艦船大功率整流電源電磁兼容整改分析

王俊炎，李 鵬，

艦船大功率整流電源電磁兼容整改分析

王俊炎1，李 鵬2，

（1. 海裝武漢局駐武漢地區(qū)第三軍事代表室，湖北省，武漢市，430070；2. 武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，武漢 430064）

大功率艦船整流電源滿功率工作時(shí)出現(xiàn)了非正常停機(jī)現(xiàn)象，CE102傳導(dǎo)發(fā)射及RE102輻射發(fā)射測(cè)試項(xiàng)目超標(biāo)，裝載系統(tǒng)后，會(huì)對(duì)整個(gè)電力系統(tǒng)至控制系統(tǒng)帶來(lái)多方傳導(dǎo)干擾，綜合分析發(fā)現(xiàn)，大功率整流電源內(nèi)部開(kāi)關(guān)器件開(kāi)關(guān)頻率及其倍頻的電磁干擾、柜體屏蔽性能欠佳是超標(biāo)的主要原因。通過(guò)在整流電源的輸入、輸出端進(jìn)行針對(duì)性的EMI濾波和屏蔽設(shè)計(jì)，有效解決了大功率整流電源的電磁兼容問(wèn)題。

整流電源；電磁兼容；濾波；屏蔽

0 引言

艦船大功率整流電源[1]因輸出電流大、開(kāi)關(guān)頻率高、濾波屏蔽空間小等特點(diǎn)，是艦船電力系統(tǒng)電磁兼容設(shè)計(jì)[2-3]的重點(diǎn)。受安裝部位空間狹小、布置緊湊等限制，其濾波裝置往往因設(shè)計(jì)空間限制難以有效提高插入損耗。同時(shí)海洋環(huán)境溫濕度條件惡劣，耐鹽霧霉菌要求高，對(duì)濾波裝置的環(huán)境耐受水平和可靠工作能力的綜合考核要求較高。

1 艦船大功率整流電源

大功率整流電源作為艦船電網(wǎng)的重要設(shè)備，其工作的穩(wěn)定性直接關(guān)系到艦船電力系統(tǒng)的可靠供電。

大功率整流電源線路連接框圖如圖1，整流電源輸入取自交流380 V電網(wǎng)，內(nèi)部經(jīng)過(guò)升壓整流和直流降壓變換后得到高壓直流電，向直流電網(wǎng)的負(fù)載供電，同時(shí)整流電源內(nèi)部控制模塊的供電來(lái)自AC220 V電網(wǎng)。

圖1 大功率整流電源線路連接框圖

2 大功率整流電源非正常停機(jī)問(wèn)題

大功率整流電源額定功率工作時(shí)，發(fā)現(xiàn)整流電源內(nèi)部的電壓、電流及溫度采集信號(hào)受到了干擾，電流反饋采集信號(hào)受干擾后直接達(dá)到保護(hù)閾值，引起整流電源的非正常停機(jī)，并導(dǎo)致電網(wǎng)中的用電設(shè)備失電，為定位干擾源，對(duì)整流電源的傳導(dǎo)發(fā)射項(xiàng)目電磁兼容性進(jìn)行測(cè)試。

設(shè)備工作在額定功率時(shí)，依據(jù)GJB151B-2013《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》的限值要求測(cè)試了設(shè)備交流輸入線的CE102傳導(dǎo)發(fā)射項(xiàng)目；對(duì)設(shè)備的交流輸入線、直流輸出線、輔助電源線以及設(shè)備機(jī)殼進(jìn)行RE102輻射發(fā)射項(xiàng)目的測(cè)試。

CE102傳導(dǎo)發(fā)射項(xiàng)目測(cè)試結(jié)果如圖2，在80 kHz～1.1 MHz、2.5 MHz～3 MHz、3.2 MHz～6.5MHz頻段，最大超出限值約34.79 dB。

圖2 傳導(dǎo)發(fā)射項(xiàng)目CE102測(cè)試結(jié)果

RE102輻射發(fā)射項(xiàng)目測(cè)試結(jié)果如圖3，圖3(a)～圖3(c)的對(duì)應(yīng)頻段，最大超出限值分別約為16.57dB、20.71dB、3.29dB。

圖3 輻射發(fā)射項(xiàng)目RE102測(cè)試結(jié)果

3 整流電源電磁兼容性超標(biāo)原因分析

用近場(chǎng)探頭對(duì)大功率整流電源內(nèi)部的開(kāi)關(guān)器件、電抗器、顯示面板、機(jī)柜殼體焊接處等逐個(gè)進(jìn)行電磁噪聲定位測(cè)試，發(fā)現(xiàn)內(nèi)部開(kāi)關(guān)器件處的近場(chǎng)噪聲最高，且其特征頻段與開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)關(guān)頻率及其倍頻吻合。

整流電源內(nèi)部DC/DC降壓電路的開(kāi)關(guān)器件開(kāi)通、關(guān)斷過(guò)程中，瞬時(shí)電壓、電流變化急劇，電壓變化率dv/dt、電流變化率di/dt大，會(huì)產(chǎn)生開(kāi)關(guān)頻率（50kHz）及其倍頻頻段的電磁干擾[2-3]，常是引起CE102傳導(dǎo)發(fā)射項(xiàng)目超標(biāo)的主要原因；其次，電磁干擾會(huì)沿著整流電源內(nèi)部的銅排或線纜傳導(dǎo)，進(jìn)而產(chǎn)生輻射發(fā)射，導(dǎo)致RE102輻射發(fā)射項(xiàng)目超標(biāo)。因此，應(yīng)針對(duì)整流電源內(nèi)部的干擾源，先解決設(shè)備外部互聯(lián)線纜的傳導(dǎo)干擾問(wèn)題，再?gòu)脑O(shè)備柜體屏蔽角度出發(fā)，解決輻射超標(biāo)問(wèn)題。

采用電流探頭和頻譜分析儀，首先區(qū)分整流電源交流輸入側(cè)電磁干擾的類型（差?；蚬材８蓴_），再根據(jù)差模、共模干擾的特征頻段，針對(duì)性的設(shè)計(jì)EMI濾波器，保證CE102傳導(dǎo)發(fā)射項(xiàng)目通過(guò)測(cè)試并留有較大裕量；另外，由于整流電源內(nèi)部開(kāi)關(guān)器件產(chǎn)生的電磁干擾也會(huì)通過(guò)開(kāi)關(guān)器件的輸出側(cè)向外傳導(dǎo)，進(jìn)而產(chǎn)生輻射發(fā)射，整流電源的輸出側(cè)同樣需要設(shè)計(jì)EMI濾波器進(jìn)行濾波處理，截?cái)嚯姶鸥蓴_的傳輸路徑；最后，應(yīng)結(jié)合RE102項(xiàng)目的測(cè)試結(jié)果，通過(guò)探針排查設(shè)備柜體焊接及開(kāi)孔處的泄漏點(diǎn)，對(duì)柜體內(nèi)外的屏蔽層進(jìn)行針對(duì)性加固。

4 整流電源的電磁兼容整改

整流電源輸入側(cè)布置低頻干擾抑制能力較強(qiáng)的EMI濾波器[4]，設(shè)計(jì)濾波電路時(shí)，多次改變焊接點(diǎn)和焊接工藝，變換了濾波級(jí)數(shù)和模式，并結(jié)合CE102項(xiàng)目的測(cè)試結(jié)果，針對(duì)性的選用特殊材質(zhì)的鐵基非晶和錳鋅以及鐵粉芯材質(zhì)的磁性材料，圖4為反復(fù)測(cè)試整改后的輸入側(cè)濾波電路拓?fù)洹?/p>

圖4 整流電源輸入側(cè)濾波電路拓?fù)?/p>

整流電源輸入側(cè)采用了四級(jí)濾波電路，用以增大EMI濾波器的低頻插入損耗，濾波電感參數(shù)見(jiàn)表1。濾波電路中共模電感L3的磁芯采用鐵基非晶材料，其非晶態(tài)（納米晶）磁芯具有高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度、高磁導(dǎo)率、高電感量、溫度特性穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，其最佳干擾抑制頻段在100 kHz以下，對(duì)整流電源交流輸入側(cè)的CE102項(xiàng)目的低頻干擾具有良好的抑制作用。

共模電感L4的磁芯采用錳鋅材料，錳鋅磁芯具有高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度、高磁導(dǎo)率、頻率特性優(yōu)良等特點(diǎn)，其最佳干擾抑制頻段在50～500 kHz之間。

差模電感L5的磁芯采用鐵粉芯材料，鐵粉芯的磁導(dǎo)率低，但飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度高，其最佳干擾抑制頻段在10～100 kHz之間，與差模電容Cx4相結(jié)合，可有效抑制低頻的差模干擾。

對(duì)于500 kHz以上超標(biāo)頻段，電磁干擾的主要特征為共模干擾，濾波電路中共模電容Cy3可將高頻干擾導(dǎo)入濾波器殼體，由于整流電源存在漏電流的考核要求，濾波電路中共模電容的容值不能超過(guò)10 nF。

整流電源的輸出端口和輔助電源端口同樣加裝EMI濾波器，整流電源輸出端的濾波電路主要用于降低沿設(shè)備輸出線纜的傳導(dǎo)干擾，進(jìn)而降低設(shè)備整體的輻射發(fā)射水平，其濾除的干擾頻段相對(duì)較高（2 MHz以上），濾波電路的拓?fù)湎鄬?duì)簡(jiǎn)單，如圖5，其內(nèi)部共模電感Lc的磁芯采用錳鋅材料。

圖5 輸出濾波電路原理圖

由于整流電源內(nèi)部空間有限，且輸入輸出側(cè)銅排的走線較為緊湊。為在有限空間內(nèi)達(dá)到最佳濾波效果，將整流電源輸入側(cè)、輸出側(cè)和輔助電源三處的濾波電路集成化設(shè)計(jì)，形成組合式EMI濾波器，其三維模型如圖6。

組合式濾波器左、右側(cè)分別布置了輸出、輸入濾波電路，采用腔體式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，輸入、輸出濾波電路布置在不同的腔體中，走線完全隔離，防止輸入側(cè)和輸出側(cè)的電磁干擾通過(guò)線路相互耦合。

RE102測(cè)試項(xiàng)目的改進(jìn)，可從整流電源柜體的結(jié)構(gòu)工藝入手，去除柜體不同搭接面的絕緣層，減小柜體結(jié)構(gòu)件之間、連接器與柜體之間的搭接阻抗，搭接面處安裝防鹽霧的導(dǎo)磁金屬絲網(wǎng)襯墊，填充整流電源機(jī)殼變形產(chǎn)生的縫隙，降低電源殼體的電磁泄露。

整流電源整改后的CE102和RE102項(xiàng)目測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖7、圖8，測(cè)試結(jié)果滿足GJB151B-2013的限值[5]要求。整改后的整流電源額定功率運(yùn)行時(shí)，其內(nèi)部電壓、電流及溫度采集信號(hào)均正常，可長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。

圖7 整改后的CE102項(xiàng)目測(cè)試結(jié)果

圖8 整改后的RE102項(xiàng)目測(cè)試結(jié)果

5 結(jié)語(yǔ)

艦船大功率整流電源的電磁干擾主要是整流電源開(kāi)關(guān)頻率及其高次諧波干擾，且干擾量級(jí)比較大。應(yīng)選用合適的磁性材料電感，有針對(duì)性的設(shè)計(jì)低頻干擾抑制能力較強(qiáng)的組合式EMI濾波器，就近安裝于整流電源的輸入及輸出端口，并保證濾波器良好接地，充分發(fā)揮其共模抑制性能。同時(shí)結(jié)合平臺(tái)內(nèi)部復(fù)雜的電磁環(huán)境，加強(qiáng)設(shè)備柜體的屏蔽設(shè)計(jì)，采用組合導(dǎo)電襯墊，提升設(shè)備柜體搭接面處的導(dǎo)電連續(xù)性，提高設(shè)備整體的電磁屏蔽性能。

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[2] 江思敏. PCB和電磁兼容設(shè)計(jì)：第2版[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2008.

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Analysis of EMC Rectification for High Power Rectifier of Marine

Wang Junyan1, Li Peng2

(1. The Third Military Representative Office of Wuhan Bureau of Naval Armament Department of PLAN, Wuhan 430070, 2. Wuhan Second Shipbuilding Design Institute, Wuhan 430064, China)

TM461

A

1003-4862（2023）08-0042-04

2023-04-11

王俊炎（1984.12），男，工程師，研究方向：艦船電氣工程。E-mail:5707203@qq.com