王 飛, 梁入文, 張 楠

(1. 煙臺(tái)大學(xué) 計(jì)算機(jī)與控制工程學(xué)院, 山東 煙臺(tái) 264005；2. 煙臺(tái)大學(xué) 教務(wù)處, 山東 煙臺(tái) 264005)

自動(dòng)化專業(yè)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)中“電磁兼容”教學(xué)實(shí)踐

王 飛1, 梁入文2, 張 楠1

(1. 煙臺(tái)大學(xué) 計(jì)算機(jī)與控制工程學(xué)院, 山東 煙臺(tái) 264005；2. 煙臺(tái)大學(xué) 教務(wù)處, 山東 煙臺(tái) 264005)

針對(duì)本科教學(xué)計(jì)劃中未開設(shè)“電磁兼容”課程的自動(dòng)化專業(yè),嘗試在畢業(yè)設(shè)計(jì)階段進(jìn)行電磁兼容的案例導(dǎo)入式教學(xué)。選用開關(guān)電源中的EMI濾波器、緩沖電路和變壓器屏蔽等作為應(yīng)用案例,引導(dǎo)學(xué)生實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐相結(jié)合,取得了良好的教學(xué)效果。

電磁兼容； 畢業(yè)設(shè)計(jì)； 開關(guān)電源

隨著電子電氣技術(shù)的發(fā)展,各類用電設(shè)備越來越多,電磁干擾的問題十分突出。同時(shí),國(guó)際和國(guó)內(nèi)不斷制訂或修訂強(qiáng)制性的電磁兼容標(biāo)準(zhǔn),如國(guó)內(nèi)GB 4824—2013《工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療(ISM)射頻設(shè)備騷擾特性限值和測(cè)量方法》在2015年1月13 日強(qiáng)制實(shí)施?？梢?電磁兼容成為電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要組成部分。優(yōu)秀的電子工程師必須具備堅(jiān)實(shí)的電磁兼容知識(shí)[1-2]。本文依據(jù)我校自動(dòng)化專業(yè)的教學(xué)計(jì)劃,以增強(qiáng)大學(xué)生電磁兼容設(shè)計(jì)能力為目標(biāo),在本科畢業(yè)設(shè)計(jì)階段,通過案例導(dǎo)入式教學(xué)方式,指導(dǎo)完成畢業(yè)設(shè)計(jì)作品,激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,取得良好的教學(xué)效果。

1 我校自動(dòng)化專業(yè)“電磁兼容”教學(xué)現(xiàn)狀

我校自動(dòng)化專業(yè)本科教學(xué)計(jì)劃中未開設(shè)“電磁兼容”課程。學(xué)生在“大學(xué)物理”課程中學(xué)習(xí)“靜電場(chǎng)”“穩(wěn)恒磁場(chǎng)” “電磁感應(yīng)”等電磁場(chǎng)基本知識(shí),隨后學(xué)習(xí)“電路”“模擬電子技術(shù)”“數(shù)字電子技術(shù)”“電力電子技術(shù)”“檢測(cè)技術(shù)及控制儀表”等電子類課程,已初步掌握學(xué)習(xí)電磁兼容技術(shù)的先修知識(shí)。目前學(xué)生在電子類企業(yè)就業(yè)的比例較高,產(chǎn)品研發(fā)中會(huì)遇到各類電磁兼容相關(guān)的問題。那么,在本科畢業(yè)設(shè)計(jì)階段,通過設(shè)計(jì)作品來提高他們的電磁兼容設(shè)計(jì)能力成為一個(gè)很好的教學(xué)嘗試。結(jié)合科研經(jīng)驗(yàn)選擇開關(guān)電源作為畢業(yè)設(shè)計(jì)題目。一方面,開關(guān)電源是一類強(qiáng)調(diào)電磁兼容性的電子類產(chǎn)品；另一方面,開關(guān)電源也是一類閉環(huán)的高階—非線性—時(shí)變系統(tǒng),涉及現(xiàn)代控制理論和控制系統(tǒng)仿真等自動(dòng)化專業(yè)知識(shí),適合用于該專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)的教學(xué)實(shí)踐。

2 電磁兼容的教學(xué)實(shí)踐

2.1 開關(guān)電源EMI產(chǎn)生機(jī)理

相比于線性電源,開關(guān)電源具有體積小、重量輕、效率高等優(yōu)點(diǎn)[3],在通信電源和電力操作電源中占據(jù)主導(dǎo)地位。其基本工作原理是反饋輸出電壓或電流給控制電路,調(diào)整驅(qū)動(dòng)波形的占空比來控制功率半導(dǎo)體器件(如MOSFET、IGBT、MCT、GTO、Thyristor等)的導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間,從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的輸出。電源開關(guān)頻率一般在幾十KHz至幾MHz,線路中存在突變的電壓或電流,引起電磁干擾(EMI)問題[3]。

圖1是小功率單端反激式開關(guān)電源主回路的電路簡(jiǎn)圖,現(xiàn)在按照干擾源來說明電源EMI產(chǎn)生機(jī)理。

圖1 單端反激式開關(guān)電源主回路電路圖

(1) 輸入整流濾波電路中產(chǎn)生的干擾。圖2所示是全橋整流濾波電路。D1—D4是整流二極管,C1是濾波電容,R2是后級(jí)等效電阻,V1是電網(wǎng)輸入交流電壓。由于濾波電容的存在,整流二極管D1—D4僅在V1的瞬時(shí)值高于濾波電容電壓時(shí)才能導(dǎo)通,電容電壓和電網(wǎng)輸入電流波形如圖3所示。其中輸入電流波形呈窄而陡的脈沖狀。該脈沖電流包含大量的高頻諧波分量,對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生諧波污染,同時(shí)會(huì)引起射頻干擾問題[4]。

圖2 全橋整流濾波電路圖

圖3 電容電壓和電網(wǎng)輸入電流波形圖

(2) 主開關(guān)管工作時(shí)產(chǎn)生的干擾。圖1中的主開關(guān)管Q1、高頻變壓器T1原邊和電容C1形成電流環(huán)路,Q1按開關(guān)頻率不斷地導(dǎo)通和關(guān)斷。無論采用連續(xù)控制模式(CCM),還是采用斷續(xù)控制模式(DCM),環(huán)路電流都含有大量的諧波,通過線路會(huì)向周圍空間輻射干擾。EMI正比于電流強(qiáng)度、環(huán)路面積和開關(guān)頻率的平方[3]。即：

EMI=K×I×S×f2

(1)

式中,I是環(huán)路電流強(qiáng)度,S是環(huán)路面積,f是電源的開關(guān)頻率,K是與線路板材等相關(guān)的常數(shù)。

(3) 高頻變壓器工作時(shí)產(chǎn)起的干擾。實(shí)際高頻變壓器繞組存在漏感。假設(shè)變壓器T1原邊的漏感量為L(zhǎng)e,Q1關(guān)斷時(shí),T1原邊漏感會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)：

(2)

形成關(guān)斷電壓尖峰。一方面它會(huì)通過傳導(dǎo)方式對(duì)電網(wǎng)形成電磁干擾,另一方面該電壓尖峰也是導(dǎo)致射頻干擾的重要原因。由于Q1極間電容CDS、導(dǎo)線電阻、線圈的分布電容等的存在,漏感存儲(chǔ)的能量還會(huì)引起阻尼振蕩。

(4) 輸出整流電路中產(chǎn)生的干擾。輸出整流二極管D5按開關(guān)頻率導(dǎo)通和關(guān)斷,流經(jīng)D5的電壓波形近似矩形波,電流含有高次諧波。同時(shí),二極管存在反向恢復(fù)時(shí)間,當(dāng)施加反向電壓時(shí),二極管結(jié)電容積累的電荷不會(huì)瞬間消除,形成很大的反向電流。當(dāng)di/dt很大時(shí)形成尖峰電壓。

2.2 抑制干擾的措施

圖1電路中存在電流諧波、尖峰電壓、傳導(dǎo)、輻射等電磁干擾問題。抑制干擾的措施很多,介紹幾種相對(duì)簡(jiǎn)單可行的措施,使學(xué)生在設(shè)計(jì)中能獨(dú)立實(shí)現(xiàn),以增強(qiáng)解決EMI問題的信心。

(1) EMI濾波器。圖4所示是常用的EMI濾波器電路圖,安裝在電源的輸入端。電容Cx1和Cx2為差模電容,一般選擇安規(guī)電容,用于抑制差模干擾。R為泄放電阻,用于泄放電容上的靜電荷[3]。電感L1為共模電感,與共模電容Cy1和Cy2共同抑制共模干擾。文獻(xiàn)[5]詳細(xì)介紹了EMI濾波器的設(shè)計(jì)步驟,得出文中電源的共模和差模干擾電流大小,并用Pspice軟件進(jìn)行了濾波器的仿真。

圖4 常用EMI濾波器電路圖

(2) 功率因數(shù)校正。針對(duì)圖2所示整流濾波電路對(duì)電網(wǎng)會(huì)產(chǎn)生諧波污染問題,常用的解決辦法是采用功率校正電路。單相功率校正技術(shù)已十分成熟。文獻(xiàn)[3]采用填谷式無源功率校正電路與圖2中普通整流濾波電路進(jìn)行比較,電流總諧波含量從117.5%下降到28.0%。性能更佳的有源功率因數(shù)校正電路在中、大功率電源中早已成熟應(yīng)用。

(3) 緩沖電路。如圖5所示,采用RCD緩沖電路能有效減小變壓器原邊繞組上的尖峰電壓幅度[6]。輸出整流二極管D5兩端可使用R5、C4組成的簡(jiǎn)單緩沖電路。這里注意,D5一定要選擇使用超快恢復(fù)二極管或肖特基二極管[7]。

圖5 兩種簡(jiǎn)單實(shí)用的吸收電路

(4) 變壓器的屏蔽。變壓器原、副邊的耦合電容以及變壓器與電源機(jī)殼間的分布電容會(huì)為共模干擾電流提供傳導(dǎo)路徑。采用屏蔽技術(shù)能較好的解決這一問題[8-12]。在學(xué)生繞制變壓器時(shí),結(jié)合減小繞組漏感和屏蔽技術(shù)來講解變壓器的“三明治”繞法。具體步驟：①在變壓器骨架上均勻繞制Np/2(Np指原邊匝數(shù))匝原邊繞組,覆一層絕緣墊襯,用銅箔做屏蔽層,注意首尾端做絕緣處理,防止銅箔首尾短路,屏蔽層焊接一根短引線,通過變壓器引腳最終與電源主回路原邊的地

線相連。②繞制Ns匝副邊繞組。③同①相同覆一層絕緣墊襯后,再用銅箔做一屏蔽層。④繞制剩余Np/2匝原邊繞組。若電源是多路輸出,再繞制其他繞組。用絕緣膠帶纏緊,安裝磁芯,調(diào)整磁路氣隙,固定磁芯。高頻變壓器正常工作時(shí),少量磁通利用空氣產(chǎn)生漏磁。在變壓器的外層用銅箔形成短路環(huán),可有效屏蔽變壓器對(duì)外電路的電磁干擾。

3 結(jié)語

多年指導(dǎo)自動(dòng)化專業(yè)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)的教學(xué)實(shí)踐表明,用開關(guān)電源作為應(yīng)用案例來進(jìn)行電磁兼容技術(shù)的教學(xué)切實(shí)可行。通過動(dòng)手調(diào)試電路以及書寫畢業(yè)論文,讓學(xué)生理解并掌握開關(guān)電源中EMC產(chǎn)生的機(jī)理及各類對(duì)策。通過諧波電流、尖峰電壓、傳導(dǎo)、輻射等概念或?qū)崪y(cè)波形,學(xué)習(xí)理論知識(shí)。在設(shè)計(jì)畢業(yè)作品過程中,運(yùn)用接地、屏蔽和濾波等電磁兼容技術(shù)提高實(shí)踐能力。教學(xué)實(shí)踐表明,學(xué)生學(xué)習(xí)興趣大、主動(dòng)性強(qiáng)、學(xué)習(xí)效率高,在工作中能力能很快得到體現(xiàn)。

References)

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Teaching practice of Electromagnetic Compatibility in undergraduate graduation design of Automation speciality

Wang Fei1, Liang Ruwen2, Zhang Nan1

(1. School of Computer and Control Engineering,Yantai University,Yantai 264005,China;2. Office of Academic Affairs,Yantai University,Yantai 264005,China)

In view of the Automation speciality which does not offer the Electromagnetic Compatibility course in the undergraduate teaching plan,the case introduction teaching of electromagnetic compatibility at the graduation design stage is carried out. By taking the EMI filter,the buffer circuit and the transformer shield in the switching power supply as the application case,the students are guided to realize the combination of theory with practice,and the good teaching effect has been achieved.

electromagnetic compatibility; graduation design; switching power supply

10.16791/j.cnki.sjg.2017.07.048

2016-12-22

2017-03-27

國(guó)家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項(xiàng)目(61403329)

王飛(1976—),男,山東萊蕪,博士,講師,主要研究方向?yàn)樾履茉窗l(fā)電技術(shù).

E-mail：13905358550@126.com

TM645；G642.0

A

1002-4956(2017)07-0185-03