苗潤興，孫明輝，趙旭東，陳澤南，劉守城

1.新華報業(yè)傳媒集團，江蘇 南京 210092

2.南京師范大學(xué)電氣與自動化工程學(xué)院，江蘇 南京 210042

電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展使電氣系統(tǒng)器件越來越智能化、微型化，不同功率器件的開關(guān)頻率和輸出功率要求也在不斷提高，因此電磁兼容性問題日益突出。電子設(shè)備應(yīng)滿足國家標準，在復(fù)雜的電磁環(huán)境下能夠?qū)崿F(xiàn)可靠工作，同時又不會影響其他設(shè)備的使用。如何在不同電磁環(huán)境下正確選擇有效抑制電磁干擾的元器件已經(jīng)成為相關(guān)研究人員重點關(guān)注的問題。磁環(huán)具有結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜、使用方便且可靠性高等優(yōu)點，被廣泛用于改善電氣系統(tǒng)電磁兼容性能，也是抑制電磁干擾最常用的方法之一。

1 磁環(huán)的工作原理和阻抗特性

磁環(huán)是由高磁導(dǎo)率磁性材料與鎂、鋅、鎳等一種或多種其他金屬混合制成的鐵氧體。不同材料制作的磁環(huán)基本特性不同，如鎳鋅磁環(huán)低頻阻抗小，高頻阻抗大，相對磁導(dǎo)率低；錳鋅磁環(huán)低頻阻抗大，高頻阻抗小，相對磁導(dǎo)率高。磁環(huán)一般由單匝或多匝導(dǎo)線穿過。將磁環(huán)放置在線纜上，等效于串入一個電阻和一個電感，電阻影響磁環(huán)的渦流和剩余損耗，電感影響磁環(huán)的飽和特性。低頻時，鐵氧體磁芯呈現(xiàn)極低的阻抗，此時穿過磁環(huán)的電流幾乎無衰減通過；高頻時，阻抗增大，感抗分量仍然較小，電阻迅速增加，主要呈電阻性，等效于一個品質(zhì)因數(shù)特別低的電感。在較寬的頻率范圍內(nèi)保持高阻抗，磁環(huán)加到線纜上相當于一個衰減的濾波器，從而提高了磁環(huán)的高頻濾波性能。磁環(huán)的阻抗值與傳輸信號的頻率有關(guān)，當傳輸?shù)男盘栴l率比較高時，磁環(huán)的阻抗值會快速增加，信號容易輻射出去，加上一般情況下周圍環(huán)境沒有屏蔽信號，正常信號的傳輸幾乎沒有損耗，但高頻噪聲信號會被抑制。由于鐵氧體在低頻帶時，其阻抗值大小非常低，信號在傳輸?shù)倪^程中能夠正常通過，當頻率增加至10MHz時，鐵氧磁體的阻抗值大小會急劇增加，主要是實部分量以7倍數(shù)的增加，而虛部分量還是保持比較小的值。當高頻能量通過磁性材料時，電阻元件將能量轉(zhuǎn)換成熱能并將其消散。這樣一來，信號在傳輸?shù)倪^程中，低頻信號能夠正常通過，高頻噪聲信號則會受到抑制。磁環(huán)的阻抗特性圖如圖1所示。其中，Z是阻抗曲線，R是電阻曲線，XL是電抗曲線。

圖1 磁環(huán)的阻抗特性曲線圖

式中：Z為阻抗；V為電壓；I為電流；P為功率；L為電感；M為互感；i1和i2分別為繞組上電流。

鐵氧磁體制成的磁環(huán)等效模型如圖2所示，由于磁環(huán)與線纜之間存在互感，因此導(dǎo)致噪聲電流值降低，輻射能量減少。

圖2 磁環(huán)等效模型圖

2 EFT破壞機理建模與危害

（1）生成機理。電氣快速瞬變是由繼電器跳閘、隔離開關(guān)切空載變壓器、電機等感應(yīng)裝置產(chǎn)生的。由于這些感應(yīng)裝置一般在系統(tǒng)的內(nèi)部，因此電磁干擾會發(fā)生在電力系統(tǒng)的內(nèi)部。在感性負載電路中，當重復(fù)切換時，脈沖組會以相應(yīng)的時間間隔重復(fù)產(chǎn)生。感性負載電路中，切換小電感負載產(chǎn)生的脈沖、繼電器電擊跳躍產(chǎn)生的脈沖、高壓開關(guān)器件開關(guān)產(chǎn)生的脈沖這三種脈沖一般為電快速瞬變脈沖。電快速瞬變脈沖形成的原理電路如圖3所示。

圖3 電快速瞬變脈沖形成的原理電路

由圖3可知，當切斷開關(guān)K時，支路R和L的電流會流向雜散電容C0進行充電，給C0一個反向電壓，其中，R0為導(dǎo)線等效電阻、L0為回路的雜散電感，US為電源，根據(jù)電路的基本原理，可以得出如下的二階動態(tài)電路方程：

（2）破壞機理和危害。單向三線制的被測電氣電子設(shè)備的簡化結(jié)構(gòu)圖如圖4所示，EFT發(fā)生器通過50cm長的電纜線傳導(dǎo)耦合噪聲、輻射耦合噪聲以及兩者之間的干擾疊加傳導(dǎo)被測設(shè)備。在單向三線制的被測電氣設(shè)備中，EFT測試的噪聲來源比較復(fù)雜，且噪聲會受到空間的電磁場的耦合影響，這樣就增加了其機理分析的難度。由于電氣電子設(shè)備面臨上述的傳導(dǎo)干擾而出現(xiàn)失效的可能性，這樣就直接影響了設(shè)備的制作成本預(yù)算。

圖4 單向三線制的被測電氣電子設(shè)備的簡化結(jié)構(gòu)圖

3 磁環(huán)在EFT中應(yīng)用

（1）產(chǎn)品介紹。某公司生產(chǎn)的紅光和藍光治療儀如圖5所示，其使用窄光譜光源發(fā)射冷光，當其照射皮膚時，其能量會轉(zhuǎn)化成細胞的能量，并且能夠改變細胞的結(jié)構(gòu)，一般會采用高純度、高功率密度照射，即便如此也不會傷到皮膚，因此是比較安全有效的美白皮膚、治療痤瘡的儀器。

圖5 紅藍光治療儀

（2）問題敘述?！峨姶偶嫒菰囼灪蜏y量技術(shù)電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗》（GB/T 17626.4—2008）中相關(guān)標準規(guī)定的脈沖群測試試驗等級如表1所示。中國醫(yī)藥行業(yè)使用的測試電壓等級為表1中的2、3等級，電壓的峰值為1kV和 2kV。

表1 脈沖群測試試驗等級

（3）問題診斷與分析。對設(shè)備進行原理性分析，首先檢查地線是否正常，然后檢查電源線的情況，最后檢查功率PCB板和控制PCB板。檢查發(fā)現(xiàn)電源線使用的是非屏蔽雙絞線，與屏蔽雙絞線對比發(fā)現(xiàn)電子信號不是很純凈，對于一些電路敏感的地方?jīng)]有做有效的電磁防護措施，PCB板缺少瞬態(tài)抑制二極管保護電路，這樣在高頻頻段的電壓信號會對數(shù)字部分電路的部分功能失去控制，從而導(dǎo)致設(shè)備操作出現(xiàn)故障或者無響應(yīng)。

（4）整改措施及理論分析。兩個電路共用相同的接地回路的地線共阻抗模型如圖6所示，根據(jù)電路的基本原理，可以得到以下方程：

圖6 地線共阻抗模型

由上式可見，增大Ri1、Ri2或者減小RL2、Zg，都可以減小Un值。

串聯(lián)共模扼流圈如圖7所示，經(jīng)過測試可知，文章提出的加磁環(huán)方法能夠有效抑制電磁干擾，加磁環(huán)前后部分頻點的數(shù)據(jù)對比如表2所示。

表2 卡磁環(huán)前后噪聲對比

圖7 串聯(lián)共模扼流圈

選取10MHz、12MHz、15MHz和30MHz4個頻點，可以看出在未加磁環(huán)后的初始噪聲值很大，在電源線加磁環(huán)后，噪聲降至60dBμV/m以下；在信號線加磁環(huán)后，噪聲水平降至35dBμV/m以下，和相關(guān)標準相比，均有超過15dBμV/m裕量。因此，文章提出的在電源線和信號線加磁環(huán)的方法能有效抑制電磁干擾噪聲。

4 結(jié)束語

文章分析了磁環(huán)的工作原理和阻抗特性以及EFT的機理和建模，通過對某公司紅光和藍光治療儀的整改分析，驗證了在電源線和信號線上加磁環(huán)的方法可以有效抑制電磁干擾噪聲。在不同頻率下，對電源線和信號線加磁環(huán)后，電磁干擾噪聲都有了明顯的減小，對以后此類產(chǎn)品的電磁干擾整改有著重要的參考意義。