苗潤(rùn)興，孫明輝，趙旭東，陳澤南，劉守城

1.新華報(bào)業(yè)傳媒集團(tuán)，江蘇 南京 210092

2.南京師范大學(xué)電氣與自動(dòng)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(lái)越智能化、微型化，不同功率器件的開(kāi)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(wèn)題日益突出。電子設(shè)備應(yīng)滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，在復(fù)雜的電磁環(huán)境下能夠?qū)崿F(xiàn)可靠工作，同時(shí)又不會(huì)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(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題。磁環(huán)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜、使用方便且可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，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(duì)磁導(dǎo)率低；錳鋅磁環(huán)低頻阻抗大，高頻阻抗小，相對(duì)磁導(dǎo)率高。磁環(huán)一般由單匝或多匝導(dǎo)線穿過(guò)。將磁環(huán)放置在線纜上，等效于串入一個(gè)電阻和一個(gè)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(shí)，鐵氧體磁芯呈現(xiàn)極低的阻抗，此時(shí)穿過(guò)磁環(huán)的電流幾乎無(wú)衰減通過(guò)；高頻時(shí)，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(gè)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(dāng)于一個(gè)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(hào)的頻率有關(guān)，當(dāng)傳輸?shù)男盘?hào)頻率比較高時(shí)，磁環(huán)的阻抗值會(huì)快速增加，信號(hào)容易輻射出去，加上一般情況下周圍環(huán)境沒(méi)有屏蔽信號(hào)，正常信號(hào)的傳輸幾乎沒(méi)有損耗，但高頻噪聲信號(hào)會(huì)被抑制。由于鐵氧體在低頻帶時(shí)，其阻抗值大小非常低，信號(hào)在傳輸?shù)倪^(guò)程中能夠正常通過(guò)，當(dāng)頻率增加至10MHz時(shí)，鐵氧磁體的阻抗值大小會(huì)急劇增加，主要是實(shí)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(dāng)高頻能量通過(guò)磁性材料時(shí)，電阻元件將能量轉(zhuǎn)換成熱能并將其消散。這樣一來(lái)，信號(hào)在傳輸?shù)倪^(guò)程中，低頻信號(hào)能夠正常通過(guò)，高頻噪聲信號(hào)則會(huì)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(jī)理建模與危害

（1）生成機(jī)理。電氣快速瞬變是由繼電器跳閘、隔離開(kāi)關(guān)切空載變壓器、電機(jī)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(huì)發(fā)生在電力系統(tǒng)的內(nèi)部。在感性負(fù)載電路中，當(dāng)重復(fù)切換時(shí)，脈沖組會(huì)以相應(yīng)的時(shí)間間隔重復(fù)產(chǎn)生。感性負(fù)載電路中，切換小電感負(fù)載產(chǎn)生的脈沖、繼電器電擊跳躍產(chǎn)生的脈沖、高壓開(kāi)關(guān)器件開(kāi)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(dāng)切斷開(kāi)關(guān)K時(shí)，支路R和L的電流會(huì)流向雜散電容C0進(jìn)行充電，給C0一個(gè)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(dòng)態(tài)電路方程：

（2）破壞機(jī)理和危害。單向三線制的被測(cè)電氣電子設(shè)備的簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)圖如圖4所示，EFT發(fā)生器通過(guò)50cm長(zhǎng)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(cè)設(shè)備。在單向三線制的被測(cè)電氣設(shè)備中，EFT測(cè)試的噪聲來(lái)源比較復(fù)雜，且噪聲會(huì)受到空間的電磁場(chǎng)的耦合影響，這樣就增加了其機(jī)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(cè)電氣電子設(shè)備的簡(jiǎn)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(lán)光治療儀如圖5所示，其使用窄光譜光源發(fā)射冷光，當(dāng)其照射皮膚時(shí)，其能量會(huì)轉(zhuǎn)化成細(xì)胞的能量，并且能夠改變細(xì)胞的結(jié)構(gòu)，一般會(huì)采用高純度、高功率密度照射，即便如此也不會(huì)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(lán)光治療儀

（2）問(wèn)題敘述?！峨姶偶嫒菰囼?yàn)和測(cè)量技術(shù)電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗(yàn)》（GB/T 17626.4—2008）中相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的脈沖群測(cè)試試驗(yàn)等級(jí)如表1所示。中國(guó)醫(yī)藥行業(yè)使用的測(cè)試電壓等級(jí)為表1中的2、3等級(jí)，電壓的峰值為1kV和 2kV。

表1 脈沖群測(cè)試試驗(yàn)等級(jí)

（3）問(wèn)題診斷與分析。對(duì)設(shè)備進(jìn)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(duì)比發(fā)現(xiàn)電子信號(hào)不是很純凈，對(duì)于一些電路敏感的地方?jīng)]有做有效的電磁防護(hù)措施，PCB板缺少瞬態(tài)抑制二極管保護(hù)電路，這樣在高頻頻段的電壓信號(hào)會(huì)對(duì)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(wú)響應(yīng)。

（4）整改措施及理論分析。兩個(gè)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(jiàn)，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(guò)測(cè)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(diǎn)的數(shù)據(jù)對(duì)比如表2所示。

表2 卡磁環(huán)前后噪聲對(duì)比

圖7 串聯(lián)共模扼流圈

選取10MHz、12MHz、15MHz和30MHz4個(gè)頻點(diǎn)，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(hào)線加磁環(huán)后，噪聲水平降至35dBμV/m以下，和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)相比，均有超過(guò)15dBμV/m裕量。因此，文章提出的在電源線和信號(hào)線加磁環(huán)的方法能有效抑制電磁干擾噪聲。

4 結(jié)束語(yǔ)

文章分析了磁環(huán)的工作原理和阻抗特性以及EFT的機(jī)理和建模，通過(guò)對(duì)某公司紅光和藍(lán)光治療儀的整改分析，驗(yàn)證了在電源線和信號(hào)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(duì)電源線和信號(hào)線加磁環(huán)后，電磁干擾噪聲都有了明顯的減小，對(duì)以后此類產(chǎn)品的電磁干擾整改有著重要的參考意義。