Analyse der EMI-Kontrolltechnologie von Schaltnetzteilen
In diesem Dokument wird der Mechanismus der elektromagnetischen Störungen in Schaltnetzteilen detailliert analysiert und eine Reihe von Strategien zur Unterdrückung elektromagnetischer Störungen vorgestellt, um so die elektromagnetische Verträglichkeit von Schaltnetzteilen effektiv zu verbessern.
Ein Schaltnetzteil ist eine Art Leistungselektronikprodukt, das Leistungshalbleiter verwendet und Leistungsumwandlungstechnologie, elektronische elektromagnetische Technologie und automatische Steuerungstechnologie integriert. Aufgrund seiner Vorteile wie geringer Stromverbrauch, hohe Effizienz, geringes Volumen, geringes Gewicht, stabiler Betrieb, Sicherheit und Zuverlässigkeit sowie großer Spannungsstabilisierungsbereich wird es häufig in den Bereichen Computer, Kommunikation, elektronische Instrumente, industrielle automatische Steuerung, Landesverteidigung und Haushaltsgeräte eingesetzt. Das Schaltnetzteil hat jedoch ein schlechtes Einschwingverhalten und ist anfällig für elektromagnetische Störungen (EMD), und das EMI-Signal belegt einen breiten Frequenzbereich und hat eine bestimmte Amplitude. Diese EMI-Signale verschmutzen die elektromagnetische Umgebung durch Leitung und Strahlung und verursachen Störungen an Kommunikationsgeräten und elektronischen Instrumenten, wodurch die Verwendung von Schaltnetzteilen in gewissem Maße eingeschränkt wird.
1 Schaltnetzteil verursacht elektromagnetische Störungen
Elektromagnetische Interferenz (EMI) ist eine Art von Leistungsbeeinträchtigung eines elektronischen Systems oder Subsystems, die durch unerwartete elektromagnetische Störungen verursacht wird. Sie besteht aus drei Grundelementen: Störquelle, d. h. Gerät, das elektromagnetische Störenergie erzeugt; Kopplungskanal, d. h. Kanal oder Medium zur Übertragung elektromagnetischer Interferenzen; Empfindliche Geräte, d. h. Geräte, Ausrüstung, Subsysteme oder Systeme, die durch elektromagnetische Interferenzen beschädigt wurden. Darauf aufbauend sind die grundlegenden Maßnahmen zur Kontrolle elektromagnetischer Interferenzen: Unterdrückung von Störquellen, Abschneiden des Katastrophenpfads, Verringerung der Reaktion empfindlicher Geräte auf Interferenzen oder Erhöhung des elektromagnetischen Empfindlichkeitsniveaus.
Gemäß dem Funktionsprinzip von Schaltnetzteilen ist bekannt, dass Schaltnetzteile zunächst Wechselstrom mit Netzfrequenz in Gleichstrom umwandeln, ihn dann in Wechselstrom mit hoher Frequenz umwandeln und ihn schließlich durch Gleichrichtung und Filterung ausgeben, um eine stabile Gleichspannung zu erhalten. In der Schaltung arbeiten die Leistungstriode und -diode hauptsächlich im Schaltzustand und arbeiten im Mikrosekundenbereich. Wenn Triode und Diode ein- und ausgeschaltet werden, ändert sich der Strom während der Anstiegs- und Abfallzeit stark, wodurch leicht Hochfrequenzenergie erzeugt und Störquellen gebildet werden können. Gleichzeitig bilden die Streuinduktivität des Transformators und die durch den Sperrverzögerungsstrom der Ausgangsdiode verursachte Spitze ebenfalls potenzielle elektromagnetische Störungen.
Schaltnetzteile arbeiten normalerweise mit hoher Frequenz und die Frequenz liegt über 0,2 kHz, sodass ihre verteilte Kapazität nicht ignoriert werden kann. Einerseits hat die Isolierfolie zwischen dem Kühlkörper und dem Kollektor der Schaltröhre eine große Kontaktfläche und eine dünne Isolierfolie, sodass die verteilte Kapazität zwischen ihnen bei hoher Frequenz nicht ignoriert werden kann und hochfrequenter Strom durch die verteilte Kapazität zum Kühlkörper und dann zur Chassis-Erdung fließt, was zu Gleichtaktstörungen führt; Andererseits gibt es eine verteilte Kapazität zwischen den Primärstufen des Impulstransformators, die die Spannung der Primärwicklung direkt mit der Sekundärwicklung verschmelzen und Gleichtaktstörungen auf den beiden Stromleitungen mit Gleichstromausgang der Sekundärwicklung erzeugen kann.
Daher konzentrieren sich die Störquellen in Schaltnetzteilen hauptsächlich auf Komponenten wie Schaltröhren, Dioden und Hochfrequenztransformatoren sowie auf AC-Eingangs- und Gleichrichterausgangsschaltungen.
2 Maßnahmen zur Unterdrückung elektromagnetischer Störungen des Schaltnetzteils
Normalerweise werden bei der EMI-Kontrolle von Schaltnetzteilen hauptsächlich Filter-, Abschirm-, Versiegelungs- und Erdungstechnologien eingesetzt. EMI-Störungen können je nach Übertragungsweg in Leitungsstörungen und Strahlungsstörungen unterteilt werden. Schaltnetzteile leiten hauptsächlich Störungen und ihr Frequenzbereich ist mit etwa 10 kHz-30 MHz am breitesten. Gegenmaßnahmen zur Unterdrückung leitungsgebundener Störungen werden grundsätzlich in drei Frequenzbändern gelöst: 10 kHz-150 kHz, 150 kHz-10 MHz und höher. Normale Störungen treten hauptsächlich im Bereich von 10 kHz bis 150 kHz auf und werden im Allgemeinen durch allgemeine LC-Filter behoben. Gleichtaktstörungen treten hauptsächlich im Bereich von 150 kHz-10 MHz auf und werden im Allgemeinen durch Gleichtaktunterdrückungsfilter behoben. Gegenmaßnahmen für das Frequenzband über 10 MHz bestehen in der Verbesserung der Filterform und in elektromagnetischen Abschirmmaßnahmen.
2.1 mit AC-Eingangs-EMI-Filter.
Normalerweise gibt es zwei Möglichkeiten, Störstrom auf dem Leiter zu übertragen: Gleichtakt und Differenzial. Gleichtaktstörungen sind Störungen zwischen der Trägerflüssigkeit und der Erde: Die Störungen haben dieselbe Stärke und Richtung und treten zwischen jeder relativen Erde der Stromversorgung oder zwischen dem Neutralleiter und der Erde auf. Sie werden hauptsächlich durch du/dt verursacht, und di/dt verursacht auch bestimmte Gleichtaktstörungen. Die Differenzialstörungen sind Störungen zwischen Trägerflüssigkeiten: Die Störungen haben dieselbe Stärke und entgegengesetzte Richtung und treten zwischen der Phasenleitung und dem Neutralleiter der Stromversorgung und der Phasenleitung und der Phasenleitung auf. Wenn der Störstrom auf dem Leiter übertragen wird, kann er sowohl im Gleichtakt als auch im Differenzialmodus auftreten. Gleichtaktstörströme können jedoch nur dann Nutzsignale stören, wenn sie zu Differenzialstörströmen werden.
In Wechselstromübertragungsleitungen treten die beiden oben genannten Arten von Störungen auf, normalerweise niederfrequente Differenzialstörungen und hochfrequente Gleichtaktstörungen. Im Allgemeinen ist die Amplitude der Differenzialstörungen gering, die Frequenz niedrig und die verursachte Störung gering; Gleichtaktstörungen haben eine große Amplitude und eine hohe Frequenz und können auch Strahlung durch Kabel erzeugen, was zu starken Störungen führt. Wenn am Eingangsende der Wechselstromversorgung ein geeigneter EMI-Filter verwendet wird, können elektromagnetische Störungen wirksam unterdrückt werden. Das Grundprinzip des EMI-Filters für Stromleitungen ist in Abbildung 1 dargestellt. Dabei werden die Differenzialkondensatoren C1 und C2 verwendet, um den Differenzialstörstrom kurzzuschließen, während die Zwischenleitungserdungskondensatoren C3 und C4 verwendet werden, um den Gleichtaktstörstrom kurzzuschließen. Eine Gleichtaktdrosselspule besteht aus zwei Spulen mit gleicher Dicke, die in derselben Richtung auf einen Magnetkern gewickelt sind. Wenn die magnetische Kopplung zwischen den beiden Spulen sehr eng ist, ist die Streuinduktivität sehr gering, was im Frequenzbereich der Stromleitung schlecht ist.
Die Modusreaktanz wird sehr klein; wenn der Laststrom durch die Gleichtaktdrossel fließt, sind die von den in Reihe an der Phasenleitung angeschlossenen Spulen erzeugten Magnetfeldlinien entgegengesetzt zu denen, die von den in Reihe an der Neutralleitung angeschlossenen Spulen erzeugt werden, und sie heben sich im Magnetkern gegenseitig auf. Daher wird der Magnetkern auch bei hohem Laststrom nicht gesättigt. Bei Gleichtaktstörstrom weisen die von den beiden Spulen erzeugten Magnetfelder in dieselbe Richtung, was eine große Induktivität darstellt und somit zur Dämpfung des Gleichtaktstörsignals beiträgt. Dabei sollte die Gleichtaktdrosselspule aus Ferritmagnetmaterial mit hoher Permeabilität und guten Frequenzeigenschaften bestehen.
