王 濤，張 梅

(江蘇自動(dòng)化研究所計(jì)算機(jī)事業(yè)部，江蘇 連云港 222006)

基于CPCI總線(緊湊型外圍設(shè)備互聯(lián)總線)的加固計(jì)算機(jī)是一種目前主流的加固機(jī)，通過配置不同的模塊，該型加固計(jì)算機(jī)可以廣泛應(yīng)用在雷達(dá)、聲吶、光電、指揮控制、火控、電子對(duì)抗、導(dǎo)航、通信、機(jī)電控制、損管控制等領(lǐng)域。目前，電磁兼容性已成為加固計(jì)算機(jī)產(chǎn)品必須具有的性能。在加固計(jì)算機(jī)電磁兼容問題中，比較難以解決的是電源線低頻傳導(dǎo)發(fā)射抑制。為了保證加固計(jì)算機(jī)的電磁兼容性能，提升加固計(jì)算機(jī)整機(jī)可靠性，很有必要對(duì)加固計(jì)算機(jī)電源線低頻傳導(dǎo)發(fā)射抑制技術(shù)進(jìn)行研究，從而得到一種高效、適用的抑制方法。

1 加固計(jì)算機(jī)諧波產(chǎn)生機(jī)理

抑制電源線低頻傳導(dǎo)發(fā)射實(shí)際上是對(duì)加固計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的諧波進(jìn)行抑制，所有以交流電為電源的非線性負(fù)載都能產(chǎn)生電源基頻的奇次諧波[1]。當(dāng)正弦電壓施加在線性無(wú)源元件如電阻、電感和電容上時(shí)，其電流和電壓分別為比例、積分和微分關(guān)系，仍為同頻率的正弦波。但當(dāng)正弦電壓施加在非線性電路上時(shí)，電流就變?yōu)榉钦也ǎ蚨妷翰ㄐ我沧優(yōu)榉钦也╗1]。任何非正弦的周期性波都可以用傅立葉級(jí)數(shù)展開：

式中：f(t)為非正弦波；F0為基波有效值;Hn為n次諧波幅值；ω為角頻率；t為時(shí)間；φn為相位角。

因此一個(gè)周期函數(shù)可以分解為傅立葉級(jí)數(shù)，表示為多級(jí)正弦函數(shù)的和，即可把周期信號(hào)當(dāng)作是正弦函數(shù)的基波與諧波的合成。

對(duì)于加固計(jì)算機(jī)而言，主要的諧波源是開關(guān)電源。開關(guān)電源將電網(wǎng)提供的單相交流電經(jīng)過整流、濾波和穩(wěn)壓后，轉(zhuǎn)換成為所需的+5V、+12V等直流電壓輸出。利用單向橋式整流電路，將電壓波形由波形1變?yōu)椴ㄐ?。然后經(jīng)過電容濾波電路，將電壓波形變?yōu)椴ㄐ?。經(jīng)過穩(wěn)壓電路后，電壓波形變?yōu)椴ㄐ?。開關(guān)電源電路波形圖如圖1所示。

圖1 開關(guān)電源電路波形圖

開關(guān)電源的穩(wěn)壓電路一般采用晶體管開關(guān)、功率開關(guān)管開關(guān)、可控硅開關(guān)3種開關(guān)元件。開關(guān)型直流穩(wěn)壓電源的組成如圖2所示。圖中，整流濾波電路將50Hz工頻交流電壓變換為直流電壓；DC/AC變換電路將輸入的直流電壓變?yōu)楦哳l脈沖電壓，高頻整流濾波輸出電路將高頻脈沖電壓變換為直流輸出電壓?？刂齐娐芬讶繉?shí)現(xiàn)集成化，一般由脈沖發(fā)生器和保護(hù)控制電路兩部分組成。脈沖發(fā)生器的作用是產(chǎn)生受輸出電壓控制的脈寬(或頻率)可調(diào)信號(hào)，保護(hù)電路的作用是當(dāng)直流穩(wěn)壓輸出被短路或過載時(shí)立即終止輸出脈寬(或頻率)可調(diào)信號(hào)，使DC/AC變換電路的輸出電壓為0V。

圖2 開關(guān)型直流穩(wěn)壓電源的組成框圖

電源轉(zhuǎn)換過程中存在高頻脈沖電壓，會(huì)生成畸變的電流波形。非正弦周期信號(hào)可當(dāng)作是正弦函數(shù)的基波與諧波的合成。因此，可以將設(shè)備的畸變電流波形分解為基波和諧波。

諧波的危害是多方面的。諧波不僅使電能的產(chǎn)生、傳輸和利用的效率降低，使電氣設(shè)備過熱，產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲，并使絕緣老化，縮短使用壽命，還能引起繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置誤動(dòng)作。在電力系統(tǒng)內(nèi)部，諧波對(duì)通信設(shè)備和電子設(shè)備會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重干擾。因此，抑制諧波是非常必要的[1]。

2 加固計(jì)算機(jī)的諧波抑制方法

2.1 常用諧波抑制方法

解決諧波污染的方法總結(jié)起來(lái)有兩條：一條是增設(shè)諧波補(bǔ)償裝置來(lái)補(bǔ)償諧波，這條對(duì)各種諧波源都是適用的；另一條是對(duì)電力電子裝置本身進(jìn)行改造，使其不產(chǎn)生諧波，且功率因數(shù)可控制為1，這條只適用于作為主要諧波源的電力電子裝置。

增設(shè)諧波補(bǔ)償裝置的方法是在原來(lái)的電源電路中增加功率因數(shù)校正(PFC)電路，或改變已有的PFC電路，使其滿足測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)要求。PFC一般分為兩種類型，即主動(dòng)式和被動(dòng)式。

2.1.1主動(dòng)式PFC

主動(dòng)式PFC電路可以最大限度地提高功率因數(shù)，使其接近于1，這是目前較為理想的諧波電流解決方案。在主電源上串聯(lián)另一個(gè)電源變換器，它強(qiáng)迫電源緊密跟隨正弦型線電壓獲取電流。這樣的開關(guān)電源電路必須使用二級(jí)開關(guān)電路控制，其中一級(jí)開關(guān)電路用來(lái)控制電流諧波，另一級(jí)開關(guān)電路用作電壓調(diào)整。圖3為其原理示意圖。

圖3 主動(dòng)式PFC原理示意圖

2.1.2被動(dòng)式PFC

采用低頻濾波電路(電抗器)可以降低諧波成分到標(biāo)準(zhǔn)限值以下，這種措施屬于被動(dòng)式PFC。電路僅僅由一個(gè)低頻扼流圈組成，插入整流橋和濾波電容之間。其工作原理非常簡(jiǎn)單，低頻扼流圈的電感和整流電容以及分布電容共同組成一個(gè)低頻諧波電流濾波器。

2.1.3主被動(dòng)PFC比較

相對(duì)于被動(dòng)式PFC，主動(dòng)式PFC輸入電流有著更低的諧波含量，而且校正的功率因數(shù)可以達(dá)到0.99。對(duì)于較大功率的設(shè)備，主動(dòng)式PFC往往具有更好的諧波抑制效果，同時(shí)可有效降低設(shè)備功率，節(jié)約成本。

對(duì)于使用開關(guān)電源的較低功率的設(shè)備，被動(dòng)式PFC是一個(gè)比較好的抑制諧波的方法。這些較低功率的設(shè)備應(yīng)用PFC的主要目的是防止對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生低頻諧波干擾而不是僅僅提高功率因數(shù)。而在電源模塊內(nèi)部集成主動(dòng)式PFC模塊會(huì)造成電源整體功耗增加，散熱問題變得更加突出，電源故障率升高。在這種情況下，使用被動(dòng)式PFC是非常經(jīng)濟(jì)并且簡(jiǎn)單有效的解決方式[2]。

本文研究的目的就是使加固計(jì)算機(jī)能更好地通過CE101項(xiàng)目的要求，而且加固計(jì)算機(jī)是一種功率較小的設(shè)備(100W左右)，因此被動(dòng)式PFC方法更加適合于加固計(jì)算機(jī)的諧波抑制。

2.2 基于儲(chǔ)能方式的被動(dòng)式PFC

在加固計(jì)算機(jī)的電源前接入儲(chǔ)能器件，通過儲(chǔ)能器件的作用，在電源電流不連續(xù)時(shí)，電網(wǎng)電流仍然有回路流通；在電流突變時(shí)，抑制其突變峰值，如圖4所示，即在電網(wǎng)諧波抑制器中，串聯(lián)的電抗器L1抑制輸入電流的沖擊、平緩電流尖峰、補(bǔ)償負(fù)載電能需求；并聯(lián)的LC諧振回路(設(shè)計(jì)諧振點(diǎn)為50Hz的3～11倍頻)，可以使電流的奇次諧波分量從LC回路流回電網(wǎng)，維持電網(wǎng)電流連續(xù)；電抗器L1與LC諧振回路組合作用，將使電網(wǎng)電流波形盡量與正弦波近似。由于電網(wǎng)電流波形近似正弦，按照傅立葉變換公式，其奇次分量也將大大減小。

而后級(jí)L2，L3和C3，C4，C5組成的高次諧波濾波電路，又可以針對(duì)GJB151B—2013中CE102的干擾頻段進(jìn)行有效濾除。如此，通過與前級(jí)L1和C1，C2組成的低次諧波抑制電路的有機(jī)結(jié)合，將同時(shí)兼顧高、低次諧波抑制，以達(dá)到綜合濾波目的。

圖4 儲(chǔ)能方式諧波抑制基本原理圖

由于使用的元器件尺寸和質(zhì)量均較大，基于儲(chǔ)能方式研制的PFC電路往往難以集成于6U或者3U加固電源的內(nèi)部，因此需要采用其他形式放置于機(jī)箱內(nèi)部。由于現(xiàn)有加固計(jì)算機(jī)機(jī)箱的結(jié)構(gòu)限制，獨(dú)立的PFC電路往往在機(jī)箱內(nèi)比較難找到合適的安裝位置，只能作為通過電磁兼容試驗(yàn)的臨時(shí)措施。針對(duì)這種情況，考慮到目前大多數(shù)加固計(jì)算機(jī)為“6U模塊插入CPCI底板”的結(jié)構(gòu)形式，在進(jìn)行以電抗器為主要諧波抑制器件的儲(chǔ)能式PFC電路模塊(以下簡(jiǎn)稱電抗器模塊)的設(shè)計(jì)時(shí)，電抗器模塊的外形和安裝方式與加固電源保持相同，可安放在加固計(jì)算機(jī)原備用電源槽處，解決了傳統(tǒng)電抗器無(wú)法安裝在加固計(jì)算機(jī)內(nèi)部的問題，這非常適合目前多數(shù)加固計(jì)算機(jī)的實(shí)際情況。電抗器模塊本身在低頻情況下功耗很小，價(jià)格低于軍品級(jí)主動(dòng)式PFC模塊，因此電抗器模塊對(duì)加固計(jì)算機(jī)功耗、電源轉(zhuǎn)換效率和可靠性的影響要小得多，同時(shí)具有成本優(yōu)勢(shì)。

3 諧波抑制的試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 試驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)組成

受試系統(tǒng)由1臺(tái)驗(yàn)證加固計(jì)算機(jī)、1套調(diào)試電纜和1套標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)組成。機(jī)箱上前后面板設(shè)計(jì)有各對(duì)外連接器，機(jī)箱內(nèi)設(shè)計(jì)有1個(gè)MPⅡ主板、1個(gè)CPCI功能模塊、2個(gè)功率模塊、1個(gè)電源模塊。電抗器模塊占用備用電源模塊的位置。

驗(yàn)證用加固計(jì)算機(jī)中MPⅡ單板加固計(jì)算機(jī)模塊功率不大于25W，功率模塊不大于40W，PS5-34電源最大輸出功率為160W，電源轉(zhuǎn)換效率為80%。

電抗器模塊電氣特性：額定電壓300V，額定電流1A，對(duì)于諧波的插入損耗大于5dB，6U結(jié)構(gòu)形式。

諧波測(cè)量設(shè)備由兩部分組成：精密電源單元與測(cè)量?jī)x表單元。

要求電源部分能向被測(cè)設(shè)備提供良好的波形、負(fù)載能力和阻抗連續(xù)特性。國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)(GJB151B—2013)軍用設(shè)備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感度測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定測(cè)量?jī)x表單元必須是離散傅立葉變換(FFT)的時(shí)域測(cè)量?jī)x器，能夠連續(xù)、準(zhǔn)確地同時(shí)測(cè)量全部各次諧波所涉及的幅值、相位角等參數(shù)。

采用以FFT為頻譜分析原理的諧波測(cè)量?jī)x。測(cè)量?jī)x的前級(jí)為采樣電路、模-數(shù)變化器，后級(jí)為FFT分析儀(利用PC機(jī)實(shí)現(xiàn))。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

采用3.1所述的試驗(yàn)系統(tǒng)，進(jìn)行GJB151B—2013中CE101試驗(yàn)項(xiàng)目。首先在不安裝電抗器模塊及功率模塊的情況下，獲得了試驗(yàn)曲線，如圖5所示。從圖中可以看到5次、7次、9次、11次諧波均有超標(biāo)，其中11次諧波超標(biāo)最大，達(dá)3 dB左右。然后在安裝功率模塊但不安裝電抗器的情況下進(jìn)行了試驗(yàn)，獲得了圖6所示的試驗(yàn)曲線圖。從圖中可以看道，3次～17次內(nèi)的奇次諧波均超標(biāo)，范圍在0.2～4.0dB。通過以上兩次試驗(yàn)說(shuō)明了加固計(jì)算機(jī)負(fù)載越大，奇次諧波超標(biāo)范圍越廣，幅度越大，6U模塊電抗器內(nèi)部電路各參數(shù)要根據(jù)負(fù)載功率的情況來(lái)具體確定。第三次試驗(yàn)中，加固計(jì)算機(jī)增加了電抗器模塊，試驗(yàn)曲線表明所有諧波點(diǎn)均不超標(biāo)，3次～19次諧波衰減達(dá)7～35dB，試驗(yàn)曲線圖如圖7所示。通過試驗(yàn)充分說(shuō)明了電抗器模塊可以非常有效地抑制加固計(jì)算機(jī)電源線低頻傳導(dǎo)發(fā)射。

圖5 無(wú)負(fù)載無(wú)電抗器CE101試驗(yàn)曲線

圖6 有負(fù)載無(wú)電抗器CE101試驗(yàn)曲線

4 結(jié)束語(yǔ)

采用傳統(tǒng)的被動(dòng)式功率因數(shù)校正電路，然后結(jié)合加固計(jì)算機(jī)自身的特點(diǎn)，研制成模塊化、可快速裝卸、配置靈活的適用于加固計(jì)算機(jī)的電抗器模塊是本文最大的創(chuàng)新點(diǎn)。同時(shí)，本文通過試驗(yàn)驗(yàn)證了基于儲(chǔ)能方式的被動(dòng)式功率因數(shù)校正方法在加固計(jì)算機(jī)低頻傳導(dǎo)發(fā)射抑制方面的有效性，為加固計(jì)算機(jī)低頻傳導(dǎo)發(fā)射抑制提供了一種新的方法。

圖7 有負(fù)載有電抗器CE101試驗(yàn)曲線