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冰箱內(nèi)部導(dǎo)線傳導(dǎo)耦合原理分析

 

傳導(dǎo)耦合是騷擾源與敏感器件之間的主要耦合途徑之一，分為電容性耦合和電感耦合兩種方式。由于變頻冰箱的結(jié)構(gòu)出現(xiàn)電容性耦合的概率要大于電感性耦合，本文只對(duì)電容性耦合進(jìn)行分析，圖1為導(dǎo)體間電容式耦合的簡單表示方法。

 

圖1 導(dǎo)體間電容式耦合的簡單表示方法

 

由冰箱實(shí)際結(jié)構(gòu)可知，騷擾源壓縮機(jī)UVW線的電壓為U1，被擾體電源線與地之間耦合的騷擾電壓Un表示為：

 

 

式中：

C12—壓縮機(jī)UVW線與電源線之間的分布電容；

C2G—電源線與地之間的電容；

R—電源線與地之間的阻抗；

f—騷擾電壓的頻率。

當(dāng)R為高阻抗，即滿足：

則，由（1）可簡化為：

式（2）表明，此時(shí)騷擾的大小接近于恒定值圖片，在電源線與地之間產(chǎn)生的電容性耦合騷擾電壓與頻率無關(guān)，僅C12與C2G的分壓比有關(guān)，所以應(yīng)設(shè)法降低C12或加大C2G。

 

從（2）中可以看出在，當(dāng)被擾體與地之間距離保持不變時(shí)，即C2G保持不變，要消除耦合干擾對(duì)冰箱的影響，就必須要減小UVW線與電源線之間的分布電容C12。結(jié)合冰箱實(shí)際情況，冰箱內(nèi)部導(dǎo)線長度遠(yuǎn)大于導(dǎo)線直徑，則得出如下公式：

式中：

C—騷擾源與被擾體之間的線間電容；

l—冰箱內(nèi)部導(dǎo)線實(shí)際長度；

d—騷擾源與被擾體的間距；

a—導(dǎo)線直徑；

—常數(shù)。

 

從（3）可知：要減小騷擾源與被擾體之間的線間電容C，必須縮短導(dǎo)線的長度或增大導(dǎo)線間的距離。由于圖片,所以減小兩根導(dǎo)線之間的面積，也可以減小耦合電容，而減小接觸面積就是要使UVW線與電源線不要平行走線，盡可能保持相互垂直。

 

樣品選擇與影響因素

 

以某風(fēng)冷變頻冰箱（BCD-529）為研究樣本，如圖2所示，實(shí)驗(yàn)室選擇電磁屏蔽室，測試儀器采用：EMI接收機(jī)、功率吸收鉗、V型人工電源網(wǎng)絡(luò)等。

 

圖2 實(shí)驗(yàn)用BCD-529冰箱

 

測試方法嚴(yán)格按照國標(biāo)GB 4343.1-2018《家用電器、電動(dòng)工具和類似器具的電磁兼容要求第一部分：發(fā)射》執(zhí)行，騷擾電壓、騷擾功率測試為空載，環(huán)境溫度為25℃，冰箱箱內(nèi)溫度穩(wěn)定以后分別進(jìn)行騷擾電壓、騷擾功率測試，頻譜曲線如圖3，騷擾功率滿足、騷擾電壓測試滿足測試限值（火線測試情況相同）。

 

圖3 運(yùn)行穩(wěn)定下騷擾功率、零線騷擾電壓頻譜曲線

 

為解決冰箱箱內(nèi)傳導(dǎo)耦合的影響，我們提出取消獨(dú)立濾波器，采用從主板出線的方式，減少箱體內(nèi)傳導(dǎo)耦合的影響。去除獨(dú)立濾波器會(huì)導(dǎo)致整個(gè)濾波電路的阻抗特性發(fā)生變化，會(huì)導(dǎo)致騷擾功率、騷擾電壓裕量減少甚至超標(biāo)，如圖4數(shù)據(jù)，騷擾電壓、功率數(shù)據(jù)明顯變差。

 

圖4 取消濾波器后騷擾功率、零線騷擾電壓頻譜曲線

 

01、阻性負(fù)載的影響

 

根據(jù)主控板PCB布局以及冰箱負(fù)載分析得出：箱內(nèi)線性器件化霜加熱器為敏感器件，箱內(nèi)壓縮機(jī)UVW線為干擾源，化霜加熱器在箱體內(nèi)的位置與壓縮機(jī)UVW線的位置滿足傳導(dǎo)耦合的條件，導(dǎo)致干擾通過化霜加熱器流入電源線中，從而導(dǎo)致冰箱電磁騷擾超標(biāo)。

 

針對(duì)該問題，將化霜加熱器取電位置改為主板濾波電路后。即把濾波電路前端取電的阻性負(fù)載（如化霜加熱器、翻轉(zhuǎn)梁加熱器）調(diào)整至濾波電路后端取電，讓干擾通過濾波電路濾波，防止出現(xiàn)濾波失效的問題。由圖5可以看出，優(yōu)化后騷擾電壓裕量增加，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

 

圖5 調(diào)整阻性負(fù)載騷擾電壓頻譜曲線

 

02、濾波電路器件選型的影響

 

濾波電路器件選型：由電容電感阻抗公式可知（感抗、容抗），電容阻抗隨頻率增大減小，電感相反。且家用電器產(chǎn)生的輻射騷擾一般屬于高頻共模騷擾，在產(chǎn)生共模干擾的路徑上加上共模扼流圈對(duì)騷擾的抑制可以起到很好的效果。在電路中共模電感選擇一大一小兩種規(guī)格，由電感結(jié)構(gòu)可知，當(dāng)干擾經(jīng)過繞組時(shí)，兩個(gè)繞組的磁通方向相同，總電感量增大，對(duì)共模干擾呈現(xiàn)高阻抗，阻礙其通過。若電源線中差模成分較多，可人為地增加共模扼流圈的漏電感，提高差模電感量，與差模電容組成低通濾波器用來抑制電源線上存在的差模騷擾。適當(dāng)增大第二個(gè)扼流圈感量，可以改善低頻，從而能夠有效的抑制高頻和低頻的電磁干擾。

 

針對(duì)于變頻冰箱產(chǎn)品，X電容跨接在輸出端，也可并聯(lián)在輸入端，選用陶瓷電容，常用容量范圍是0.1～0.47uF；Y電容采用薄膜電容，冰箱屬于Ⅰ類駐立式電動(dòng)類家電產(chǎn)品，其泄漏電流不能超過3.5mA，其容量范圍大致是1-4.7nf。

 

由容抗公式，（）：增大Y電容，導(dǎo)致濾波電路低頻插損高，高頻插損降低，低頻有改善，高頻處出現(xiàn)裕量不足。所以在電路設(shè)計(jì)初，可根據(jù)諧振頻率計(jì)算公式計(jì)算出電路實(shí)際諧振頻率，再根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行元器件型號(hào)的調(diào)整。

 

優(yōu)化方案

 

因此我們針對(duì)冰箱干擾特性，優(yōu)化濾波電路的結(jié)構(gòu)及布局，達(dá)到提高濾波效果的目的；利用電容電感的阻抗特性，提高濾波電路低頻、高頻電磁干擾的抑制能力，更好地解決冰箱產(chǎn)生的電磁騷擾。

 

通過通過對(duì)電容電感特性以及冰箱電磁干擾機(jī)理的研究分析，重新設(shè)計(jì)濾波電路，該電路主要有X電容C1-C3、Y電容C4-C5、共模電感L1、L2組成。

電路中X電容接于零火線之間，分布在兩個(gè)共模電感周圍，Y電容分別連接于火線與地之間、零線與地之間。阻性負(fù)載調(diào)整至濾波電路后端。由電容電感阻抗特性可知，電容阻抗隨頻率增大減小，電感相反。電容能將高頻干擾去掉，從而達(dá)到通低頻阻高頻的作用。此時(shí)由變頻冰箱產(chǎn)生的高頻干擾一部分通過Y電容導(dǎo)入地線中，剩余部分通過感量較小的共模電感進(jìn)行抑制；冰箱產(chǎn)生的低頻干擾部分，剩余部分通過感量較大的共模電感進(jìn)行抑制。避免過多的干擾直接流入電網(wǎng)。

 

優(yōu)化后測試騷擾功率、騷擾電壓數(shù)據(jù)如圖6所示，均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求且具有較大余量。

 

圖6 優(yōu)化后騷擾功率、騷擾電壓頻譜曲線

 

結(jié)論

 

通過對(duì)冰箱傳導(dǎo)耦合和針對(duì)冰箱濾波電路的研究分析，以實(shí)際冰箱為載體進(jìn)行測試驗(yàn)證和設(shè)計(jì)改進(jìn)優(yōu)化，在整體結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)設(shè)計(jì)不更改的前提下實(shí)現(xiàn)抑制電磁騷擾，同時(shí)對(duì)主要影響因素提出以下解決方案：

 

傳導(dǎo)耦合是冰箱內(nèi)部線路中常見的一種干擾型式，它使騷擾源的能量通過導(dǎo)線耦合到被擾體，從而導(dǎo)致整體電磁騷擾超限值。抑制冰箱傳導(dǎo)耦合的方法有，一是縮短箱體內(nèi)部導(dǎo)線的長度或增大導(dǎo)線間的距離；二是減小兩根導(dǎo)線之間的面積，使騷擾源與被擾體不要平行走線，盡可能保持相互垂直。 

 

1）濾波電路器件選型的影響

濾波器件選型是電路設(shè)計(jì)時(shí)的一大難點(diǎn)。針對(duì)變頻冰箱的電路設(shè)計(jì)，濾波電路電感選擇，在電路中共模電感選擇一大一小兩種規(guī)格，由電感結(jié)構(gòu)可知，當(dāng)共模干擾經(jīng)過電感繞組時(shí)，兩個(gè)繞組的磁通方向相同，總電感量增大，對(duì)共模干擾呈現(xiàn)高阻抗；電感的繞組與濾波電路中的Y電容組成低通濾波器，可抑制電路中的共模干擾。且可人為地增加共模扼流圈的漏電感，提高差模電感量，與差模電容組成低通濾波器可用來抑制電源線上存在的差模騷擾。適當(dāng)增大第二個(gè)扼流圈感量，可以改善低頻，從而能夠有效的抑制高頻和低頻的電磁干擾。X電容選用陶瓷電容，常用容量范圍是0.1～0.47uF；Y電容采用薄膜電容，容量范圍大致是1-4.7nf。

 

2）阻性負(fù)載的影響

冰箱中阻性負(fù)載是除箱內(nèi)電源線之外的另一個(gè)傳導(dǎo)耦合的路徑。針對(duì)該問題，將阻性負(fù)載取電位置改為主板濾波電路后。即把濾波電路前端取電的阻性負(fù)載（如化霜加熱器、翻轉(zhuǎn)梁加熱器）調(diào)整至濾波電路后端取電，讓干擾通過濾波電路濾波，防止出現(xiàn)濾波失效的問題。