中國(guó)電子科技集團(tuán)38所 萬(wàn)靜龍

合肥工業(yè)大學(xué) 劉 翔 張海燕

本文中的小型UPS采用全橋整流，Boost升壓，半橋逆變，工作特性為高電壓、小功率1KVA的電源。這種UPS體積相對(duì)較小，重量輕，大功率密度，高智能化，在工業(yè)、國(guó)防、辦公領(lǐng)域使用量較大。但是，該類(lèi)型UPS由于其固有的電路結(jié)構(gòu)，它容易產(chǎn)生干擾，注入電網(wǎng)，影響鄰近的電子儀器及電氣設(shè)備的正常工作，所以這種電源如果不采取一定的措施就不能很好地應(yīng)用于精度要求較高的場(chǎng)合，因此降低該類(lèi)型UPS電源對(duì)外部環(huán)境的電磁干擾即EMI，是我們的一個(gè)重要任務(wù)。

另外我們必須解決的問(wèn)題是該類(lèi)UPS對(duì)工作環(huán)境的適應(yīng)性即抗干擾能力。由于該類(lèi)電源的工作環(huán)境是處于幾百伏的電壓到幾伏的電壓，既有高頻信號(hào)又有低頻信號(hào)，此外它們內(nèi)部電磁分布相當(dāng)復(fù)雜，它們內(nèi)部的電路結(jié)構(gòu)及其PCB布線，容易導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)工作不穩(wěn)定，且容易受到外部的浪涌、靜電放電、電快速脈沖群的影響，使電源無(wú)法精確地工作。

綜上所述，我們要求該電源必須滿足兩點(diǎn)要求：(1)不會(huì)污染周?chē)碾姶怒h(huán)境，(2)它在現(xiàn)實(shí)的電磁工作環(huán)境中不會(huì)發(fā)生故障性能也不會(huì)下降。

一、UPS的EMl即電磁干擾

UPS的電磁干擾情況如圖1所示，具體如下所述：

1.UPS電源的輸入端為工頻整流，我們采用傳統(tǒng)的橋式整流[1]，如圖2所示，這里沒(méi)采用PFC只有大濾波電容充放電，因此輸入電流是一個(gè)時(shí)間短，峰值很高的周期性尖峰畸變電流，含有豐富的高次諧波分量，它們注入電網(wǎng)，引起嚴(yán)重的諧波污染。整流二極管在反向恢復(fù)期間會(huì)引起。

2.開(kāi)關(guān)管VT、VT1、VT2的工作頻率都在20K以上，由于這類(lèi)開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間極短，及逆變回路中引線電感的存在，導(dǎo)通時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的du/dt和很高的尖峰電壓；開(kāi)關(guān)管在關(guān)斷時(shí)，關(guān)斷時(shí)間短，將產(chǎn)生很大的di/dt和很高的電流尖峰，UPS電源的這種尖峰干擾通過(guò)輸入/輸出線傳播出去而形成的干擾稱為傳導(dǎo)干擾，即傳導(dǎo)性EMI。在輸入/輸出線傳播同時(shí)，會(huì)在空間中產(chǎn)生電磁場(chǎng)，發(fā)生電磁輻射，這樣產(chǎn)生的干擾稱為輻射干擾。UPS電源中開(kāi)關(guān)管的頻率越高，它產(chǎn)生的傳導(dǎo)干擾和輻射干擾也越強(qiáng)。

3.電感磁性元件引起的EMI。電感L1、開(kāi)關(guān)管VT和濾波電容C1構(gòu)成的高頻開(kāi)關(guān)電流環(huán)路能產(chǎn)生較大的空間輻射。如果電容器C1濾波不足，高頻電流會(huì)以差模方式傳導(dǎo)到輸入交流電源中如圖2中的I。

4.高頻工作下的元件都具有高頻寄生特性，高頻工作時(shí)，導(dǎo)線變成了發(fā)射線，電容變成了電感，電感變成了電容，電阻變成了共振電路，會(huì)使其工作狀態(tài)產(chǎn)生影響并使其頻率特性發(fā)生了相當(dāng)大的變化，變成UPS電源中的輻射干擾源。例如高頻整流二極管VD5也是一個(gè)重要的高頻干擾源，它高速的通斷工作在很高的du/dt、di/dt下會(huì)產(chǎn)生高頻干擾沿直流輸出線傳出去。

5.電網(wǎng)中各種用電設(shè)備產(chǎn)生的電磁干擾會(huì)沿電源線進(jìn)入U(xiǎn)PS電源內(nèi)部，此類(lèi)EMI主要以共模或差模兩種方式存在，其中能夠?qū)PS電源造成損壞或影響其工作的主要是電快速瞬變脈沖群和浪涌沖擊波。

二、UPS的電磁干擾抑制技術(shù)

1.抑制UPS電源的EMI，我們是無(wú)法徹底根除干擾源，只有盡量減小干擾源的能量。

(1)在開(kāi)關(guān)管VT兩端并接RC吸收電路，如圖3所示，在開(kāi)關(guān)管高速通斷時(shí)，對(duì)開(kāi)關(guān)管的能量加以緩沖并吸收功率，減少di/dt、du/dt。

(2)在二次回路中的高頻整流二極管VD5兩端并接RC吸收電路，在VD5高速通斷時(shí)對(duì)其能量加以緩沖并吸收，減少di/dt、du/dt。

2.對(duì)于傳導(dǎo)型電磁干擾EMI，我們?cè)O(shè)法在其的傳導(dǎo)路徑上設(shè)置障礙即濾波器，吸收并阻止電磁干擾。我們?cè)赨PS電源的輸入端加電源濾波器，濾波器對(duì)高頻呈高阻抗，對(duì)工頻呈低阻抗，它不僅封鎖了共模干擾，而且能夠衰減了輸入回路中的差模干擾。濾波是抑制傳導(dǎo)干擾的一種很好的辦法，在電源輸入端接上濾波器，它具有雙向抑制作用，既可以抑制UPS電源產(chǎn)生的向電網(wǎng)反饋的干擾，也可以抑制來(lái)自電網(wǎng)的干擾對(duì)UPS電源的侵害。

3.對(duì)于UPS電源輸入端的二極管整流橋產(chǎn)生的諧波及無(wú)功，一種方法是采取功率因數(shù)校正(PFC)電路來(lái)提高功率因數(shù)并解決脈沖尖峰電流過(guò)大的問(wèn)題，而另一種方法是采取差模濾波器這樣可以抑制脈沖電流的峰值，并降低電流諧波干擾。

4.屏蔽?？闺姶鸥蓴_設(shè)計(jì)要實(shí)現(xiàn)以下兩個(gè)目的：(1)通過(guò)優(yōu)化UPS電源的電路和結(jié)構(gòu)將UPS電源中的干擾源產(chǎn)生的電磁干擾強(qiáng)度降低到較低的水平。(2)通過(guò)各種抑制技術(shù)，將干擾源與被干擾電路之間的耦合減弱到可以接受的程度。屏蔽技術(shù)是達(dá)到上述兩個(gè)目的、實(shí)現(xiàn)電磁干擾防護(hù)的最重要的手段之一[2]。屏蔽技術(shù)通常分為三大類(lèi)：電場(chǎng)屏蔽(靜電場(chǎng)屏蔽及低頻交變電場(chǎng)屏蔽)、磁場(chǎng)屏蔽(直流磁場(chǎng)屏蔽和低頻交流磁場(chǎng)屏蔽)及電磁場(chǎng)屏蔽(高頻輻射電磁場(chǎng)的屏蔽)。

使用導(dǎo)電率良好的材料如金屬對(duì)電場(chǎng)進(jìn)行屏蔽，在此同時(shí)屏蔽體必須有完善的結(jié)構(gòu)并良好接地，否則金屬屏蔽體不起任何屏蔽作用。

磁場(chǎng)屏蔽的目的是消除直流和低頻交流磁場(chǎng)干擾源與被干擾回路的磁耦合。我們采取高磁導(dǎo)率材料制成的磁場(chǎng)屏蔽體將需要磁屏蔽的磁場(chǎng)噪聲源封閉起來(lái)，由于高磁導(dǎo)率材料磁阻很低，磁場(chǎng)噪聲源的磁力線將封閉在此屏蔽體內(nèi)，同時(shí)磁屏蔽體又能將外界干擾磁場(chǎng)的磁力線旁路，從而阻斷了干擾磁場(chǎng)的藕合，起到了磁屏蔽的作用。

對(duì)于高頻磁場(chǎng)，我們采用的屏蔽體為較優(yōu)良的導(dǎo)體如銅、鋁或銅鍍銀，它們是導(dǎo)磁率低的金屬屏蔽體，它們將載流導(dǎo)體包圍起來(lái)，讓該屏蔽體中流過(guò)與中心載流導(dǎo)線電流大小相等、相位相反的電流，這樣在屏蔽體的外部，總的干擾磁場(chǎng)強(qiáng)度變?yōu)榱?，達(dá)到了磁場(chǎng)屏蔽的目的。

5.接地。在UPS電源的電路系統(tǒng)中如果出現(xiàn)多點(diǎn)接地，就會(huì)有閉合的接地環(huán)路，當(dāng)磁力線穿過(guò)該環(huán)路時(shí)將產(chǎn)生磁感應(yīng)干擾，所以我們必須遵守“一點(diǎn)接地”原則，實(shí)際中很難實(shí)現(xiàn)“一點(diǎn)接地”。因此采用平面式接地或多點(diǎn)接地，降低地阻抗，消除分布電容的影響，我們用一個(gè)導(dǎo)電平面作為參考地，將需接地的各部分就近接到該參考地上。在有低頻和高頻信號(hào)共存的電源電路中，分別將低頻電路、高頻電路、功率電路的地線單獨(dú)連接后，再連接到公共參考地上，從而有效地消除干擾。

圖1 UPS電源干擾類(lèi)型Fig.1 linterfernce type of UPS

圖2 UPS電源的電路簡(jiǎn)圖Fig.2 UPS circuit diagram

圖3 抑制浪涌的方法Fig.3 Method of suppressing surge

圖4 輸入濾波電路Fig.4 input filtering circuit

圖5 UPS電源EMl濾波器電路Fig.5 EMl filtering circuit of UPS

圖6 高頻逆變電路Fig.6 high frequency invert circuit

三、UPS電路的電磁兼容設(shè)計(jì)

1.輸入電路的電磁兼容設(shè)計(jì)

輸入濾波電路如圖4所示，F(xiàn)V1為瞬態(tài)電壓抑制二極管，RV1為壓敏電阻[3]，具有很強(qiáng)的浪涌吸收能力，能吸收瞬間大電流，將電壓鉗制在一個(gè)預(yù)定的數(shù)值上，能很好地保護(hù)后級(jí)元器件使電路免遭浪涌電壓的破壞，EMI濾波器必須良好接地，且接地線要短，最好直接安裝在金屬外殼上，還要保證其輸入線、輸出線之間屏蔽隔離，才能有效地切斷傳導(dǎo)干擾沿輸入線的傳播和輻射干擾沿空間傳播。

UPS電源EMI濾波器基本電路[4]如圖5：L1、L2是共模電感，是匝數(shù)相同，繞向相反且繞在同一磁環(huán)上的兩只獨(dú)立線圈，兩只線圈內(nèi)工頻電流產(chǎn)生的磁通在磁環(huán)內(nèi)相互抵消，因此共模電感對(duì)工頻電流不起任何阻礙作用，避免磁環(huán)達(dá)到飽和狀態(tài)，從而使兩只線圈的電感值保持不變。

共模電容CY1和CY2是用來(lái)濾除共模干擾的。共模干擾的衰減在低頻時(shí)主要有電感器起作用，而在高頻時(shí)大部分由電容CY1和CY2起作用，CY1接于電源線和地線之間，需要其耐高壓、低漏電流特性，CY一般在2.2uF~33uF，電容類(lèi)型為瓷片電容。

CX1和CX2是差模電容，差模濾波元件和共模濾波元件分別對(duì)差模干擾和共模干擾有較強(qiáng)的衰減作用。實(shí)際使用中，由于共模電感繞組繞制工藝間會(huì)存在電感差值，不過(guò)這種差值正好被利用做成差模電感。所以一般電路中不必再設(shè)置獨(dú)立的差模電感。共模電感的差值電感與電容CX1和CX2構(gòu)成一個(gè)Ⅱ型濾波器。這種濾波器對(duì)差模干擾有較好的衰減。

差模電容CX接在兩根電源線之間，對(duì)一般的高頻干擾阻抗很低，故兩根電源線之間的高頻干擾可以通過(guò)它，差模電容CX對(duì)工頻信號(hào)的阻抗很高，工頻信號(hào)無(wú)法通過(guò)差模電容CX，所以工頻信號(hào)的傳輸不受影響。CX電容選擇主要考慮耐壓值只要滿足功率線路的耐壓等級(jí)，能承受可預(yù)料的電壓沖擊即可，為了避免放電電流引起的沖擊危害，CX電容容量不宜過(guò)大，一般在0.01~0.1uF之間，電容類(lèi)型為陶瓷電容或聚酯薄膜電容。

2.高頻逆變電路的電磁兼容設(shè)計(jì)

如圖6示：VT﹑VT1﹑VT2為IGBT的開(kāi)關(guān)器件，在VT﹑VT1﹑VT2開(kāi)通和斷開(kāi)時(shí)，由于開(kāi)關(guān)時(shí)間很短及引線電感，回路會(huì)產(chǎn)生較高的di/dt、du/dt形成EMI，為了消除此類(lèi)干擾，在開(kāi)關(guān)管VT兩端并聯(lián)RC吸收電路，VT1﹑VT2兩端并聯(lián)電容，縮短引線，減小引線電感。電容C、一般采用低感電容。這里我們還采用軟開(kāi)關(guān)技術(shù)，軟開(kāi)關(guān)技術(shù)是改善開(kāi)關(guān)器件電磁兼容特性的一個(gè)重要的方法，開(kāi)關(guān)器件通斷會(huì)產(chǎn)生浪涌電流du/dt及尖峰電壓di/dt，這是開(kāi)關(guān)管產(chǎn)生EMI及損耗的主要原因，軟開(kāi)關(guān)技術(shù)使開(kāi)關(guān)管在零電壓、零電流時(shí)進(jìn)行開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換，可以有效地抑制EMI改善UPS電源的電磁兼容特性[5]。

3.輸出LC濾波器參數(shù)的設(shè)計(jì)

UPS逆變器的輸出為頻率20K的SPWM方波，其基波為50HZ，還含有低次﹑高次諧波，諧波主要集中在20KHZ﹑40KHZ附近。為了得到標(biāo)準(zhǔn)正弦波，消除諧波，我們采用LC低通濾波器，其截止角頻率為W=2R/L，R為公稱阻抗，在80%×1000W，220V輸出下，如果設(shè)截止頻率f為20KHZ衰減4倍即5000HZ，則有實(shí)際電感取0.4mH，電容取2uf，電感磁芯采用鋁硅鐵粉芯，能取得較好的濾波效果，并且損耗小，溫升低。電容采用無(wú)極性紙介電容。

四、結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)小功率UPS電源的電磁干擾問(wèn)題，我們不但改進(jìn)了UPS電源的電路，還采用了濾波、屏蔽、接地等方法。實(shí)踐證明本文中的方案經(jīng)濟(jì)可靠地解決此類(lèi)UPS電源的抗干擾問(wèn)題。本文中的方案不但能提高該類(lèi)UPS電源的性能，降低它們的故障率，而且使它們的適用范圍更加廣泛。

[1]王兆安,楊君,劉進(jìn)軍.諧波抑制和無(wú)功功率補(bǔ)償[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2004:84-89.

[2]張興.高等電力電子技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2011:325-328.

[3]何金良.電磁兼容概論[M].北京:科學(xué)出版社,2010:186-18.

[4]Samjaya Maniktala.王志強(qiáng)譯.精通開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)[M].北京:人民郵電出版社,2008:244-254.

[5]王兆安,黃俊.電力電子技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2008:170-178.