電磁*由電磁騷擾源、耦合途徑(或稱耦合通道)及敏感設備三個要素構成,前兩者降低設備的電磁*輸出量,降低本設備對其它設備的*,最后一項提升本設備的適應能力和電磁耐受能力。對于降低電磁騷擾源的措施已在許多書刊上進行了非常廣泛的闡述,本文主要從傳導耦合途徑的角度對降低UPS系統的電磁*進行分析。

1 UPS系統結構

從圖1可以看出,UPS系統有市電、電池、旁路、輸出四個端口。一般旁路與市電連接為同一輸入,充電器跨接在市電輸入與電池回路之間,四個端口間相互連接,互相耦合,這就為UPS處理EMC*問題增加了難度。

2 *源及其傳播路徑

同普通的開關電源一樣,UPS的*源也來自開關管、磁性元件等存在的較大的di/dt、du/dt回路和節點。UPS系統是一個復雜系統,存在多個*源,主要有整流器、逆變器、充電器、輔助電源等。另一方面,由于存在多個相互耦合的支路,使得UPS系統的EMC處理變得非常復雜。下面以某30kVAUPS為例研究其*傳播路徑(參見圖2)。

在該UPS系統中,EMC特性與器件的寄生參數、功率回路的吸收電路、EMC濾波器、接地系統的結構有很大的關系,主要的*傳遞路徑有:

①開關管→散熱器→機箱

開關管通過絕緣導熱部件(常見的為硅膠布)的寄生電容將*信號傳遞到散熱器,再通過散熱器將*傳遞到機箱,形成共模*。

②電感線圈→電感鐵心→機箱

若電感的磁芯外露,需要將磁芯接地,此時電感線圈與磁芯間的寄生電容會將*信號引入到

鐵心中,并進一步將*信號引入地線,形成共模*。

③電感線圈→Cepc→電網端或輸出端,電感內部的等效并聯電容會降低濾波效果,將開關管的噪聲引入到電網端或輸出端,形成差模*。

④散熱器→接地寄生電感、鐵心→接地寄生電感、輸入輸出濾波器→接地寄生電感……

通常在設計和處理EMC問題時都將機箱視為地平面,認為只要將信號接入機箱都視為接地,事實上并不能完全忽略機箱對EMC的影響,特別是當機箱體積較大時,機箱設計不良引起的EMC問題會相當嚴重。機箱設計不良可等效在*傳播回路或濾波器回路中串入了電感,這個電感會引起EMC濾波器效能降低、*信號由傳導轉換為輻射、引起濾波回路振蕩等問題。

⑤逆變濾波電容端→旁路SCR的吸收電容Csnb→電網端

由于逆變濾波電容存在ESR,不能完全濾除噪音,這部分噪音會通過旁路SCR的吸收電容Csnb傳遞到輸入端。更嚴重的是旁路SCR的吸收電容Csnb會“短路”市電輸入濾波器的共模電感,導致輸入濾波器性能大幅降低。

3 處理方式及注意事項

上述初步分析了UPS系統主要的*傳播途徑,這里針對這些傳播途徑一一采取措施進行抑制。

(1)開關管→散熱器→機箱回路*的抑制

在該回路中有兩點措施可以采用,即降低開關管→散熱器、散熱器→機箱兩個耦合路徑。前者是由開關管與散熱器間的絕緣導熱器件決定的,常用的絕緣導熱器件是硅膠布,為了得到更低的熱阻,硅膠布都用的比較薄,最低達到0.15mm。但是過小的厚度增加了開關管與散熱器間的電容,增強了開關管*的傳播,不利于EMC*的處理。

在另一些應用中,為了進一步降低開關管與散熱器間的熱阻,在開關管與硅膠布間增加大面積銅板,再通過銅板、硅膠布將熱量傳遞到散熱器。這種辦法降低了開關管與硅膠布間的熱阻,卻極大地增加了開關管(含銅板)與散熱器間的電容,惡化了EMC特性。

氧化鋁陶瓷基板的出現解決了這一問題,它具有導熱好、熱阻低的特點,通常陶瓷基板的厚度在1mm左右,因而用陶瓷基板替換硅膠布,可以大大降低開關管與散熱器間的電容。

表1為TO-3P封裝分別采用三種不同的方法進行對比,其中銅板+硅膠布的方案中,銅板尺寸按34×32×1.5進行對比。

由表1看出,采用陶瓷基板可在獲得高的導熱性能的同時顯著降低耦合電容,減少EMC*的傳播。

散熱器與機箱通常有兩種連接方式,一種是將散熱器直接接機箱,如采用自冷卻系統的設備;另一種是散熱器懸空,不與任何機箱或電路連接。前者會直接把*信號耦合到機箱,形成共模*,后者通過散熱器與機箱間的耦合電容將*信號耦合到機箱。對散熱器懸空的系統,應盡可能的增加散熱器與機箱的間距,以減少耦合電容。另一種辦法是通過一高壓電容將散熱器與N線相連,將共模信號轉化為差模信號,便于處理。

(2)電感線圈→電感鐵心→機箱回路的抑制

對于采用外置磁芯的電感,可以通過加大線圈與鐵心間距的辦法減少耦合電容。也可以重新布置繞組,將電感的“靜端”或噪聲小的接線端布置在靠近電感磁芯的位置,以減小噪聲的傳播。也可采用內置磁芯的電感取代外置磁芯的電感,如用環形電感取代CD型鐵心電感。

(3)電感線圈→Cepc→電網端或輸出端*的抑制

有多篇論文提到,可以通過改變線圈的繞制工藝降低電感的等效并聯電容。除此之外,將箔繞組替換為線繞組并合理分布繞組可以有效降低寄生電容。當電感已經確定無法改變時也可以采用一些措施減少電磁*的傳播,如:采用好的濾波電容和合理的電容連接結構來降低*的傳播,也可以在主電感回路中串聯小的副電感,通過副電感降低*的傳播。

(4)接地系統引起的*抑制

由于機箱設計的不合理使得接地系統不良,無法有效地濾除EMC*甚至引起振蕩。通過優化機箱設計,使得電磁*的耦合點盡可能地以大面積金屬的形式接入系統接地點,盡可能避免多個接地點串聯接入系統地。另外,系統的接地點的選擇也很重要,要選擇面積較大的金屬板、離EMC濾波器較近的位置作為系統接地點。要避免電磁*強的電纜通過大孔或長條孔。

(5)逆變濾波電容端→旁路SCR吸收電容Csnb→電網端回路的抑制

有幾個辦法可以采用:

①在SCR吸收電容上串聯電阻，形成一定的阻抗，抑制電磁*的傳播。但該電阻不易過大，否則會對SCR的電壓尖峰吸收和di/dt抑制造成影響。

②在旁路回路上串聯電感。該法可以有效地切斷該回路,但在功率回路上串聯電感會引起成本上升,接點增加。

③更改SCR的吸收電路,將并聯于SCR兩端的電容取消,更改為SCR兩端分別對零線并聯電容,

從而切斷該回路。

在圖3中,N點的選擇非常重要,一定要選擇對三個源都“安靜”的源進行濾波,否則仍將引入*。

4 結束語

EMC處理需要對系統結構非常了解,UPS是比較復雜的系統,其*處理比較困難,但只要掌握其規律也能較好的進行處理。本文通過對UPS系統功率回路、吸收回路、濾波回路的分析,展示了部分EMC*的傳播途徑,并提出了一些解決辦法,為有效處理EMC問題提供了思路。

參考文獻

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[4]GB7260.2.2009不間斷電源設備(UPS)第2部分:電磁兼容性(EMC)要求,中國:全國電力電子學標準化技術委員會(SAC/TC60),2009.

　　作者簡介

王志東,廈門科華恒盛股份有限公司研發中心項目經理,負責大功率高頻UPS的開發。

林藝成,廈門科華恒盛股份有限公司研發中心項目經理,主要研究方向為不間斷電源技術。

鄒建忠,廈門科華恒盛股份有限公司研發中心經理,長期從事UPS產品開發工作和研發管理工作。

編輯：Harris

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