Einführung in die elektromagnetische Verträglichkeit von Schaltnetzteilen
Die Gründe für elektromagnetische Verträglichkeitsprobleme, die durch Schaltnetzteile verursacht werden, die unter Hochspannungs- und Hochstrom-Schaltbedingungen betrieben werden, sind recht komplex. In Bezug auf die elektromagnetischen Eigenschaften der gesamten Maschine gibt es hauptsächlich verschiedene Arten: gemeinsame Impedanzkopplung, Leitungskopplung, elektrische Feldkopplung, magnetische Feldkopplung und elektromagnetische Wellenkopplung. Die gemeinsame Impedanzkopplung bezieht sich hauptsächlich auf die gemeinsame Impedanz zwischen der Störquelle und dem gestörten Objekt elektrisch, über die das Störsignal in das gestörte Objekt gelangt. Unter Leitung-zu-Leitung-Kopplung versteht man hauptsächlich die gegenseitige Kopplung zwischen Drähten oder Leiterplattendrähten, die aufgrund der Parallelverdrahtung Störspannungen und -ströme erzeugen. Die Kopplung elektrischer Felder ist hauptsächlich auf das Vorhandensein einer Potentialdifferenz zurückzuführen, die eine induzierte elektrische Feldkopplung am gestörten Körper erzeugt. Unter Magnetfeldkopplung versteht man hauptsächlich die Kopplung niederfrequenter Magnetfelder, die in der Nähe von Hochstrom-Impulsstromleitungen erzeugt werden, an Störobjekte. Die elektromagnetische Feldkopplung ist hauptsächlich auf die hochfrequenten elektromagnetischen Wellen zurückzuführen, die durch pulsierende Spannung oder Strom erzeugt werden und durch den Raum nach außen strahlen, was zu einer Kopplung mit dem entsprechenden gestörten Körper führt. Tatsächlich können die einzelnen Kopplungsmethoden nicht streng unterschieden werden, sondern nur mit unterschiedlichen Schwerpunkten.
In einem Schaltnetzteil arbeitet der Hauptleistungsschalter in einem Hochfrequenz-Schaltmodus bei hoher Spannung, und die Schaltspannung und der Schaltstrom liegen nahezu bei Rechteckwellen. Aus der Spektralanalyse ist bekannt, dass Rechtecksignale zahlreiche Harmonische höherer Ordnung enthalten. Das Spektrum dieser Harmonischen höherer Ordnung kann das 1000-fache der Rechteckwellenfrequenz erreichen. Gleichzeitig werden aufgrund der Streuinduktivität und der verteilten Kapazität des Leistungstransformators sowie des nicht idealen Betriebszustands des Hauptleistungsschaltgeräts beim Einschalten häufig Hochfrequenz- und Hochspannungsspitzen-Oberwellenschwingungen erzeugt bei hohen Frequenzen ausgeschaltet. Die durch diese harmonische Schwingung erzeugten Oberwellen höherer Ordnung werden über die verteilte Kapazität zwischen der Schaltröhre und dem Kühlkörper an den internen Schaltkreis übertragen oder über den Kühlkörper und den Transformator in den Weltraum abgestrahlt. Auch Schaltdioden zur Gleichrichtung und Weiterleitung sind eine wichtige Ursache für hochfrequente Störungen. Aufgrund des hochfrequenten Schaltzustands des Gleichrichters und der Freilaufdioden, des Vorhandenseins parasitärer Induktivität und Sperrschichtkapazität in den Diodenleitungen sowie des Einflusses des Sperrverzögerungsstroms arbeiten diese mit hohen Spannungs- und Stromänderungsgeschwindigkeiten erzeugen hochfrequente Schwingungen. Gleichrichter- und Freilaufdioden befinden sich im Allgemeinen in der Nähe der Stromausgangsleitung, und die von ihnen erzeugten hochfrequenten Störungen werden höchstwahrscheinlich über die Gleichstromausgangsleitung übertragen. Um den Leistungsfaktor zu verbessern, verwenden Schaltnetzteile aktive Leistungsfaktorkorrekturschaltungen. Gleichzeitig wurden zahlreiche Soft-Switching-Technologien eingesetzt, um die Effizienz und Zuverlässigkeit der Schaltung zu verbessern und die elektrische Belastung von Leistungsgeräten zu verringern. Unter diesen ist die Nullspannungs-, Nullstrom- oder Nullspannungs-/Nullstrom-Schalttechnologie die am weitesten verbreitete. Diese Technologie reduziert die von Schaltgeräten erzeugten elektromagnetischen Störungen erheblich. Die meisten verlustfreien Soft-Switch-Absorptionsschaltungen nutzen jedoch L und C für die Energieübertragung und nutzen die unidirektionale Leitfähigkeit von Dioden, um eine unidirektionale Energieumwandlung zu erreichen. Daher werden die Dioden in diesem Resonanzkreis zu einer Hauptquelle elektromagnetischer Störungen.
Schaltnetzteile verwenden im Allgemeinen Energiespeicherinduktivitäten und -kondensatoren, um L- und C-Filterschaltungen zu bilden und so eine Filterung von Differential- und Gleichtakt-Störsignalen zu erreichen. Aufgrund der verteilten Kapazität der Induktionsspule wird die Eigenresonanzfrequenz der Induktionsspule verringert, was dazu führt, dass eine große Anzahl hochfrequenter Störsignale durch die Induktionsspule laufen und sich entlang der Wechselstromleitung oder Gleichstromausgangsleitung nach außen ausbreiten. Mit zunehmender Frequenz des Störsignals im Filterkondensator führt der Einfluss der Zuleitungsinduktivität zu einer kontinuierlichen Abnahme der Kapazität und Filterwirkung bis hin zu Änderungen der Kondensatorparameter, was ebenfalls ein Grund für elektromagnetische Störungen ist.
