在我的咨询工作中，大多数低频(150 kHz到几MHz)在功率转换器应用中传导发射是由差模(DM)射频(RF)噪声引起的。产生这种噪声的根本原因包括直流链路设计差、开关缺少缓冲电路和DM滤波效率低。然而，最近在一些应用中，低频端发现了显著高水平的共模噪声。
与低频CM噪声相关的挑战包括:
- 铁氧体磁芯的阻抗在这样的频率是非常低的，使他们无效。
- y级电容器是有效的，但泄漏电流的要求限制了电容器的价值。
- 屏蔽可以工作;通过和失败之间的细微差别通常取决于在哪里终止保护。
这些挑战意味着改装方法不容易实现，从制造商的角度来看，重新设计通常被认为是昂贵的。
本文介绍了几个案例研究，其中故障排除工具(如射频电流探头和电阻探头)在故障排除低频传导发射方面被证明是有效的。本文还解释了低频CM噪声产生的根本原因，并提出了解决这些问题的建议。LISN中的“CM噪声映射”和将CM噪声转换为CM电压是一种新的技术，可以加快EMI故障排除过程。
案例研究1:电动汽车充电站应用
某电动汽车充电站在EMC测试室内进行的辐射辐射测试均未通过。在这种情况下，被测设备(DUT)是一个60kw的单元，由三相电源供电。租用测试设备和运输大型设备的高成本使得在测试室内进行EMC故障排除的成本很高。
在工厂现场测试和故障排除DUT被证明是一个具有成本效益的解决方案。额定75安培的三相LISN很难租到(在英国)，并且需要一个大的隔离变压器来防止它在客户的工厂现场跳闸断路器。因此，一对匹配的射频电流探头被用作传导发射的主要故障排除工具。使用一对匹配电流探头的概念首次在[1]中引入;在我们的案例研究中，匹配对确保同时测量DUT子系统中的射频电流。
射频电流监测探头广泛用于测量和故障排除电缆上的电磁辐射。在[1]中，Smith演示了如何扩展电流探头在EMI故障排除中的使用，其中包括扩展其低频响应，使用一对匹配的探头进行高级故障排除，以及测量电缆上的导电压降。Wyatt在[2]中讨论了射频电流探头的原理和应用，包括自制探头的制作和特性的详细说明。
图1展示了在DUT的两个位置使用的一对匹配的电流探头。DUT直接从电源供电(没有使用LISN)。一个探头夹在L1、2、3和单元市电入口点(滤波器前)的零线周围，测量CM电流，另一个探头位于滤波器后。图1还显示了测量到的三相市电电缆上的CM电流(单位为dBμA)。噪声分布与测试室的LISN测量相似(L3上的传导发射如图1所示)。使用以下公式获得以dBμA为单位的RF电流读数。
我(μ)=V探针(μV) /ZT(Ω)
我(dBμA) =V探针(dBμV)ZT(dBΩ)
在哪里V探针是来自频谱分析仪的当前探针读数。ZT是探头的传输阻抗(依赖于频率)，可以在制造商的数据表中找到。
结果中有两个共振峰，一个共振位于1.5 MHz，另一个接近6.8 MHz。这些噪声是由DUT中使用的现成的AC/DC转换器引起的，可以通过在转换器的交流输入线上放置铁氧体来轻松地抑制。在150 kHz至700 kHz范围内的低频噪声很难被铁氧体磁芯消除，因为铁氧体在该低频范围内阻抗较低。
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图1。电流探头测量显示了与LISN测量相似的轮廓 |
图2展示了探头1和探头2在150 kHz到10 MHz频率范围内的比较结果。可以看出，三相滤波器在一定程度上抑制了CM噪声(在大多数频率范围内超过30 dB)，但仍差几个dB通过测试。图1中的LISN结果表明，为了确保通过已进行的排放测试，需要额外降低6 dB。
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图2。比较两对电流探头的CM电流结果探头1、滤波器前CM电流;探头2、CM电流经过滤波器。 |
低频范围内的CM噪声
DUT中较高的CM噪声是传导发射失效的主要原因。要解决噪声问题，必须清楚地了解噪声的传播路径。
噪声是DM还是CM很大程度上取决于到地球的耦合路径(在这种情况下，它是作为RF参考的真实接地点)。在单相电力系统中，由于产品的火线和中性线是双重绝缘的，所以不需要接地线，对地电容极低。因此，对地阻抗主要由人工手的阻抗决定。
工业设备(通常由三相电源供电)通常是接地的，并有一个相当大的接地散热器与电源开关设备螺栓连接在一起，这形成了从开关转换器的噪声节点到接地的高电容，如图3所示。当开关快速开关时，由于Cdi/dt的影响，会产生大量的CM噪声。从晶体管到地球的10 nF电容并不少见，在200 kHz时，阻抗仅为80 Ω。
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图3。电源开关装置用螺栓连接到经常接地的散热器上 |
了解CM噪声传播路径可以为该问题提供解决方案。降低噪声的一种方法是降低噪声节点对地的电容。这可以通过浮动散热器来实现，尽管这种方法通常需要系统中有足够的空气冷却。
有时，晶体管和散热器之间的屏蔽可以很好地工作，这恶化了热传导路径。这再次证明了设计工程师经常面临的效率和EMC之间的权衡。其他时候，在接地线上的阻流器/铁氧体会有所帮助，但这可能会使辐射噪声更糟。
故障排除和问题解决
一旦在滤波器之前和之后测量了CM噪声，然后在DUT的关键共模传播路径中使用相同的电流探头，包括整流器的交流电缆、直流链路母线、控制电缆、以太网电缆链路等。这是一种我们称之为“CM噪声映射”的技术。这个练习将直流链路确定为观察到显著高水平CM噪声的“热点区域”。
从直流母线到散热器的两个电容器被放置以降低噪声，临时修复(仅用于故障排除，而不是最终实现)如图4所示，其中每个电容器的电容值为330nF，可以看到在滤波器后面测量的噪声降低了，特别是在感兴趣的频率点(180 kHz, 300 kHz及以上)。触摸电流也被检查，以确保没有过多的泄漏电流是由额外的电容添加到系统。在EMC室中的后续测试表明，当正确设计的电容PCB改造到系统中时，进行的发射测试通过了。
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图4。在散热片的直流母线之间添加电容降低了滤波后测量到的CM电流 |
案例研究2:电动汽车车载充电器
电动汽车车载充电器(OBC)在车辆级EMC充电测试中未能通过排放测试。如图5所示，故障频率范围在200 - 300 kHz之间。请注意，在本例中显示的是中性线的结果，但其他导线的轮廓几乎与中性线相同，这表明CM噪声可能是主要噪声。这里应该指出的是，OBC已经通过了一个良好的零件级测试，车辆级故障表明，当OBC安装在车辆上时，它的布线和线束可能是造成噪音的原因。
在这种情况下，调查是在一个车辆试验室内进行的，在故障查找阶段有一个三相LISN可用。电流探头夹在L1、2、3和中性线周围测量CM电流。由于在该测试中使用了三相LISN，因此可以从CM电流[3]计算LISN共模电压;这是详细解释。
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图5。OBC传导发射(中性) |
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图6。CM电压与CM电流的关系 |
图6显示了CM噪声电压V厘米，由每条电力线的总噪声电压得出，V1，V2，V3、VN。CM电压分量是矢量和的四分之一V1，V2，V3、VN。在L1、2、3和中性线周围放置电流探头，测量到的CM电流总量为4×我厘米，则可推导出CM噪声电压为
V厘米= 50 ×我厘米= 50 ×我探针/4 = 12.5 ×我探针
V厘米(dBμV) = 22 +我探测器(dBμA)
在哪里V厘米CM电压是由LISN和测量的吗我探头为射频电流探头，单位为dBμA。
当把22 dB分解到电流测量结果中，可以得到CM电压;然后将该结果与LISN测量结果进行比较，如图7所示。在这种情况下，传导噪声主要是CM。
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图7。(a)电流探头夹在L1,2,3和N附近;(b) CM电压与LISN结果的比较 |
传导发射噪声是共模的事实意味着OBC的地线将携带大量的CM噪声。在这种情况下，OBC的地线有一个接头，其中一个连接到电动汽车充电器，另一个连接到汽车底盘。是底盘连接导致了故障。为了证明这一点，我们用自制的电阻探头测量了连接地线的底盘支架上的表面电流。电阻式探头在[4]中首次引入;探头尖端如图8所示。由图8可知，当OBC工作时，底盘上的低频噪声明显较高。
当我们从底盘支架断开地线时，传导辐射降低了。请注意，地线仍然通过充电连接接地，因此安全方面没有受到损害。
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图8。使用自制电阻探头测量底盘表面电流 |
结论
当电力电子设备被螺栓固定在电源转换器的散热器上时，由于开关节点和散热器之间的寄生电容，会引入显著高水平的CM噪声。了解噪声路径对解决排放问题至关重要。本文提供了一些有用的故障排除技术，以加速故障排除过程。
参考文献
[1] |
D.史密斯。”当前探测器，比你想象的更有用”。 |
[２] |
K.怀亚特，《高频电流探头:理论与应用》干扰技术，2012。 |
[3] |
张先生，”分离共模和差分模信号”。 |
[4] |
D.史密斯。”电阻式电流探头”。 |