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嘉峪檢測網(wǎng) 2024-12-14 14:32
前言
隨著風能光伏等新能源產(chǎn)品大規(guī)模的產(chǎn)業(yè)應用，全球主要經(jīng)濟體對EMC電磁兼容符合性監(jiān)管也越來越嚴格。新能源產(chǎn)品由于高技術(shù)難度和嚴格的限值要求，在傳導發(fā)射和輻射發(fā)射兩項測試上面臨非常大的挑戰(zhàn)。
本文從新能源的EMI頻譜特征出發(fā)探討了研發(fā)場地進行傳導輻射預測試的幾種方法，特別向新能源領域產(chǎn)品開發(fā)EMC工程師推薦一種使用特制阻抗網(wǎng)絡進行傳導輻射預測試的方法。
文中介紹了通過輻射發(fā)射原理和測試模型推導對應的端口電壓限值的過程以及特殊阻抗網(wǎng)絡的參數(shù)特性和實際應用方法。該方法的應用能夠幫助EMC工程師在研發(fā)場地上快速完成大部分新能源產(chǎn)品的傳導和輻射發(fā)射預測試，對于開發(fā)效率提升和開發(fā)費用節(jié)約有很大幫助，在此分享出來供大家參考。
一、新能源產(chǎn)品的基本頻譜
新能源產(chǎn)品的EMI發(fā)射頻譜主要在150kHz-300MHz頻帶范圍內(nèi)分布，這一特性使得我們可以借助許多EMC工具輔助來進行傳導輻射預測試。
新能源產(chǎn)品種類有很多，存在各種不同的電壓等級、功率容量等級和不同的電源拓撲，產(chǎn)品差異很大但本質(zhì)上各類拓撲下時域波形形狀差異并不大。新能源類產(chǎn)品傳導和輻射的源頭都是持續(xù)開關信號，如功率開關管主動PWM（脈寬調(diào)制）方波、二極管被動開關方波、電感三角波，LC諧振波、吸收電路的RC阻尼振蕩波等。其中PWM的方波的幅值最大邊沿最陡，是干擾源頭中電磁發(fā)射的幅頻特性最為嚴酷的一種。
針對新能源PWM方波干擾源進行分析。對于給定幅值A，半波周期時間t的PWM標準方波波形其時域參數(shù)和頻譜分布可以由以下方程描述：
公式（1）表明PWM方波波形可以由各頻率上分量疊加形成，而公式（2）表明各頻率的分量會隨諧波次數(shù)升高而呈指數(shù)下降。我們利用對數(shù)軸可以將這種指數(shù)下降進行線性化顯示，如下圖。
▲ 100kHz 200mV標準方波的對數(shù)頻譜
圖（1）為100kHz頻率50%占空比200mV的方波采用對數(shù)頻率軸和對數(shù)電壓軸顯示的傳導150kHz-30MHz頻段的頻譜。受磁性材料和功率開關管的影響，新能源內(nèi)部工作頻率在一般在100kHz以下，因此頻譜在傳導頻段有明顯的分布。
對于輻射的30MHz-1GHz頻段，由于頻譜的寬度主要受功率管和二極管等功率器件的上升時間影響，我們以梯形波的頻譜研究。
▲ 梯形波的頻譜及包絡
梯形波能夠更好模擬實際PWM開關波形，其頻譜在二次轉(zhuǎn)折點即-40dB/dec頻點之后快速衰減，因此該頻點決定了最終頻譜的寬度。二次轉(zhuǎn)折頻率點由波形的上升時間和下降時間的最小值來決定，利用以下公式計算：
利用公式（3）計算出300MHz轉(zhuǎn)折頻點對應上升時間為1ns，30MHz和3MHz對應對應10nS和100ns。新能源的PWM上升下降時間在10-100ns之間，也就決定了其頻譜40dB下降轉(zhuǎn)折點都在3-30MHz之間。
在30-300MHz會有40dB對數(shù)下降，而300MHz之后的經(jīng)過40dB降低，再考慮一定的濾波器衰減，其頻譜能量就非常小了，我們可以認為正常工作的新能源電路不大可能表現(xiàn)出300MHz以上的頻段的發(fā)射。因此新能源的頻譜特點是：其開關速度決定了頻譜能量主要分布在30MHz以下的傳導頻段，在30-300MHz的輻射頻段有一定分布，但在300MHz以上頻譜能量分布很小。實測頻譜也與理論預期符合。
▲ 新能源實測頻譜
新能源的基本頻譜在150kHz-300MHz，因此可以利用阻抗網(wǎng)絡進行150kHz-300MHz電壓法測試、利用電流探頭進行150kHz-300MHz電流法測試、利用雙錐天線或偶極子天線進行30M-300MHz電場測試，引入這些測試設備工具之后能夠極大提高預測試的靈活度。
二、利用雙錐天線進行1米法輻射測試的原理
CISPR16-1-4標準定義了輻射發(fā)射的原理與基本測試方法。輻射測試以10米法開闊場做為標準場地，天線與被測物距離為10米。標準測試方法考慮到了測試靜區(qū)的大小與均勻度、地面反射、天線掃描高度等對輻射測試有影響的參數(shù)，在一致性和測量不確定度上有天然的優(yōu)勢，但是由于電磁環(huán)境越來越復雜很難尋找到合適的開闊場場地。
▲ 輻射測試原理圖
電波暗室做為開闊場的替代場地利用吸波材料模擬開闊場特性，是目前主要的輻射測試場地。新能源一般建議在10米法暗室進行認證輻射測試，也可以采用3米法暗室。
▲ 新能源產(chǎn)品10米法暗室輻射發(fā)射的典型測試布置
▲ 新能源產(chǎn)品輻射發(fā)射的等效圖
新能源產(chǎn)品線纜單一且采用垂直下進線布置，因此等效的輻射發(fā)射模型為垂直方向偶極子共模天線輻射。我們利用該簡化模型來對發(fā)射進行分析。
偶極子天線發(fā)射電場公式中，Ecm為距離為r米的電場強度，l為偶極子天線的長度，Icm為線纜共模電流，θ為線纜與測量天線的夾角。該公式說明了共模電流與遠場電場之間的線性相關的對應關系。同時充當天線的線纜的布置也有很大影響：當θ為90o時，即線纜與1米高度垂直極化天線互為垂直的時候得到最大的發(fā)射電場。
參考輻射發(fā)射的原理，在研發(fā)場地上可以用1米測試距離進行輻射預測試，對于電尺寸小于1米的產(chǎn)品也能獲得很好的一致性。使用1米測試距離需要對輻射限值的轉(zhuǎn)換：
即1米法測試限值為10米法限值加20dB。因此新能源輻射發(fā)射Class B的限值轉(zhuǎn)換1米測試距離的限值為50dBuV/m，但由研發(fā)場地限制各類測試輔助的PV源和AC源輻射噪聲不能滿足背景噪聲條件，因此該方法在一般小型新能源產(chǎn)品開發(fā)條件下不適用，但對于大型新能源產(chǎn)品的EMC開發(fā)，這種預測試方法是非常值得使用的。
三、利用電流探頭進行傳導輻射預測試的方法
我們參考傳導電流法的測試可以將電流探頭用于傳導測試，同樣可以利用電流探頭對線纜進行輻射發(fā)射的預測試評估。
從輻射發(fā)射的原理和基本模型可以看出共模電流與遠場電場之間存在對應關系，我們也可以利用公式（4）中共模電流對輻射的相關性進行研究。
將10米法class B 30μV/m的場強限值代入輻射遠場公式（4）計算共模電流限值為2.7μA, 即8.6dBμA。但由于新能源研發(fā)場地環(huán)境電磁干擾很強，使用電流探頭測試未經(jīng)過濾波的線纜上耦合到的背景共模電流噪聲遠超出8.6dBμA水平。因此該方法在現(xiàn)場條件下也是受限的，但在很多條件下使用電流探頭依然可以通過一次掃描完成對線纜端口的傳導輻射預測試，因此也是一種值得應用的輔助方法。
四、阻抗網(wǎng)絡進行輻射傳導預測試的原理
新能源產(chǎn)品電源端口既是傳導測量的端口又是輻射發(fā)射的天線端口，因此電源端口就是傳導輻射預測試的關鍵。阻抗網(wǎng)絡做為電源端口傳導測試的一種基本測量設備，將其擴展應用輻射頻段就能對輻射進行有效的預測試。
以下對阻抗網(wǎng)路用于輻射預測試的原理進行簡要介紹：我們利用天線的發(fā)射原理能夠?qū)⑻炀€電場強度與端口射頻電壓聯(lián)系起來，就能找到通過端口電壓來預測輻射電場強度的方法。因為新能源發(fā)射模型單一，僅有電源端口做為輻射源頭，我們利用簡化后的偶極子天線發(fā)射公式，對端口電壓相關性進行探討。
公式（6）中，E為距離為r米出的電場強度，D為偶極子天線的固定增益系數(shù)，Pt為注入到天線端口的總功率，Pt是唯一的變量。利用射頻功率公式可以對變量Pt進行進一步分解。
公式（7）中，天線輸入的總功率Pt為輸入射頻電壓U的平方與天線阻抗Rrad的比值，因此可以得到進一步簡化的公式,其中射頻電壓U成為唯一的變量。
由于輻射發(fā)射測試實驗室采用的雙錐天線、對數(shù)天線都屬于半波偶極子天線，其增益和阻抗是確定值，這里我們以D=1.6，Rrad=73Ω的典型值代入，同時將10米法輻射測試Class B等級33μV/m電場限值代入公式，可以計算出相應Class B輻射發(fā)射電場限值對應的天線端口電壓值為366uV，
但該計算以自由空間發(fā)射為模型，與實際輻射測試標準開闊場地面存在反射有很大差異，以反射會增大信號1倍計算，相應最大電壓需要降低到183μV, 轉(zhuǎn)換為對數(shù)45.2dBμV。
再由于使用阻抗網(wǎng)絡進行電壓測量的阻抗為50Ω，與偶極子天線阻抗73Ω之間存在差異，因此當適用阻抗網(wǎng)絡測試電壓限值用于輻射與測試時需要進行50/73歐的轉(zhuǎn)換。
因此實際最終換算Class B輻射發(fā)射的電場限值對應端口電壓限值為42dBμV，即當端口電壓在42dBμV以下時輻射電場將在Class B限值之下。
應用端口電壓限值無需考慮線纜長度，可以在線纜很短的情況下進行測試，在研發(fā)現(xiàn)場條件下能夠減小環(huán)境干擾對線纜的耦合。端口電壓采用阻抗網(wǎng)絡進行測試，特別適合研發(fā)場地干擾源眾多場地局限的情況，因此是研發(fā)現(xiàn)場條件下進行傳導輻射與測試的首選方法。
五、進行輻射傳導預測試的特殊阻抗網(wǎng)絡設計
150kHz-30MHz傳導測試50Ω/50μH阻抗網(wǎng)絡是最常見阻抗網(wǎng)絡,在大部分IT設備、家用電器、工業(yè)電子設備的傳導測試中作為標準傳導測量設備，內(nèi)部有50uH的空心線圈電感用于隔離網(wǎng)測的電源干擾和提供一個50Ω的共模阻抗。
▲ 傳導阻抗網(wǎng)絡簡化圖
該阻抗網(wǎng)絡對端口端子和線纜長度要求較小，因此有大量不同型號、規(guī)格、外觀的阻抗網(wǎng)絡在標準認證實驗室中使用。EMC產(chǎn)品類標準也針對產(chǎn)品實際情況衍生出了非常多的傳導測試布置圖。
▲ 新能源產(chǎn)品傳導發(fā)射測試參考示意圖
新能源的傳導測試與大部分產(chǎn)品的測試布置一致，都是采用0.8米桌上型布置，測試的頻率范圍150kHz-30MHz。
150kHz-245MHz阻抗網(wǎng)絡50Ω/5μH的阻抗網(wǎng)絡用于車載電子零部件EMC標準CISPR25和軍用電子設備標準MLT-461引用的的傳導測試設備，相比其他阻抗網(wǎng)絡能夠測試更大的電流和更高的測試頻段。測試布置也與普通50Ω/50uH的阻抗網(wǎng)絡相比測試布置有較大差異。
▲ 50Ω/5μH阻抗網(wǎng)絡傳導測試原理示意圖
▲ 50Ω/5μH阻抗網(wǎng)絡傳導測試布置示意圖
這種阻抗網(wǎng)絡的傳導電壓法布置下端口線纜長度小于20cm、走線高度和端子的距離均限制在5cm以下，同時傳輸線以大面積的接地參考面做參考，高頻下的阻抗更加穩(wěn)定。
從50Ω/50μH和50Ω/5μH兩種標準阻抗網(wǎng)絡的對比可以看出傳導測試的最高頻率并不限定在30MHz，可以達到245MHz甚至更高的頻率，但在更高頻率下的測量時，測試方法與布置要求會有很大的不同。
參考這兩種阻抗網(wǎng)絡的參數(shù)和測試方法，我們可以針對性的設計阻抗網(wǎng)絡的參數(shù)、結(jié)構(gòu)以及測試布置來適用于現(xiàn)場條件下的輻射頻段測試。由于現(xiàn)場條件下網(wǎng)電源的干擾都很大，設計用于現(xiàn)場條件的阻抗網(wǎng)絡還需要考慮到網(wǎng)側(cè)的濾波能力。
阻抗網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)參數(shù)與端接結(jié)構(gòu)、線長和與接地參考面的接線高度對阻抗的影響?？梢砸罁?jù)傳輸線理論進行討論。距離接地參考平面h的半徑為r的平行傳輸線的對地阻抗計算如下：
▲ 高度h的平行傳輸線的阻抗計算示意圖
▲ 分布電感
▲ 分布電容
▲ 特征阻抗
μ為導體間介質(zhì)相對磁導率
ε為導體間介質(zhì)相對介電常數(shù)
我們以公式（10）-（12）討論30-300MHz的阻抗特性。其中分布電感和分布電容受傳輸線高度和長度的影響，但是阻抗僅受傳輸線在接地參考面高度參數(shù)的影響，因此傳導測試中80cm與5cm布置高度差距對于高頻阻抗影響非常明顯。
以空氣磁導率和空氣相對介電常數(shù)計算線與GRP之間的5cm高度的阻抗為50Ω，因此高頻阻抗網(wǎng)絡的結(jié)構(gòu)設計需要考慮這一高度參數(shù)才能保證穩(wěn)定的對地阻抗。
標準阻抗網(wǎng)絡的網(wǎng)測濾波能力不足，需要設計更大的濾波能力來滿足對現(xiàn)場環(huán)境下的電源干擾濾除能力。結(jié)合阻抗網(wǎng)絡本身參數(shù)可以設計一個簡單的無源濾波器：
▲典型的π型濾波器示意圖
▲ 該濾波器的插損由以下公式進行計算
根據(jù)經(jīng)驗采用一級π型濾波器能夠獲得較高的插損。
經(jīng)過比較參考和計算，我們可以獲得了150kHz-300MHz特殊阻抗網(wǎng)絡的設計關鍵參數(shù)：參考50Ω/50μH標準阻抗網(wǎng)絡的R、L、C參數(shù)進行測量端口的參數(shù)設計；參考傳輸線分析結(jié)果進行端口的結(jié)構(gòu)參數(shù)設計；參考2濾波設計進行網(wǎng)電源側(cè)濾波參數(shù)設計；考慮新能源項目EMC開發(fā)需求和研發(fā)場地限制條件，進行電流等級設計（32A單相和100A三相四線）、絕緣耐壓設計（設計差模耐壓1kV，共模耐壓2kV）、交直流通用設計、網(wǎng)電源干擾的隔離濾波能力（40dB以上）等。
實際設計的特殊阻抗網(wǎng)絡耦合系數(shù)在150kHz-300MHz的傳導輻射測試頻段內(nèi)滿足 0-3dB，網(wǎng)側(cè)濾波器插損在傳導頻段滿足60dB,輻射頻段滿足20dB，能夠應用于新能源研發(fā)現(xiàn)場條件下150kHz-300MHz的傳導端口電壓測試。
特殊設計的阻抗網(wǎng)絡對傳導測試的總的不確定度的影響可以通過校準消除，因此整體對對于傳導測試的不確定度影響與標準阻抗網(wǎng)絡基本相似?？紤]研發(fā)場地端口輻射預測試的電壓方法與標準測試場地之間的差異，新能源進行研發(fā)場地傳導輻射預測試的不確定度略大于3.6dB,建議需要4dB以上裕量
六、研發(fā)場地傳導輻射預測試方法的應用
利用特殊設計的阻抗網(wǎng)絡可以無視電磁環(huán)境狀況在研發(fā)場地上完成了傳導輻射預測試臺的搭建和實地測試，同時可以進行傳導輻射問題的診斷分析以及優(yōu)化，在30kW功率等級之下的新能源產(chǎn)品開發(fā)中獲得很好的應用。
▲ 小型設備的研發(fā)場地傳導輻射預測試
▲ 大型新能源設備的研發(fā)場地傳導輻射預測試
特殊阻抗網(wǎng)絡用于新能源研發(fā)現(xiàn)場條件下的傳導輻射預測試中有以下關鍵要點：所有的電源端口都需要通過阻抗網(wǎng)絡進行接入；阻抗網(wǎng)絡和接地參考面的搭接要好；被測產(chǎn)品要全部放置在接地參考面之內(nèi)并且距離邊緣有一定距離以便獲得共模容性耦合；被測產(chǎn)品端口到阻抗網(wǎng)絡的端口線距小于20cm且越短越好；
供電電源不能超出傳導class A限值過多；阻抗網(wǎng)絡直接接入電網(wǎng)由于對地電容的漏電流過大會引起上級配電端漏電保護空開跳閘的問題，實際中需要注意隔離；對傳導輻射的150kHz-300MHz頻段進行一次掃描。
將研發(fā)場地預測試結(jié)果與標準測試實驗室和認證實驗室的傳導輻射結(jié)果進行了比對分析，測試結(jié)果展現(xiàn)了很好的一致性。
▲ 研發(fā)場地傳導輻射預測試結(jié)果
▲ 標準傳導實驗室測試結(jié)果
▲ 認證實驗室輻射測試結(jié)果
認證實驗室傳導輻射測試結(jié)果的與預測試頻譜包絡類似，幅度一致，裕量一致。整體而言，研發(fā)場地的傳導輻射預測試的結(jié)果能夠與標準測試認證實驗室的測試結(jié)果形成相關性和一致性，對于研發(fā)活動中的風險識別、設計比對、整改優(yōu)化等都有很好的作用。
總結(jié)
本文討論了一些針對新能源產(chǎn)品EMC開發(fā)設計需求的研發(fā)場地預測試方法，詳細介紹了基于新能源特性和研發(fā)場地限制條件而開發(fā)出的特殊阻抗網(wǎng)絡傳導輻射預測試的原理和方法，并且通過實測對有效性進行了驗證。
實踐證明了這種方法對于研發(fā)團隊敏捷開發(fā)，費用控制，人力節(jié)約都有較大益處，對于其他類型產(chǎn)品的EMC開發(fā)也有一定借鑒意義。
來源：Internet
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