
　　对于采用外置磁芯的电感,可以通过加大线圈与铁心间距的办法减少耦合电容。也可以重新布置绕组,将电感的“静端”或噪声小的接线端布置在靠近电感磁芯的位置,以减小噪声的传播。也可采用内置磁芯的电感取代外置磁芯的电感,如用环形电感取代CD型铁心电感。
　　
　　(3)电感线圈→Cepc→电网端或输出端干扰的抑制
　　
　　有多篇论文提到,可以通过改变线圈的绕制工艺降低电感的等效并联电容。除此之外,将箔绕组替换为线绕组并合理分布绕组可以有效降低寄生电容。当电感已经确定无法改变时也可以采用一些措施减少电磁干扰的传播,如:采用好的滤波电容和合理的电容连接结构来降低干扰的传播,也可以在主电感回路中串联小的副电感,通过副电感降低干扰的传播。
　　
　　(4)接地系统引起的干扰抑制
　　
　　由于机箱设计的不合理使得接地系统不良,无法有效地滤除EMC干扰甚至引起振荡。通过优化机箱设计,使得电磁干扰的耦合点尽可能地以大面积金属的形式接入系统接地点,尽可能避免多个接地点串联接入系统地。另外,系统的接地点的选择也很重要,要选择面积较大的金属板、离EMC滤波器较近的位置作为系统接地点。要避免电磁干扰强的电缆通过大孔或长条孔。
　　
　　(5)逆变滤波电容端→旁路SCR吸收电容Csnb→电网端回路的抑制
　　
　　有几个办法可以采用:
　　
　　①在SCR吸收电容上串联电阻，形成一定的阻抗，抑制电磁干扰的传播。但该电阻不易过大，否则会对SCR的电压尖峰吸收和di/dt抑制造成影响。
　　
　　②在旁路回路上串联电感。该法可以有效地切断该回路,但在功率回路上串联电感会引起成本上升,接点增加。
　　
　　③更改SCR的吸收电路,将并联于SCR两端的电容取消,更改为SCR两端分别对零线并联电容,
　　
　　从而切断该回路。
　　
　　在图3中,N点的选择非常重要,一定要选择对三个源都“安静”的源进行滤波,否则仍将引入干扰。
　　
　　4 结束语
　　
　　EMC处理需要对系统结构非常了解,UPS是比较复杂的系统,其干扰处理比较困难,但只要掌握其规律也能较好的进行处理。本文通过对UPS系统功率回路、吸收回路、滤波回路的分析,展示了部分EMC干扰的传播途径,并提出了一些解决办法,为有效处理EMC问题提供了思路。
　　
　　参考文献
　　
　　[1]钱照明等。开关电源的EMC设计,浙江:浙江大学电气工程学院,2001.
　　
　　[2]水冰。开关电源的EMC设计,陕西:西安电子工和研究所,2011.
　　
　　[3]杨智敏、李晔。开关电源EMC设计,陕西:空军工程大学电讯工程学院基础部,2002.
　　
　　[4]GB7260.2.2009不间断电源设备(UPS)第2部分:电磁兼容性(EMC)要求,中国:全国电力电子学标准化技术委员会(SAC/TC60),2009.
　　
　　作者简介
　　
　　王志东,厦门科华恒盛股份有限公司研发中心项目经理,负责大功率高频UPS的开发。
　　
　　林艺成,厦门科华恒盛股份有限公司研发中心项目经理,主要研究方向为不间断电源技术。
　　
　　邹建忠,厦门科华恒盛股份有限公司研发中心经理,长期从事UPS产品开发工作和研发管理工作。
　　
　　编辑：Harris