艦用電源柜電磁兼容設(shè)計

蔣方圓，許 凡，任曉平

（上海船舶設(shè)備研究所，上海 200031）

0 引言

隨著電子、電氣、計算機(jī)、控制技術(shù)的迅速發(fā)展，艦船裝備的電磁環(huán)境愈來愈復(fù)雜[1]。艦用電源柜是電能轉(zhuǎn)換設(shè)備，其所處的環(huán)境伴隨著大量的電磁能量轉(zhuǎn)換。作為作戰(zhàn)使用的電源產(chǎn)品，因其特殊的使命，必需具備在復(fù)雜電磁環(huán)境下正常運(yùn)行的能力。當(dāng)今電源柜功率密度和性能正不斷提升，其電磁兼容難度也在大幅增加。抑制電磁干擾已經(jīng)發(fā)展成為一門重要的學(xué)科。電磁兼容的基本傳播方式是傳導(dǎo)耦合和輻射耦合。接地、屏蔽、濾波是抑制電磁干擾的三大技術(shù)[2]。

艦用電源柜一般需要滿足GJB 151A—2009《軍用設(shè)備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感度要求》、GJB 151B—2013《軍用設(shè)備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感度要求與測量》等規(guī)定的相關(guān)電磁兼容指標(biāo)。目前國內(nèi)已掌握電磁兼容的普遍理論，但在實(shí)際的工程項(xiàng)目中很多工程師卻運(yùn)用不佳。電源柜結(jié)構(gòu)、走線路徑、濾波元器件安裝方式等對整個電磁兼容有著顯著影響。本文提出了一種合理的電源柜結(jié)構(gòu)型式，該結(jié)構(gòu)盡可能的遵循了電磁兼容設(shè)計原則，在電磁兼容試驗(yàn)中表現(xiàn)優(yōu)異。

1 電源柜的電磁兼容設(shè)計

1.1 電源柜的整體設(shè)計

圖1為某型項(xiàng)目中充放電裝置電源柜結(jié)構(gòu)示意圖，電源柜采用模塊化設(shè)計，內(nèi)部由5個模塊組成。機(jī)柜主體材質(zhì)采用Q235鋼，Q235鋼有良好的導(dǎo)電和導(dǎo)磁能力，且價格便宜，是十分理想的外殼材料。整機(jī)風(fēng)道為前進(jìn)上出，線纜通過底部屏蔽填料函進(jìn)出，在機(jī)柜底部裝有輸入、輸出濾波器。該電源柜的重要設(shè)計思路有以下2點(diǎn)：

圖1 充放電裝置電源柜結(jié)構(gòu)示意圖

1）模塊化設(shè)計思路，將整個電源柜電路拆分成若干模塊。這些單元安裝在一個相對完整的機(jī)箱內(nèi)，內(nèi)部模塊機(jī)殼可以實(shí)現(xiàn)對每個電氣單元的一次屏蔽；機(jī)柜外殼實(shí)現(xiàn)電磁能量的二次屏蔽。

2）用一個相對完整金屬屏蔽面將機(jī)柜內(nèi)部隔離出兩個腔體，外部線纜隔離在一個單獨(dú)的腔體內(nèi)。所有外部線纜都是徑直接在濾波器上，確保未經(jīng)濾波線纜在機(jī)柜內(nèi)部長度最短。通過這樣的結(jié)構(gòu)型式，可以避免濾波器輸入、輸出線交叉耦合，最大限度的發(fā)揮濾波器效能。同時將濾波器的接口作為對外接口，可以很好的解決粗線轉(zhuǎn)彎半徑不足問題。

1.2 電源柜的接地、搭接設(shè)計

接地是將某個選定點(diǎn)與電位基礎(chǔ)面之間建立一條低阻抗的通路，搭接是在2個金屬之間建立一條低阻抗的通路，如果搭接平面中有一個是地，這種形式的搭接就是接地[3]。接地是抑制電磁干擾重要手段，合理的接地對抑制電磁干擾發(fā)揮著重要作用。接地的目的一般有如下幾點(diǎn)：

1）與大地相連，提供一個公共的零電位，抑制外界電磁場干擾，確保電路穩(wěn)定。

2）屏蔽需要接地，才能起到抑制電磁干擾目的。

3）防止靜電荷積累，起到泄荷的目的。

搭接的目的在于為電流流動安排一個電氣上連續(xù)的結(jié)構(gòu)面，以避免在相互連接金屬之間形成電位差，這種電位差會造成電磁干擾。

機(jī)柜內(nèi)部接地點(diǎn)有機(jī)柜外殼接地、模塊外殼接地、線纜屏蔽層接地、濾波器外殼接地。

機(jī)柜的搭接一般是在裝配面處。圖2為機(jī)柜門板示意圖，在門板與箱體接觸部位焊接不銹鋼，并且不銹鋼不做噴涂處理。在門板不銹鋼槽內(nèi)安裝屏蔽材料，例如鈹銅簧片。門板合理布置多個螺釘，以確保搭接的緊密性。

圖2 機(jī)柜門板示意圖

1.3 機(jī)柜的屏蔽設(shè)計

屏蔽的目的既可主動防止干擾源輻射電磁能量，也可被動防護(hù)敏感設(shè)備接受干擾源的輻射。屏蔽是利用屏蔽體減弱電磁傳輸?shù)囊环N技術(shù)。如圖3所示，為無限大金屬平面屏蔽示意圖，電磁波從左傳輸?shù)接視r，在左界面上一部分電磁波被反射回空氣，這部份衰減稱為反射損耗R；當(dāng)電磁波在金屬體內(nèi)傳輸時，一部分能量被金屬體吸收，這部分衰減稱為吸收損耗A；電磁波到達(dá)右側(cè)時，又按相同的規(guī)律從右側(cè)傳輸?shù)阶髠?cè)，電磁波在左右兩側(cè)來回反射，這就是電磁波的反射現(xiàn)象，其對電磁波的衰減稱為多次反射修正因子B。

圖3 金屬屏蔽示意圖

無限大均勻金屬體的屏蔽效能SE計算公式為

SE=R+A+B（1）

式中：SE為屏蔽效能。dB；R為反射損耗；A為反射損耗；B為反射修正因子。

1）通風(fēng)孔的屏蔽。對于熱流密度較大的一個電源柜來說，采用風(fēng)冷設(shè)計時不可避免需要在機(jī)柜外殼上開孔，這些開孔將造成電磁泄露增加。通風(fēng)孔的開孔原則是在滿足散熱面積的情況下，盡量減少孔的大小尺寸和數(shù)量，其中孔的尺寸對電磁泄露影響最為顯著。圖4為電源模塊示意圖，其通風(fēng)孔的形狀可以是圓形、矩形和六邊形等。該充放電裝置內(nèi)部模塊通風(fēng)孔形狀為對邊尺寸5 mm的六邊形；機(jī)柜外殼通風(fēng)采用孔徑3.2 mm，間距5 mm的圓孔。該充放電裝置的通風(fēng)孔在Q235鋼板上沖壓形成，這種工藝的通風(fēng)孔的屏蔽效能往往優(yōu)于截止波導(dǎo)窗。波導(dǎo)窗在邊緣裝配面上阻抗比較大，而直接沖壓所得的金屬孔完整性更高。

圖4 電源模塊

2）顯示器件的屏蔽。機(jī)柜的顯示屏選用滿足電磁兼容要求的屏幕，這類屏幕外殼材質(zhì)多數(shù)采用金屬，視窗處使用屏蔽玻璃，并且在安裝面上裝有導(dǎo)電橡膠。如圖2所示，用金屬屏蔽罩將顯示屏和指示燈隔離在一個相對密封腔體內(nèi)，進(jìn)一步降低此處的電磁泄露。

3）對外接線處的屏蔽。外部線纜穿過屏蔽填料函進(jìn)入機(jī)柜，填料函外殼接地。進(jìn)一步的可以將外部線纜隔出一個獨(dú)立的腔體，避免外部線纜與內(nèi)部元器件的耦合。

1.4 機(jī)柜的濾波設(shè)計

濾波是為了抑制傳導(dǎo)干擾，濾波器就是解決傳導(dǎo)干擾的核心器件。在實(shí)際工程中，濾波的錯誤使用造成濾波器沒有起到應(yīng)有的效果，甚至是收效甚微。安裝濾波器應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

1）濾波器外殼應(yīng)接地。

2）濾波器應(yīng)盡量安裝離電源入口近地方，避免未經(jīng)濾波的線在設(shè)備內(nèi)部耦合。

3）濾波器的輸入、輸出線盡量遠(yuǎn)離，避免交叉耦合，最好能在輸入與輸出之間加上一層屏蔽板。

圖5為充放電裝置濾波器的安裝示意圖，外部線纜進(jìn)入機(jī)柜先接在濾波器上，然后在經(jīng)過斷路器等元器件。濾波器輸入與輸出之間有一層屏蔽金屬擋板，避免濾波器輸入輸出線之間耦合。這樣的設(shè)計最大的遵循濾波器的安裝原則，定制設(shè)計的濾波器也能解決粗線轉(zhuǎn)彎半徑不足的問題。

圖5 濾波器安裝示意圖

2 試驗(yàn)與分析

圖6分別為充放電機(jī)柜CE101、CE102、RE101、RE102測試結(jié)果，圖中直線為基準(zhǔn)線，曲線為實(shí)測值。由圖6(a)可知，電源線在0.25 kHz處CE101余量最小，約為11 dBμA；由圖6(b)可知，電源線在20 kHz處CE102余量最小，約為9 dBμV；由圖6(c)可知，進(jìn)風(fēng)口處RE101在低頻段余量最小，但余量值卻較大，約為32 dBpT，可見門板上直接沖壓小孔的工藝能夠起到非常好的屏蔽效果；由圖6(d)可知，電源線在30 MHz處RE102余量最小，約為9 dBμV/m；綜上所述4項(xiàng)電磁兼容指標(biāo)均滿足要求，該四項(xiàng)指標(biāo)是相關(guān)指標(biāo)中難度最大的，其他相關(guān)指標(biāo)在測試中同樣滿足要求。

圖6 電磁兼容測試結(jié)果

3 結(jié)論

本文介紹了電磁兼容理論，根據(jù)其理論提出了一種合理的電源柜結(jié)構(gòu)型式。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果證明，該結(jié)構(gòu)布局能夠很好的解決電源柜的電磁兼容問題。提出的電源柜結(jié)構(gòu)型式對于類似產(chǎn)品設(shè)計具有一定的借鑒價值，對于解決艦用電源柜電磁兼容問題具有很好的指導(dǎo)意義。