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UPS系统EMC问题的一些处理方法

双击自动滚屏 发布者:精密空调 发布时间:2016-10-13 09:19:50 阅读:次【字体:

电磁*由电磁骚扰源、耦合途径(或称耦合通道)及敏感设备三个要素构成,前两者降低设备的电磁*输出量,降低本设备对其它设备的*,最后一项提升本设备的适应能力和电磁耐受能力。对于降低电磁骚扰源的措施已在许多书刊上进行了非常广泛的阐述,本文主要从传导耦合途径的角度对降低UPS系统的电磁*进行分析。

1 UPS系统结构

从图1可以看出,UPS系统有市电、电池、旁路、输出四个端口。一般旁路与市电连接为同一输入,充电器跨接在市电输入与电池回路之间,四个端口间相互连接,互相耦合,这就为UPS处理EMC*问题增加了难度。

2 *源及其传播路径

同普通的开关电源一样,UPS的*源也来自开关管、磁性元件等存在的较大的di/dt、du/dt回路和节点。UPS系统是一个复杂系统,存在多个*源,主要有整流器、逆变器、充电器、辅助电源等。另一方面,由于存在多个相互耦合的支路,使得UPS系统的EMC处理变得非常复杂。下面以某30kVAUPS为例研究其*传播路径(参见图2)。

在该UPS系统中,EMC特性与器件的寄生参数、功率回路的吸收电路、EMC滤波器、接地系统的结构有很大的关系,主要的*传递路径有:

①开关管→散热器→机箱

开关管通过绝缘导热部件(常见的为硅胶布)的寄生电容将*信号传递到散热器,再通过散热器将*传递到机箱,形成共模*。

②电感线圈→电感铁心→机箱

若电感的磁芯外露,需要将磁芯接地,此时电感线圈与磁芯间的寄生电容会将*信号引入到

铁心中,并进一步将*信号引入地线,形成共模*。

③电感线圈→Cepc→电网端或输出端,电感内部的等效并联电容会降低滤波效果,将开关管的噪声引入到电网端或输出端,形成差模*。

④散热器→接地寄生电感、铁心→接地寄生电感、输入输出滤波器→接地寄生电感……

通常在设计和处理EMC问题时都将机箱视为地平面,认为只要将信号接入机箱都视为接地,事实上并不能完全忽略机箱对EMC的影响,特别是当机箱体积较大时,机箱设计不良引起的EMC问题会相当严重。机箱设计不良可等效在*传播回路或滤波器回路中串入了电感,这个电感会引起EMC滤波器效能降低、*信号由传导转换为辐射、引起滤波回路振荡等问题。

⑤逆变滤波电容端→旁路SCR的吸收电容Csnb→电网端

由于逆变滤波电容存在ESR,不能完全滤除噪音,这部分噪音会通过旁路SCR的吸收电容Csnb传递到输入端。更严重的是旁路SCR的吸收电容Csnb会“短路”市电输入滤波器的共模电感,导致输入滤波器性能大幅降低。

3 处理方式及注意事项

上述初步分析了UPS系统主要的*传播途径,这里针对这些传播途径一一采取措施进行抑制。

(1)开关管→散热器→机箱回路*的抑制

在该回路中有两点措施可以采用,即降低开关管→散热器、散热器→机箱两个耦合路径。前者是由开关管与散热器间的绝缘导热器件决定的,常用的绝缘导热器件是硅胶布,为了得到更低的热阻,硅胶布都用的比较薄,最低达到0.15mm。但是过小的厚度增加了开关管与散热器间的电容,增强了开关管*的传播,不利于EMC*的处理。

在另一些应用中,为了进一步降低开关管与散热器间的热阻,在开关管与硅胶布间增加大面积铜板,再通过铜板、硅胶布将热量传递到散热器。这种办法降低了开关管与硅胶布间的热阻,却极大地增加了开关管(含铜板)与散热器间的电容,恶化了EMC特性。

氧化铝陶瓷基板的出现解决了这一问题,它具有导热好、热阻低的特点,通常陶瓷基板的厚度在1mm左右,因而用陶瓷基板替换硅胶布,可以大大降低开关管与散热器间的电容。

表1为TO-3P封装分别采用三种不同的方法进行对比,其中铜板+硅胶布的方案中,铜板尺寸按34×32×1.5进行对比。

由表1看出,采用陶瓷基板可在获得高的导热性能的同时显著降低耦合电容,减少EMC*的传播。

散热器与机箱通常有两种连接方式,一种是将散热器直接接机箱,如采用自冷却系统的设备;另一种是散热器悬空,不与任何机箱或电路连接。前者会直接把*信号耦合到机箱,形成共模*,后者通过散热器与机箱间的耦合电容将*信号耦合到机箱。对散热器悬空的系统,应尽可能的增加散热器与机箱的间距,以减少耦合电容。另一种办法是通过一高压电容将散热器与N线相连,将共模信号转化为差模信号,便于处理。

(2)电感线圈→电感铁心→机箱回路的抑制

对于采用外置磁芯的电感,可以通过加大线圈与铁心间距的办法减少耦合电容。也可以重新布置绕组,将电感的“静端”或噪声小的接线端布置在靠近电感磁芯的位置,以减小噪声的传播。也可采用内置磁芯的电感取代外置磁芯的电感,如用环形电感取代CD型铁心电感。

(3)电感线圈→Cepc→电网端或输出端*的抑制

有多篇论文提到,可以通过改变线圈的绕制工艺降低电感的等效并联电容。除此之外,将箔绕组替换为线绕组并合理分布绕组可以有效降低寄生电容。当电感已经确定无法改变时也可以采用一些措施减少电磁*的传播,如:采用好的滤波电容和合理的电容连接结构来降低*的传播,也可以在主电感回路中串联小的副电感,通过副电感降低*的传播。

(4)接地系统引起的*抑制

由于机箱设计的不合理使得接地系统不良,无法有效地滤除EMC*甚至引起振荡。通过优化机箱设计,使得电磁*的耦合点尽可能地以大面积金属的形式接入系统接地点,尽可能避免多个接地点串联接入系统地。另外,系统的接地点的选择也很重要,要选择面积较大的金属板、离EMC滤波器较近的位置作为系统接地点。要避免电磁*强的电缆通过大孔或长条孔。

(5)逆变滤波电容端→旁路SCR吸收电容Csnb→电网端回路的抑制

有几个办法可以采用:

①在SCR吸收电容上串联电阻,形成一定的阻抗,抑制电磁*的传播。但该电阻不易过大,否则会对SCR的电压尖峰吸收和di/dt抑制造成影响。

②在旁路回路上串联电感。该法可以有效地切断该回路,但在功率回路上串联电感会引起成本上升,接点增加。

③更改SCR的吸收电路,将并联于SCR两端的电容取消,更改为SCR两端分别对零线并联电容,

从而切断该回路。

在图3中,N点的选择非常重要,一定要选择对三个源都“安静”的源进行滤波,否则仍将引入*。

4 结束语

EMC处理需要对系统结构非常了解,UPS是比较复杂的系统,其*处理比较困难,但只要掌握其规律也能较好的进行处理。本文通过对UPS系统功率回路、吸收回路、滤波回路的分析,展示了部分EMC*的传播途径,并提出了一些解决办法,为有效处理EMC问题提供了思路。

参考文献

[1]钱照明等。开关电源的EMC设计,浙江:浙江大学电气工程学院,2001.

[2]水冰。开关电源的EMC设计,陕西:西安电子工和研究所,2011.

[3]杨智敏、李晔。开关电源EMC设计,陕西:空军工程大学电讯工程学院基础部,2002.

[4]GB7260.2.2009不间断电源设备(UPS)第2部分:电磁兼容性(EMC)要求,中国:全国电力电子学标准化技术委员会(SAC/TC60),2009.

  作者简介

王志东,厦门科华恒盛股份有限公司研发中心项目经理,负责大功率高频UPS的开发。

林艺成,厦门科华恒盛股份有限公司研发中心项目经理,主要研究方向为不间断电源技术。

邹建忠,厦门科华恒盛股份有限公司研发中心经理,长期从事UPS产品开发工作和研发管理工作。

编辑:Harris

 

关键词:ups电源参数/list-3-1.html


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