楊 丹，康 強(qiáng)，金 暉，羅光耀，王 艷

（中國(guó)工程物理研究院應(yīng)用電子學(xué)研究所，四川 綿陽(yáng)621900；高功率微波技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 綿陽(yáng)621900）

1 引言

高功率脈沖電源各部組件工作電壓由幾十伏逐級(jí)提高到數(shù)百千伏，工作頻率分布在直流低頻到兆赫茲的范圍。不同電壓等級(jí)、電流強(qiáng)度和振蕩頻率的電路共存在一個(gè)系統(tǒng)，電磁環(huán)境相對(duì)復(fù)雜，電源系統(tǒng)自身的電磁兼容（EMC）設(shè)計(jì)呈現(xiàn)出重要性[1]。EMC 設(shè)計(jì)除了進(jìn)行系統(tǒng)電磁環(huán)境特性分析外，更多需要針對(duì)裝置和線路的具體特點(diǎn)問(wèn)題進(jìn)行實(shí)踐，既要通過(guò)性能測(cè)試檢驗(yàn)設(shè)計(jì)方案驗(yàn)證可行性，又要進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。

2 高功率脈沖驅(qū)動(dòng)電源電磁環(huán)境分析

高功率脈沖驅(qū)動(dòng)電源各個(gè)電子設(shè)備和功率元件工作在不同的頻率、電壓、功率狀態(tài)，因此系統(tǒng)自身就構(gòu)建了一個(gè)復(fù)雜的電磁環(huán)。脈沖功率源工作在高電壓、大電流模式，在重頻脈沖放電時(shí)會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)電磁波輻射[2]，而組成脈沖功率源的主要元件都屬于高壓大功率器件，具有較強(qiáng)的耐受能力。

脈沖驅(qū)動(dòng)電源的大功率火花開(kāi)關(guān)在瞬間電離開(kāi)關(guān)電極間的絕緣氣體，形成大電流傳輸通道，電流上升時(shí)間達(dá)到1 kA/ns，峰值電流超過(guò)10 kA，高頻電磁輻射出現(xiàn)在脈沖電流上升階段。當(dāng)開(kāi)關(guān)重頻工作時(shí)，連續(xù)輻射的強(qiáng)電磁脈沖將對(duì)低壓和弱電元件產(chǎn)生持續(xù)干擾，甚至造成敏感元件的功能喪失。多開(kāi)關(guān)同步運(yùn)行的脈沖源可等效為多個(gè)輻射單元在同時(shí)工作，其電磁脈沖損傷效應(yīng)將大于單開(kāi)關(guān)工作狀態(tài)。

電磁輻射源通過(guò)近場(chǎng)耦合和遠(yuǎn)場(chǎng)輻射的方式形成高頻電磁脈沖傳導(dǎo)和輻射干擾。在高壓脈沖電源強(qiáng)電磁環(huán)境中，電磁脈沖通過(guò)信號(hào)線、控制線、電源線等線纜進(jìn)行線束傳輸，直接侵入敏感部件，影響電子設(shè)備工作穩(wěn)定性[3]；而空間輻射的干擾波形頻率多集中在1 GHz 以內(nèi)，且強(qiáng)度和范圍分別隨距離和輻射源角度變化。圖1 給出了某脈沖驅(qū)動(dòng)源電磁輻射干擾的典型測(cè)試波形。

實(shí)驗(yàn)表明，脈沖驅(qū)動(dòng)源運(yùn)行時(shí)不同測(cè)量位置處均可測(cè)得強(qiáng)電磁脈沖傳導(dǎo)干擾和空間干擾波形，其中以近高壓開(kāi)關(guān)處波形幅值最大。通過(guò)頻域分析，幅值最大處多集中在20 MHz以內(nèi)。由此可見(jiàn)，強(qiáng)電磁脈沖干擾多產(chǎn)生于開(kāi)關(guān)導(dǎo)通瞬間電路中通過(guò)的大電流。

圖1 脈沖驅(qū)動(dòng)源電磁輻射干擾測(cè)試波形

3 脈沖驅(qū)動(dòng)電源的電磁兼容問(wèn)題

脈沖驅(qū)動(dòng)源的前級(jí)充電單元包括了MOSFET觸發(fā)電路、PWM 產(chǎn)生電路、穩(wěn)壓電路、光電轉(zhuǎn)換電路等，含有眾多敏感元件，在電磁干擾作用下易失效。高低壓線纜及接地網(wǎng)絡(luò)交織在一起，頻率范圍寬、相互影響概率較大。

脈沖驅(qū)動(dòng)電源控制單元產(chǎn)生多路高精度延時(shí)觸發(fā)信號(hào)，控制電源按既定時(shí)序關(guān)系運(yùn)行?？刂茊卧ぷ麟妷簽榈蛪褐绷麟?，輸出控制信號(hào)皆為T(mén)TL 等低壓信號(hào)，屬于電源系統(tǒng)中電磁干擾的敏感設(shè)備。

隨著脈沖功率源性能提升，di/dt 和dv/dt 等電參數(shù)的增大，一方面給低壓電路和電子線路帶來(lái)大量的電磁兼容問(wèn)題；另一方面，高壓脈沖放電時(shí)的瞬時(shí)地電位抬高也會(huì)對(duì)低壓電路帶來(lái)擾亂。為確保系統(tǒng)正常工作不受強(qiáng)電磁脈沖干擾影響，需要采取屏蔽、隔離、接地等技術(shù)途徑并結(jié)合抑制材料、元器件選型、工程布線等手段提高系統(tǒng)的電磁兼容能力。

4 電磁干擾防護(hù)措施

4.1 高壓電源電磁輻射隔離設(shè)計(jì)

脈沖驅(qū)動(dòng)源充電單元結(jié)構(gòu)示意圖如圖2 所示，包括高壓模塊、低壓模塊和觸控組件3 部分。大法蘭盤(pán)首先對(duì)火花開(kāi)關(guān)輻射的電磁脈沖進(jìn)行隔離，高壓法蘭盤(pán)和低壓法蘭盤(pán)對(duì)透射進(jìn)來(lái)的電磁波再起到雙重屏蔽作用。脈沖前沿10 ns 的電磁波透入深度不足0.1 mm，采用5 mm 鋁板可同時(shí)起到結(jié)構(gòu)支撐和電磁隔離的作用。為了保護(hù)觸發(fā)電路、控制電路等敏感電路免受來(lái)自脈沖功率源和高壓模塊的電磁脈沖干擾，在其外部設(shè)計(jì)一個(gè)厚2 mm 的不銹鋼外殼。

圖2 脈沖充電單元結(jié)構(gòu)示意圖

為了減小單元傳導(dǎo)干擾，在有電源輸入的地方使用了電源濾波器，在有低壓信號(hào)輸出的地方采用信號(hào)濾波器等防護(hù)措施。在充電單元輸出端增加一組反峰抑制電路，防止脈沖驅(qū)動(dòng)源的反向高壓脈沖沿線路侵入低壓電路。

4.2 低壓驅(qū)動(dòng)電路電磁干擾保護(hù)

充電單元全橋逆變器工作電壓高，采用脈沖變壓器隔離驅(qū)動(dòng)的方法。在觸發(fā)電路的基礎(chǔ)上，每路驅(qū)動(dòng)電路增加了脈沖變壓器隔離電路。

PWM 控制器將反饋環(huán)路上的光耦更改成磁耦，通過(guò)隔離變壓器將采樣到的直流電壓變換成交流信號(hào)，通過(guò)變壓器傳遞，然后在原邊側(cè)要兩次整流變成PWM 控制器能接收的直流信號(hào)。磁反饋可靠性高、抗輻噪能力強(qiáng)、受溫度影響小，適用于強(qiáng)電磁輻射環(huán)境。

4.3 信號(hào)傳導(dǎo)與屏蔽

典型的傳導(dǎo)干擾途徑主要有信號(hào)傳輸線纜、通信連接線纜、電源線等。為此，在信號(hào)傳輸與通信連接的線纜選擇上，經(jīng)過(guò)光電轉(zhuǎn)換處理，采用全光纖數(shù)據(jù)接口的數(shù)字化信息傳輸網(wǎng)絡(luò)。

消除通信線纜形成的干擾途徑后，高功率脈沖驅(qū)動(dòng)電源系統(tǒng)主要需要消除從電源線傳入的干擾信號(hào)。為此，采用“隔離變壓器+DC/DC 多級(jí)隔離”方式提供低壓弱電敏感設(shè)備的電源輸入，減少電壓波動(dòng)和電源線路串?dāng)_的影響。電源濾波器加裝在屏蔽機(jī)柜接入側(cè)，用于抑制電源線纜引入的干擾噪聲。

4.4 脈沖驅(qū)動(dòng)電源接地

脈沖功率源外殼作為高壓電脈沖輸出時(shí)的低壓回路，該殼體同時(shí)為驅(qū)動(dòng)電源系統(tǒng)的公共高壓接地點(diǎn)，低壓控制系統(tǒng)的接地點(diǎn)不得與脈沖高壓直接共地。

充電單元包含高壓、低壓、高頻、低頻多種不同的電路單元，宜采用混合接地法。低頻電路采用單點(diǎn)接地法，高頻電路采用多點(diǎn)接地法，然后將各類(lèi)地的最佳參考點(diǎn)通過(guò)地線再連接到同一參考地電位點(diǎn)上，以形成統(tǒng)一的地電路系統(tǒng)。

控制單元中有多種電子線路，地線應(yīng)分組敷設(shè)，其中，信號(hào)地線采用“懸浮地”，屏蔽機(jī)箱外殼可靠接地，形成電氣通路，為屏蔽箱體上的電荷提供泄放通路。

5 結(jié)論

火花開(kāi)關(guān)是高功率脈沖電源強(qiáng)電磁脈沖輻射的主要來(lái)源，低壓電路和控制單元是電源系統(tǒng)電磁防護(hù)的重點(diǎn)對(duì)象，通過(guò)對(duì)線間傳導(dǎo)和空間耦合兩種侵入方式的抑制，同時(shí)改進(jìn)系統(tǒng)接地，可以有效解決高功率脈沖電源強(qiáng)電磁脈沖干擾問(wèn)題。