某驅(qū)動(dòng)分系統(tǒng)的電磁兼容分析與整改

吳小春，徐 博，余曉梅

（1.成都新欣神風(fēng)電子科技有限公司，四川 成都 611731；2.中國(guó)電子科技集團(tuán)第三十研究所，四川 成都 610041）

0 引 言

某驅(qū)動(dòng)分系統(tǒng)在按照《軍用設(shè)備和分系統(tǒng) 電磁發(fā)射和敏感度要求與測(cè)量》（GJB151B—2013 ）進(jìn)行電磁兼容（Electromagnetic Compatibility，EMC）試驗(yàn)測(cè)試時(shí)出現(xiàn)兩個(gè)項(xiàng)目不達(dá)標(biāo)，其中一項(xiàng)為CE102（10 kHz～10 MHz電源線傳導(dǎo)發(fā)射），超標(biāo)頻段主要在100 kHz以上；另一項(xiàng)測(cè)試不達(dá)標(biāo)項(xiàng)目為RE102（2 MHz～18 GHz電場(chǎng)輻射發(fā)射）,該項(xiàng)目在2～30 MHz和30～200 MHz的頻率范圍內(nèi)均有超出極限值的頻率點(diǎn)。根據(jù)對(duì)超標(biāo)頻率點(diǎn)的定位、分析、整改和驗(yàn)證，最終該系統(tǒng)滿足相關(guān)試驗(yàn)要求，順利通過(guò)各項(xiàng)指標(biāo)。

1 系統(tǒng)組成

某驅(qū)動(dòng)分系統(tǒng)主要由濾波器、電源單元（升壓電源）、驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)等組成，其中驅(qū)動(dòng)器分為高低位驅(qū)動(dòng)器和方位驅(qū)動(dòng)器，電機(jī)對(duì)應(yīng)分為高低相電機(jī)和方位相電機(jī)，其組成如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

該系統(tǒng)輸入為兩路24 V電源，其中主路由濾波器輸入到電源單元，經(jīng)過(guò)電源單元升壓后電壓由24 VDC升壓為270 VDC后輸出，電源單元輸出供電給驅(qū)動(dòng)器內(nèi)逆變?yōu)?相交流電源，最后供電給電機(jī)。另外一組電源由試驗(yàn)臺(tái)供電給驅(qū)動(dòng)器等控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。

2 電磁兼容試驗(yàn)

系統(tǒng)進(jìn)行電磁兼容試驗(yàn)時(shí)所有設(shè)備供電，設(shè)備正常工作，電機(jī)開(kāi)始旋轉(zhuǎn)。在整個(gè)試驗(yàn)項(xiàng)目測(cè)試中包含傳導(dǎo)與輻射發(fā)射（CE102、RE102）、傳導(dǎo)與輻射干擾敏感度（CS101、CS114、CS115、CS116、RS103）。除CE102和RE102測(cè)試不合格，其余項(xiàng)目在測(cè)試過(guò)程中無(wú)任何問(wèn)題，順利通過(guò)。CE102測(cè)試結(jié)果如圖2所示，RE102測(cè)試結(jié)果如圖3、圖4所示。

圖2 CE102測(cè)試結(jié)果

圖3 RE102測(cè)試結(jié)果（2～30MHz）

圖4 RE102測(cè)試結(jié)果（30～200 MHz垂直極化）

3 系統(tǒng)EMI問(wèn)題分析

3.1 用電系統(tǒng)的EMI問(wèn)題

用電系統(tǒng)主要是指某驅(qū)動(dòng)分系統(tǒng)內(nèi)的電源單元和驅(qū)動(dòng)器單元。

電源單元中包含的DC-DC升壓模塊以及驅(qū)動(dòng)器中的逆變器和DC-DC模塊，都為開(kāi)關(guān)頻率較高的開(kāi)關(guān)電源。開(kāi)關(guān)電路產(chǎn)生的電磁干擾是開(kāi)關(guān)電源的主要干擾源，這是由于功率開(kāi)關(guān)管在線路中以很高的頻率進(jìn)行開(kāi)關(guān)操作，開(kāi)關(guān)管在開(kāi)通和關(guān)斷瞬間產(chǎn)生出很強(qiáng)的開(kāi)關(guān)噪聲，具有較大幅度的脈沖，頻帶較寬且諧波豐富[1]。另外次級(jí)整流回路里整流二極管在關(guān)斷時(shí)所產(chǎn)生的反向恢復(fù)電流也很大。

根據(jù)開(kāi)關(guān)電源的工作原理和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，開(kāi)關(guān)電源電磁干擾主要分為兩種形式，分別是傳導(dǎo)和輻射[2]。在工作時(shí)容易沿電源線形成與開(kāi)關(guān)頻率有關(guān)的傳導(dǎo)發(fā)射干擾信號(hào)，一部分頻率較高的諧波干擾會(huì)以電源線為等效天線對(duì)外輻射，使開(kāi)關(guān)電源形成輻射發(fā)射的潛在干擾源，另一部分會(huì)通過(guò)空間縫隙或耦合至其他線纜對(duì)外進(jìn)行輻射。

3.2 互連線纜的EMI問(wèn)題

線纜是構(gòu)成系統(tǒng)的重要組成部分，實(shí)現(xiàn)設(shè)備供電、設(shè)備間通信、數(shù)據(jù)傳輸?shù)雀鞣N功能。某驅(qū)動(dòng)分系統(tǒng)由電源單元、驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)構(gòu)成，線纜數(shù)量較多、種類多、傳輸信號(hào)類型比較豐富，各模塊之間通過(guò)低頻線纜連接。

線纜是系統(tǒng)電磁輻射干擾的重要來(lái)源，當(dāng)設(shè)備的主電路結(jié)構(gòu)被一屏蔽體包裹起來(lái)以后，就能十分有效地防止電路板對(duì)外的輻射干擾，這時(shí)進(jìn)出模塊殼體結(jié)構(gòu)的各類電源線和信號(hào)線就成為干擾主要的傳輸通道；同時(shí)，各種線纜還會(huì)起著天線的作用，向平臺(tái)空間輻射電磁能量，對(duì)電源線和信號(hào)線均是如此。

3.3 接地和搭接問(wèn)題

合理的接地和搭接措施是控制設(shè)備內(nèi)部電磁干擾、抑制分系統(tǒng)之間相互串?dāng)_的重要手段之一。

該驅(qū)動(dòng)分系統(tǒng)整個(gè)結(jié)構(gòu)要求是一個(gè)等位體，各個(gè)模塊需要搭接到機(jī)箱框架的主體結(jié)構(gòu)上，以保證共電位。因此，在搭接過(guò)程（設(shè)備外殼的接地過(guò)程）中，需要重點(diǎn)關(guān)注搭接條的選擇和搭接方式。

搭接條按要求采用扁平狀、高電阻率的金屬條。另外，為了避免搭接條的天線效應(yīng)，在進(jìn)行搭接的過(guò)程中，應(yīng)將搭接條就近連接到主體結(jié)構(gòu)（車體）上，減小搭接條的長(zhǎng)度。同時(shí)，搭接還應(yīng)牢固、可靠，避免松動(dòng)連接，以形成可靠的電氣連續(xù)性，可避免搭接點(diǎn)的電化學(xué)腐蝕效應(yīng)。

3.4 外殼屏蔽問(wèn)題

從系統(tǒng)組成來(lái)看，該系統(tǒng)中單個(gè)設(shè)備蓋板和機(jī)箱殼體間由于安裝螺釘間隙過(guò)大導(dǎo)致存在電磁泄漏縫隙，另部分連接器與箱體間未緊密導(dǎo)電接觸也導(dǎo)致箱體內(nèi)電磁能量向外輻射，導(dǎo)致整個(gè)設(shè)備不能通過(guò)《軍用設(shè)備和分系統(tǒng) 電磁發(fā)射和敏感度要求與測(cè)量》（GJB151B—2013）中RE102的要求。

4 電磁兼容整改措施及驗(yàn)證

根據(jù)第3節(jié)的分析，針對(duì)某驅(qū)動(dòng)分系統(tǒng)內(nèi)單體設(shè)備進(jìn)行了如下具體整改措施。

4.1 電源濾波處理

EMI濾波技術(shù)對(duì)于抑制開(kāi)關(guān)電源的干擾，特別是傳導(dǎo)干擾方面有非常明顯的效果。EMI濾波技術(shù)首先是電源的輸入端接入電源濾波器，盡可能在源頭上抑制電磁干擾，這是抑制傳導(dǎo)干擾的重要方法[3]。

4.1.1 電源濾波器的安裝和使用

用電設(shè)備以及設(shè)備連接線纜的EMI問(wèn)題絕大部分可以通過(guò)濾波方式來(lái)解決。在解決電磁兼容問(wèn)題時(shí)，對(duì)濾波器的設(shè)計(jì)和使用的要求如下：（1）濾波器與干擾源位于同一腔體內(nèi)；（2）濾波器的輸出、輸入線應(yīng)分開(kāi)，防止輸出、輸入線間的耦合，如果不能分開(kāi)，則輸出、輸入線采用屏蔽線纜，長(zhǎng)度盡量短；（3）濾波器殼體和地之間的阻抗應(yīng)盡可能保持低阻抗；（4）應(yīng)盡量減小電源濾波器和負(fù)載公共地阻抗間的耦合。

4.1.2 輸入濾波器的設(shè)計(jì)

在本系統(tǒng)整改過(guò)程中針對(duì)系統(tǒng)電源單元進(jìn)行了如下濾波處理。由于濾波器屬于外掛結(jié)構(gòu)，電源單元和驅(qū)動(dòng)器內(nèi)的電源模塊干擾較強(qiáng)，因此在屏蔽所有線纜的情況下對(duì)濾波器進(jìn)行了更改電路。驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部電源輸入端增加濾波器，電路原理如圖5所示。

圖5 驅(qū)動(dòng)器內(nèi)濾波器原理圖

4.2 互聯(lián)線纜屏蔽處理

由于設(shè)備濾波器屬于外掛部分，驅(qū)動(dòng)器內(nèi)的濾波器與連接器無(wú)法形成一體化結(jié)構(gòu)，輸入線纜由于中間連接繼電器等設(shè)備無(wú)法完全屏蔽，導(dǎo)致干擾信號(hào)通過(guò)輸入和輸出線纜對(duì)外輻射，形成一個(gè)輻射強(qiáng)度較高的干擾天線。在本次整改過(guò)程主要進(jìn)行了以下處理。

（1）選擇一種屏蔽度較高的屏蔽套，要求制作電纜的屏蔽層連續(xù)、沒(méi)有截?cái)嗲腋魈幘鶆蚓o密，從而保持屏蔽層的屏蔽阻抗分布均勻[4]。

（2）雙絞屏蔽線或者其他線纜內(nèi)部的屏蔽線與連接器尾部接地，最好360°接地，建議屏蔽層位于尾部附件以內(nèi)，避免裸線過(guò)長(zhǎng)。屏蔽層與外部屏蔽層可通過(guò)焊接或者金屬填充物填充尾部附件的孔洞，從而滿足接地要求。

（3）建議線纜屏蔽層與連接器接觸處使用的熱縮管采用屏蔽熱縮管進(jìn)行熱縮連接，采用該種方式可以保證線纜屏蔽層與連接器360°環(huán)接，形成啞鈴結(jié)構(gòu)成為箱體的屏蔽的延伸。

4.3 機(jī)箱的屏蔽處理

在實(shí)際的屏蔽中，電磁場(chǎng)屏蔽效能更大程度依賴機(jī)箱的結(jié)構(gòu)，即導(dǎo)電的連續(xù)性。機(jī)箱上的縫隙、開(kāi)口等都是電磁波的泄漏源。

為保證機(jī)箱結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電連續(xù)性，建議進(jìn)行以下處理：

（1）在結(jié)構(gòu)條件允許下，盡量保證設(shè)備的屏蔽完整性，增加安裝螺釘，減小螺釘間距，使縫隙長(zhǎng)度相應(yīng)減小；

（2）對(duì)連接器與殼體、蓋板與殼體等安裝面進(jìn)行導(dǎo)電密封處理，盡量保證設(shè)備殼體的導(dǎo)電連續(xù)性。

4.4 整改結(jié)果

經(jīng)過(guò)以上措施的處理，對(duì)CE102和RE102進(jìn)行復(fù)測(cè)，測(cè)試全部合格。測(cè)試曲線如圖6～圖8所示。

圖6 CE102測(cè)試結(jié)果

圖7 RE102測(cè)試結(jié)果（2～30 MHz）

圖8 RE102測(cè)試結(jié)果（30～200 MHz垂直極化）

5 結(jié) 論

為了通過(guò)該驅(qū)動(dòng)分系統(tǒng)的電磁兼容測(cè)試，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行摸底測(cè)試，然后針對(duì)測(cè)試中出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行定位分析，特別是對(duì)某驅(qū)動(dòng)分系統(tǒng)中濾波、屏蔽、接地等各個(gè)方面深入分析，采用對(duì)應(yīng)的相關(guān)措施，取得了明顯的效果。因此在設(shè)計(jì)過(guò)程中一定要切實(shí)考慮設(shè)備系統(tǒng)的電磁兼容性能要求，按照電磁兼容設(shè)計(jì)規(guī)范采取對(duì)應(yīng)的電磁兼容設(shè)計(jì)措施，可為后期電磁兼容試驗(yàn)節(jié)約大量的人力和物力成本，也進(jìn)一步提高了產(chǎn)品的性能。