某驱动分系统的电磁兼容分析与整改

吴小春，徐 博，余晓梅

（1.成都新欣神风电子科技有限公司，四川 成都 611731；2.中国电子科技集团第三十研究所，四川 成都 610041）

0 引 言

某驱动分系统在按照《军用设备和分系统 电磁发射和敏感度要求与测量》（GJB151B—2013 ）进行电磁兼容（Electromagnetic Compatibility，EMC）试验测试时出现两个项目不达标，其中一项为CE102（10 kHz～10 MHz电源线传导发射），超标频段主要在100 kHz以上；另一项测试不达标项目为RE102（2 MHz～18 GHz电场辐射发射）,该项目在2～30 MHz和30～200 MHz的频率范围内均有超出极限值的频率点。根据对超标频率点的定位、分析、整改和验证，最终该系统满足相关试验要求，顺利通过各项指标。

1 系统组成

某驱动分系统主要由滤波器、电源单元（升压电源）、驱动器和电机等组成，其中驱动器分为高低位驱动器和方位驱动器，电机对应分为高低相电机和方位相电机，其组成如图1所示。

图1 系统组成框图

该系统输入为两路24 V电源，其中主路由滤波器输入到电源单元，经过电源单元升压后电压由24 VDC升压为270 VDC后输出，电源单元输出供电给驱动器内逆变为3相交流电源，最后供电给电机。另外一组电源由试验台供电给驱动器等控制电机转动。

2 电磁兼容试验

系统进行电磁兼容试验时所有设备供电，设备正常工作，电机开始旋转。在整个试验项目测试中包含传导与辐射发射（CE102、RE102）、传导与辐射干扰敏感度（CS101、CS114、CS115、CS116、RS103）。除CE102和RE102测试不合格，其余项目在测试过程中无任何问题，顺利通过。CE102测试结果如图2所示，RE102测试结果如图3、图4所示。

图2 CE102测试结果

图3 RE102测试结果（2～30MHz）

图4 RE102测试结果（30～200 MHz垂直极化）

3 系统EMI问题分析

3.1 用电系统的EMI问题

用电系统主要是指某驱动分系统内的电源单元和驱动器单元。

电源单元中包含的DC-DC升压模块以及驱动器中的逆变器和DC-DC模块，都为开关频率较高的开关电源。开关电路产生的电磁干扰是开关电源的主要干扰源，这是由于功率开关管在线路中以很高的频率进行开关操作，开关管在开通和关断瞬间产生出很强的开关噪声，具有较大幅度的脉冲，频带较宽且谐波丰富[1]。另外次级整流回路里整流二极管在关断时所产生的反向恢复电流也很大。

根据开关电源的工作原理和结构特点，开关电源电磁干扰主要分为两种形式，分别是传导和辐射[2]。在工作时容易沿电源线形成与开关频率有关的传导发射干扰信号，一部分频率较高的谐波干扰会以电源线为等效天线对外辐射，使开关电源形成辐射发射的潜在干扰源，另一部分会通过空间缝隙或耦合至其他线缆对外进行辐射。

3.2 互连线缆的EMI问题

线缆是构成系统的重要组成部分，实现设备供电、设备间通信、数据传输等各种功能。某驱动分系统由电源单元、驱动器和电机构成，线缆数量较多、种类多、传输信号类型比较丰富，各模块之间通过低频线缆连接。

线缆是系统电磁辐射干扰的重要来源，当设备的主电路结构被一屏蔽体包裹起来以后，就能十分有效地防止电路板对外的辐射干扰，这时进出模块壳体结构的各类电源线和信号线就成为干扰主要的传输通道；同时，各种线缆还会起着天线的作用，向平台空间辐射电磁能量，对电源线和信号线均是如此。

3.3 接地和搭接问题

合理的接地和搭接措施是控制设备内部电磁干扰、抑制分系统之间相互串扰的重要手段之一。

该驱动分系统整个结构要求是一个等位体，各个模块需要搭接到机箱框架的主体结构上，以保证共电位。因此，在搭接过程（设备外壳的接地过程）中，需要重点关注搭接条的选择和搭接方式。

搭接条按要求采用扁平状、高电阻率的金属条。另外，为了避免搭接条的天线效应，在进行搭接的过程中，应将搭接条就近连接到主体结构（车体）上，减小搭接条的长度。同时，搭接还应牢固、可靠，避免松动连接，以形成可靠的电气连续性，可避免搭接点的电化学腐蚀效应。

3.4 外壳屏蔽问题

从系统组成来看，该系统中单个设备盖板和机箱壳体间由于安装螺钉间隙过大导致存在电磁泄漏缝隙，另部分连接器与箱体间未紧密导电接触也导致箱体内电磁能量向外辐射，导致整个设备不能通过《军用设备和分系统 电磁发射和敏感度要求与测量》（GJB151B—2013）中RE102的要求。

4 电磁兼容整改措施及验证

根据第3节的分析，针对某驱动分系统内单体设备进行了如下具体整改措施。

4.1 电源滤波处理

EMI滤波技术对于抑制开关电源的干扰，特别是传导干扰方面有非常明显的效果。EMI滤波技术首先是电源的输入端接入电源滤波器，尽可能在源头上抑制电磁干扰，这是抑制传导干扰的重要方法[3]。

4.1.1 电源滤波器的安装和使用

用电设备以及设备连接线缆的EMI问题绝大部分可以通过滤波方式来解决。在解决电磁兼容问题时，对滤波器的设计和使用的要求如下：（1）滤波器与干扰源位于同一腔体内；（2）滤波器的输出、输入线应分开，防止输出、输入线间的耦合，如果不能分开，则输出、输入线采用屏蔽线缆，长度尽量短；（3）滤波器壳体和地之间的阻抗应尽可能保持低阻抗；（4）应尽量减小电源滤波器和负载公共地阻抗间的耦合。

4.1.2 输入滤波器的设计

在本系统整改过程中针对系统电源单元进行了如下滤波处理。由于滤波器属于外挂结构，电源单元和驱动器内的电源模块干扰较强，因此在屏蔽所有线缆的情况下对滤波器进行了更改电路。驱动器内部电源输入端增加滤波器，电路原理如图5所示。

图5 驱动器内滤波器原理图

4.2 互联线缆屏蔽处理

由于设备滤波器属于外挂部分，驱动器内的滤波器与连接器无法形成一体化结构，输入线缆由于中间连接继电器等设备无法完全屏蔽，导致干扰信号通过输入和输出线缆对外辐射，形成一个辐射强度较高的干扰天线。在本次整改过程主要进行了以下处理。

（1）选择一种屏蔽度较高的屏蔽套，要求制作电缆的屏蔽层连续、没有截断且各处均匀紧密，从而保持屏蔽层的屏蔽阻抗分布均匀[4]。

（2）双绞屏蔽线或者其他线缆内部的屏蔽线与连接器尾部接地，最好360°接地，建议屏蔽层位于尾部附件以内，避免裸线过长。屏蔽层与外部屏蔽层可通过焊接或者金属填充物填充尾部附件的孔洞，从而满足接地要求。

（3）建议线缆屏蔽层与连接器接触处使用的热缩管采用屏蔽热缩管进行热缩连接，采用该种方式可以保证线缆屏蔽层与连接器360°环接，形成哑铃结构成为箱体的屏蔽的延伸。

4.3 机箱的屏蔽处理

在实际的屏蔽中，电磁场屏蔽效能更大程度依赖机箱的结构，即导电的连续性。机箱上的缝隙、开口等都是电磁波的泄漏源。

为保证机箱结构的导电连续性，建议进行以下处理：

（1）在结构条件允许下，尽量保证设备的屏蔽完整性，增加安装螺钉，减小螺钉间距，使缝隙长度相应减小；

（2）对连接器与壳体、盖板与壳体等安装面进行导电密封处理，尽量保证设备壳体的导电连续性。

4.4 整改结果

经过以上措施的处理，对CE102和RE102进行复测，测试全部合格。测试曲线如图6～图8所示。

图6 CE102测试结果

图7 RE102测试结果（2～30 MHz）

图8 RE102测试结果（30～200 MHz垂直极化）

5 结 论

为了通过该驱动分系统的电磁兼容测试，对系统进行摸底测试，然后针对测试中出现的问题进行定位分析，特别是对某驱动分系统中滤波、屏蔽、接地等各个方面深入分析，采用对应的相关措施，取得了明显的效果。因此在设计过程中一定要切实考虑设备系统的电磁兼容性能要求，按照电磁兼容设计规范采取对应的电磁兼容设计措施，可为后期电磁兼容试验节约大量的人力和物力成本，也进一步提高了产品的性能。