APCUPS系統(tǒng)EMC問題的一些處理方法
APCUPS系統(tǒng)EMC問題的一些處理方法
電磁干擾由電磁騷擾源、耦合途徑(或稱耦合通道)及敏感設(shè)備三個(gè)要素構(gòu)成,前兩者降低設(shè)備的電磁干擾輸出量,降低本設(shè)備對(duì)其它設(shè)備的干擾,最后一項(xiàng)提升本設(shè)備的適應(yīng)能力和電磁耐受能力。對(duì)于降低電磁騷擾源的措施已在許多書刊上進(jìn)行了非常廣泛的闡述,本文主要從傳導(dǎo)耦合途徑的角度對(duì)降低UPS系統(tǒng)的電磁干擾進(jìn)行分析。
1 APCUPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
從圖1可以看出,UPS系統(tǒng)有市電、電池、旁路、輸出四個(gè)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(gè)端口間相互連接,互相耦合,這就為APCUPS處理EMC干擾問題增加了難度。
2 干擾源及其傳播路徑
同普通的開關(guān)電源一樣,UPS的干擾源也來自開關(guān)管、磁性元件等存在的較大的di/dt、du/dt回路和節(jié)點(diǎn)。UPS系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng),存在多個(gè)干擾源,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(gè)相互耦合的支路,使得UPS系統(tǒng)的EMC處理變得非常復(fù)雜。下面以某30kVAUPS為例研究其干擾傳播路徑(參見圖2)。
在該UPS系統(tǒng)中,EMC特性與器件的寄生參數(shù)、功率回路的吸收電路、EMC濾波器、接地系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)有很大的關(guān)系,主要的干擾傳遞路徑有:
?、匍_關(guān)管→散熱器→機(jī)箱
開關(guān)管通過絕緣導(dǎo)熱部件(常見的為硅膠布)的寄生電容將干擾信號(hào)傳遞到散熱器,再通過散熱器將干擾傳遞到機(jī)箱,形成共模干擾。
?、陔姼芯€圈→電感鐵心→機(jī)箱
若電感的磁芯外露,需要將磁芯接地,此時(shí)電感線圈與磁芯間的寄生電容會(huì)將干擾信號(hào)引入到
鐵心中,并進(jìn)一步將干擾信號(hào)引入地線,形成共模干擾。
?、垭姼芯€圈→Cepc→電網(wǎng)端或輸出端,電感內(nèi)部的等效并聯(lián)電容會(huì)降低濾波效果,將開關(guān)管的噪聲引入到電網(wǎng)端或輸出端,形成差模干擾。
?、苌崞鳌拥丶纳姼?、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(shè)計(jì)和處理EMC問題時(shí)都將機(jī)箱視為地平面,認(rèn)為只要將信號(hào)接入機(jī)箱都視為接地,事實(shí)上并不能完全忽略機(jī)箱對(duì)EMC的影響,特別是當(dāng)機(jī)箱體積較大時(shí),機(jī)箱設(shè)計(jì)不良引起的EMC問題會(huì)相當(dāng)嚴(yán)重。機(jī)箱設(shè)計(jì)不良可等效在干擾傳播回路或?yàn)V波器回路中串入了電感,這個(gè)電感會(huì)引起EMC濾波器效能降低、干擾信號(hào)由傳導(dǎo)轉(zhuǎn)換為輻射、引起濾波回路振蕩等問題。
?、菽孀?yōu)V波電容端→旁路SCR的吸收電容Csnb→電網(wǎng)端
由于逆變?yōu)V波電容存在ESR,不能完全濾除噪音,這部分噪音會(huì)通過旁路SCR的吸收電容Csnb傳遞到輸入端。更嚴(yán)重的是旁路SCR的吸收電容Csnb會(huì)“短路”市電輸入濾波器的共模電感,導(dǎo)致輸入濾波器性能大幅降低。
3 處理方式及注意事項(xiàng)
上述初步分析了UPS系統(tǒng)主要的干擾傳播途徑,這里針對(duì)這些傳播途徑一一采取措施進(jìn)行抑制。
(1)開關(guān)管→散熱器→機(jī)箱回路干擾的抑制
在該回路中有兩點(diǎn)措施可以采用,即降低開關(guān)管→散熱器、散熱器→機(jī)箱兩個(gè)耦合路徑。前者是由開關(guān)管與散熱器間的絕緣導(dǎo)熱器件決定的,常用的絕緣導(dǎo)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(dá)到0.15mm。但是過小的厚度增加了開關(guān)管與散熱器間的電容,增強(qiáng)了開關(guān)管干擾的傳播,不利于EMC干擾的處理。
在另一些應(yīng)用中,為了進(jìn)一步降低開關(guān)管與散熱器間的熱阻,在開關(guān)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(guān)管與硅膠布間的熱阻,卻極大地增加了開關(guān)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(xiàn)解決了這一問題,它具有導(dǎo)熱好、熱阻低的特點(diǎn),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(guān)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(jìn)行對(duì)比,其中銅板+硅膠布的方案中,銅板尺寸按34×32×1.5進(jìn)行對(duì)比。
由表1看出,采用陶瓷基板可在獲得高的導(dǎo)熱性能的同時(shí)顯著降低耦合電容,減少EMC干擾的傳播。
散熱器與機(jī)箱通常有兩種連接方式,一種是將散熱器直接接機(jī)箱,如采用自冷卻系統(tǒng)的設(shè)備;另一種是散熱器懸空,不與任何機(jī)箱或電路連接。前者會(huì)直接把干擾信號(hào)耦合到機(jī)箱,形成共模干擾,后者通過散熱器與機(jī)箱間的耦合電容將干擾信號(hào)耦合到機(jī)箱。對(duì)散熱器懸空的系統(tǒng),應(yīng)盡可能的增加散熱器與機(jī)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(hào)轉(zhuǎn)化為差模信號(hào),便于處理。
(2)電感線圈→電感鐵心→機(jī)箱回路的抑制
對(duì)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(nèi)置磁芯的電感取代外置磁芯的電感,如用環(huán)形電感取代CD型鐵心電感。
(3)電感線圈→Cepc→電網(wǎng)端或輸出端干擾的抑制
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(lián)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(dāng)電感已經(jīng)確定無法改變時(shí)也可以采用一些措施減少電磁干擾的傳播,如:采用好的濾波電容和合理的電容連接結(jié)構(gòu)來降低干擾的傳播,也可以在主電感回路中串聯(lián)小的副電感,通過副電感降低干擾的傳播。
(4)接地系統(tǒng)引起的干擾抑制
由于機(jī)箱設(shè)計(jì)的不合理使得接地系統(tǒng)不良,無法有效地濾除EMC干擾甚至引起振蕩。通過優(yōu)化機(jī)箱設(shè)計(jì),使得電磁干擾的耦合點(diǎn)盡可能地以大面積金屬的形式接入系統(tǒng)接地點(diǎn),盡可能避免多個(gè)接地點(diǎn)串聯(lián)接入系統(tǒng)地。另外,系統(tǒng)的接地點(diǎn)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(tǒng)接地點(diǎn)。要避免電磁干擾強(qiáng)的電纜通過大孔或長(zhǎng)條孔。
(5)逆變?yōu)V波電容端→旁路SCR吸收電容Csnb→電網(wǎng)端回路的抑制
有幾個(gè)辦法可以采用:
?、僭赟CR吸收電容上串聯(lián)電阻，形成一定的阻抗，抑制電磁干擾的傳播。但該電阻不易過大，否則會(huì)對(duì)SCR的電壓尖峰吸收和di/dt抑制造成影響。
?、谠谂月坊芈飞洗?lián)電感。該法可以有效地切斷該回路,但在功率回路上串聯(lián)電感會(huì)引起成本上升,接點(diǎn)增加。
?、鄹腟CR的吸收電路,將并聯(lián)于SCR兩端的電容取消,更改為SCR兩端分別對(duì)零線并聯(lián)電容,
從而切斷該回路。
在圖3中,N點(diǎn)的選擇非常重要,一定要選擇對(duì)三個(gè)源都“安靜”的源進(jìn)行濾波,否則仍將引入干擾。
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