紀(jì)文東,毛涌捷,趙 益

(中車青島四方車輛研究所有限公司 電氣電子事業(yè)部,山東 青島 266031)

軌道交通車輛電源裝置通過DC/DC、AC/DC 等變換形式實(shí)現(xiàn)供電轉(zhuǎn)換,變換過程中IGBT、MOSFET和IPM 等功率器件開關(guān)過程將產(chǎn)生較強(qiáng)的電磁干擾,電磁干擾會通過電纜并以空間磁場耦合的形式分別形成傳導(dǎo)發(fā)射和輻射發(fā)射。對于傳導(dǎo)發(fā)射,往往可以通過濾波、接地等電路設(shè)計(jì)得到較好的抑制。反觀無法具象化的輻射發(fā)射的抑制是電源裝置設(shè)計(jì)過程中的難點(diǎn),也是容易忽視的一點(diǎn)。由于輻射發(fā)射類的電磁干擾極易串?dāng)_車輛電氣設(shè)備,特別是影響車輛運(yùn)行的控制設(shè)備,以及旅客攜帶的敏感電子儀器(如心臟起搏器),危害車輛安全可靠運(yùn)行和旅客身體健康[1]。因此,抑制軌道交通車輛電源裝置輻射發(fā)射意義重大。

1 電磁兼容試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)和要求

目前,國內(nèi)外軌道車輛電源裝置適用的電磁兼容試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)主要有EN 50121-3-2:2016[2]、IEC 62236-3-2:2018[3]和GB/T 24338.4—2018[4],三項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)相互對應(yīng),針對輻射發(fā)射的測試方法和限值相同。采用如圖1所示的測試方法,將被測設(shè)備放置于10 m 法電波暗室,輻射發(fā)射測試頻率不大于1 000 MHz,限值要求如下:在30～230 MHz頻率范圍內(nèi),限值40 dBμV/m準(zhǔn)峰值;在230～1 000 MHz 頻率范圍內(nèi),限值47 dBμV/m 準(zhǔn)峰值[4]。

圖1 測試方法示意圖

2 輻射發(fā)射抑制原理

對于電源裝置的輻射發(fā)射抑制主要分為抑制干擾源和切斷耦合路徑2種方式[5]。電源裝置輻射發(fā)射干擾源主要由IGBT、MOSFET 和IPM 等功率器件的開關(guān)過程以及回路中的共模電流形成。功率器件在開通關(guān)斷瞬間,會產(chǎn)生較大的du/dt和di/dt,并在周圍空間產(chǎn)生輻射磁場[6]。回路中的共模電流往往通過電源裝置內(nèi)的接地結(jié)構(gòu)或公共結(jié)構(gòu)傳輸?shù)诫娎|上,電纜與大地(或鄰近其他大型導(dǎo)體)形成環(huán)路面積,也將會產(chǎn)生較強(qiáng)的輻射磁場[7]。抑制干擾源就是在電源內(nèi)部電路上盡量減小開關(guān)過程中產(chǎn)生的du/dt和di/dt,合理設(shè)計(jì)接地回路以及濾波參數(shù),減少共模電流。切斷耦合路徑的主要措施為屏蔽強(qiáng)輻射干擾源[8]。

3 輻射發(fā)射抑制措施

從減小共模電流角度,推薦使用鐵氧體磁環(huán),其在抑制高頻共模電流方面效果顯著[9],能同時抑制共模電流的傳導(dǎo)發(fā)射和輻射發(fā)射,磁環(huán)應(yīng)盡量放置在箱體出線口處,直流回路線纜應(yīng)注意正負(fù)線同時穿過磁環(huán)。箱體內(nèi)部布線應(yīng)避免交叉和距離過近的情況,電源線電纜、信號線和控制線應(yīng)當(dāng)分開布置,必要時可對電源線電纜施加屏蔽,屏蔽層應(yīng)滿足雙端接地。

從屏蔽強(qiáng)輻射干擾源角度上,要保證電源裝置屏蔽連續(xù)性。原則上,只有電源裝置的箱體外殼呈現(xiàn)出完整的、閉合的金屬殼體,同時單點(diǎn)接地,即形成法拉第籠時,才能有效的隔絕箱體內(nèi)外的電磁干擾。因此,只有保證箱體整體屏蔽結(jié)構(gòu)的連續(xù)性,輻射發(fā)射的抑制才能達(dá)到最佳效果[10]。本文針對箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中容易忽略的地方,列舉了幾種參考措施。

3.1 箱體門板接地、屏蔽設(shè)置

軌道交通車輛電源裝置通常安裝于車下,因有防護(hù)等級要求,在門板和箱體結(jié)合處會設(shè)置密封膠條,箱體和門板均做噴漆處理。一些電源裝置在設(shè)計(jì)時,門板通過箱體接地的途徑僅靠箱門閉合時,拉緊門鎖鎖舌(圖2)與箱體內(nèi)部擋塊之間的接觸。這種接觸式接地的方式極不可靠,極易形成輻射發(fā)射的泄露缺口。

圖2 門鎖鎖舌示意圖

為避免上述問題,在箱體設(shè)計(jì)時,可以采取以下2種措施:

(1) 在保證箱門正常開合的前提下,可在門板和箱體上均設(shè)置接地柱,通過盡可能短的接地線連接,如圖3所示,從而實(shí)現(xiàn)可靠接地。

圖3 門板與箱體接地示意

(2) 使用導(dǎo)電密封膠條代替橡膠材質(zhì)密封膠條,如圖4所示。門板粘貼密封膠條位置,以及箱體與門板接觸位置不噴漆,鍍鋅處理。導(dǎo)電密封膠條含有導(dǎo)電微粒,被廣泛應(yīng)用于需要密封和電磁屏蔽的場合,通過這樣的設(shè)計(jì)可以保證箱門閉合時屏蔽結(jié)構(gòu)的連續(xù)性,有效防止輻射發(fā)射泄漏。

圖4 門板密封膠條示意圖

3.2 箱體焊接方式

電源裝置箱體常見的焊接方式為斷續(xù)焊,同時為保證箱體的密封性,使用密封膠封堵箱體斷續(xù)焊縫間隙,如圖5所示。這種焊接和密封處理方式會造成箱體的焊接縫隙分布廣泛,且密封膠不具備導(dǎo)電性,無法保證箱體屏蔽結(jié)構(gòu)的連續(xù)性,引起輻射發(fā)射泄漏[11]。建議在滿足工藝要求的條件下,箱體的焊接方式可以由斷續(xù)焊改為滿焊。

圖5 斷續(xù)焊示例圖

3.3 散熱片接地設(shè)置

為滿足電源裝置功率開關(guān)器件散熱需求,采用自然散熱方式的電源裝置通常設(shè)有較大尺寸的散熱片,散熱片外露,如圖6所示。若散熱片無接地設(shè)計(jì),就相當(dāng)于大面積的輻射天線。為了抑制輻射發(fā)射,務(wù)必在散熱片內(nèi)側(cè)設(shè)置接地柱,同時在功率模塊框架上設(shè)置接地柱,通過盡可能短的接地線將兩者連接,將干擾信號通過地線引出。

圖6 散熱片示例圖

3.4 濾波器安裝設(shè)計(jì)

電源裝置大多使用無源EMI濾波器,在選型設(shè)計(jì)時,除了需要滿足自身阻抗與干擾源阻抗和負(fù)載阻抗匹配外,還需注意調(diào)整輸入、輸出EMI濾波器的安裝位置,使之與電源裝置對外接口部分的連接線盡可能短且無交叉,以防止串入相鄰電纜上的大電流產(chǎn)生的輻射干擾,串入的干擾會通過電源裝置對外接線向外發(fā)射,造成對外接口部分的輻射發(fā)射值超標(biāo)。

EMI濾波器外殼為導(dǎo)電材質(zhì),無論通過安裝板還是直接安裝于箱體上,濾波器外殼都應(yīng)大面積地緊貼安裝面,且安裝面不建議噴漆,可改為鍍鋅處理,如圖7所示。同時,設(shè)置接地柱將濾波器接地螺柱就近接地,安裝板接地柱與箱體接地柱再通過接地線連接。

圖7 濾波器安裝示例圖

3.5 箱體通風(fēng)部分設(shè)計(jì)

采用自然散熱方式的電源裝置,其使用的磁性元件通常放置于通風(fēng)腔體,腔體采用開孔的金屬門板封閉,例如百葉窗結(jié)構(gòu),這樣會導(dǎo)致磁性元件產(chǎn)生的輻射發(fā)射從縫隙中泄露。常用的屏蔽措施為在此類結(jié)構(gòu)的內(nèi)側(cè)鉚接波導(dǎo)窗板,如圖8所示,波導(dǎo)窗因良好的電磁屏蔽效果,被廣泛應(yīng)用于需要通風(fēng)散熱和電磁屏蔽的場合,可有效降低輻射發(fā)射。

圖8 百葉窗和波導(dǎo)窗示例圖

4 產(chǎn)品優(yōu)化后的試驗(yàn)

某型電源裝置依據(jù)GB/T 24338.4—2018中規(guī)定的測試方法和要求,進(jìn)行輻射發(fā)射項(xiàng)目的試驗(yàn)測試,測試頻率范圍對應(yīng)的峰值限制如表1所示。

表1 輻射發(fā)射機(jī)箱端口測試要求

測試天線距離被測設(shè)備3 m,第一次測試的摸底結(jié)果顯示,被測產(chǎn)品在30～40 MHz頻段內(nèi),在不確定的角度上輻射發(fā)射準(zhǔn)峰值超標(biāo),超出限值2.23 dB,測試曲線如圖9所示。

圖9 整改優(yōu)化前的測試曲線

按照上文列舉的優(yōu)化方法,對被測產(chǎn)品進(jìn)行優(yōu)化處理,再次測試,測試曲線如圖10所示。測試結(jié)果顯示,被測產(chǎn)品在30～40 MHz頻段內(nèi),輻射發(fā)射準(zhǔn)峰值已降低至40 dBμV/m 以下,符合檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)要求,整改優(yōu)化效果顯著。

圖10 整改優(yōu)化后的測試曲線

5 結(jié)束語

隨著國內(nèi)外軌道交通行業(yè)的快速發(fā)展,軌道交通車輛電源裝置在機(jī)械結(jié)構(gòu)、原理拓?fù)涞确矫嫒遮厪?fù)雜和多樣,開關(guān)頻率也在不斷提高,這對電源裝置的輻射發(fā)射性能提出了更高的要求。本文介紹的部分抑制措施已在軌道交通車輛電源裝置中普遍應(yīng)用,取得了不錯的效果,可以借鑒參考。對于產(chǎn)品電磁兼容性能優(yōu)化,應(yīng)在設(shè)計(jì)初期充分考慮,結(jié)合應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)、仿真分析[12],借助專業(yè)儀器,達(dá)到對于不同干擾源、干擾耦合路徑的識別,進(jìn)而采取相應(yīng)措施,徹底解決輻射發(fā)射超標(biāo)問題。