高功率脈沖電源的強電磁脈沖干擾防護技術研究＊

楊 丹，康 強，金 暉，羅光耀，王 艷

（中國工程物理研究院應用電子學研究所，四川 綿陽621900；高功率微波技術重點實驗室，四川 綿陽621900）

1 引言

高功率脈沖電源各部組件工作電壓由幾十伏逐級提高到數百千伏，工作頻率分布在直流低頻到兆赫茲的范圍。不同電壓等級、電流強度和振蕩頻率的電路共存在一個系統，電磁環境相對復雜，電源系統自身的電磁兼容（EMC）設計呈現出重要性[1]。EMC 設計除了進行系統電磁環境特性分析外，更多需要針對裝置和線路的具體特點問題進行實踐，既要通過性能測試檢驗設計方案驗證可行性，又要進行設計優化。

2 高功率脈沖驅動電源電磁環境分析

高功率脈沖驅動電源各個電子設備和功率元件工作在不同的頻率、電壓、功率狀態，因此系統自身就構建了一個復雜的電磁環。脈沖功率源工作在高電壓、大電流模式，在重頻脈沖放電時會產生強電磁波輻射[2]，而組成脈沖功率源的主要元件都屬于高壓大功率器件，具有較強的耐受能力。

脈沖驅動電源的大功率火花開關在瞬間電離開關電極間的絕緣氣體，形成大電流傳輸通道，電流上升時間達到1 kA/ns，峰值電流超過10 kA，高頻電磁輻射出現在脈沖電流上升階段。當開關重頻工作時，連續輻射的強電磁脈沖將對低壓和弱電元件產生持續干擾，甚至造成敏感元件的功能喪失。多開關同步運行的脈沖源可等效為多個輻射單元在同時工作，其電磁脈沖損傷效應將大于單開關工作狀態。

電磁輻射源通過近場耦合和遠場輻射的方式形成高頻電磁脈沖傳導和輻射干擾。在高壓脈沖電源強電磁環境中，電磁脈沖通過信號線、控制線、電源線等線纜進行線束傳輸，直接侵入敏感部件，影響電子設備工作穩定性[3]；而空間輻射的干擾波形頻率多集中在1 GHz 以內，且強度和范圍分別隨距離和輻射源角度變化。圖1 給出了某脈沖驅動源電磁輻射干擾的典型測試波形。

實驗表明，脈沖驅動源運行時不同測量位置處均可測得強電磁脈沖傳導干擾和空間干擾波形，其中以近高壓開關處波形幅值最大。通過頻域分析，幅值最大處多集中在20 MHz以內。由此可見，強電磁脈沖干擾多產生于開關導通瞬間電路中通過的大電流。

圖1 脈沖驅動源電磁輻射干擾測試波形

3 脈沖驅動電源的電磁兼容問題

脈沖驅動源的前級充電單元包括了MOSFET觸發電路、PWM 產生電路、穩壓電路、光電轉換電路等，含有眾多敏感元件，在電磁干擾作用下易失效。高低壓線纜及接地網絡交織在一起，頻率范圍寬、相互影響概率較大。

脈沖驅動電源控制單元產生多路高精度延時觸發信號，控制電源按既定時序關系運行。控制單元工作電壓為低壓直流電，輸出控制信號皆為TTL 等低壓信號，屬于電源系統中電磁干擾的敏感設備。

隨著脈沖功率源性能提升，di/dt 和dv/dt 等電參數的增大，一方面給低壓電路和電子線路帶來大量的電磁兼容問題；另一方面，高壓脈沖放電時的瞬時地電位抬高也會對低壓電路帶來擾亂。為確保系統正常工作不受強電磁脈沖干擾影響，需要采取屏蔽、隔離、接地等技術途徑并結合抑制材料、元器件選型、工程布線等手段提高系統的電磁兼容能力。

4 電磁干擾防護措施

4.1 高壓電源電磁輻射隔離設計

脈沖驅動源充電單元結構示意圖如圖2 所示，包括高壓模塊、低壓模塊和觸控組件3 部分。大法蘭盤首先對火花開關輻射的電磁脈沖進行隔離，高壓法蘭盤和低壓法蘭盤對透射進來的電磁波再起到雙重屏蔽作用。脈沖前沿10 ns 的電磁波透入深度不足0.1 mm，采用5 mm 鋁板可同時起到結構支撐和電磁隔離的作用。為了保護觸發電路、控制電路等敏感電路免受來自脈沖功率源和高壓模塊的電磁脈沖干擾，在其外部設計一個厚2 mm 的不銹鋼外殼。

圖2 脈沖充電單元結構示意圖

為了減小單元傳導干擾，在有電源輸入的地方使用了電源濾波器，在有低壓信號輸出的地方采用信號濾波器等防護措施。在充電單元輸出端增加一組反峰抑制電路，防止脈沖驅動源的反向高壓脈沖沿線路侵入低壓電路。

4.2 低壓驅動電路電磁干擾保護

充電單元全橋逆變器工作電壓高，采用脈沖變壓器隔離驅動的方法。在觸發電路的基礎上，每路驅動電路增加了脈沖變壓器隔離電路。

PWM 控制器將反饋環路上的光耦更改成磁耦，通過隔離變壓器將采樣到的直流電壓變換成交流信號，通過變壓器傳遞，然后在原邊側要兩次整流變成PWM 控制器能接收的直流信號。磁反饋可靠性高、抗輻噪能力強、受溫度影響小，適用于強電磁輻射環境。

4.3 信號傳導與屏蔽

典型的傳導干擾途徑主要有信號傳輸線纜、通信連接線纜、電源線等。為此，在信號傳輸與通信連接的線纜選擇上，經過光電轉換處理，采用全光纖數據接口的數字化信息傳輸網絡。

消除通信線纜形成的干擾途徑后，高功率脈沖驅動電源系統主要需要消除從電源線傳入的干擾信號。為此，采用“隔離變壓器+DC/DC 多級隔離”方式提供低壓弱電敏感設備的電源輸入，減少電壓波動和電源線路串擾的影響。電源濾波器加裝在屏蔽機柜接入側，用于抑制電源線纜引入的干擾噪聲。

4.4 脈沖驅動電源接地

脈沖功率源外殼作為高壓電脈沖輸出時的低壓回路，該殼體同時為驅動電源系統的公共高壓接地點，低壓控制系統的接地點不得與脈沖高壓直接共地。

充電單元包含高壓、低壓、高頻、低頻多種不同的電路單元，宜采用混合接地法。低頻電路采用單點接地法，高頻電路采用多點接地法，然后將各類地的最佳參考點通過地線再連接到同一參考地電位點上，以形成統一的地電路系統。

控制單元中有多種電子線路，地線應分組敷設，其中，信號地線采用“懸浮地”，屏蔽機箱外殼可靠接地，形成電氣通路，為屏蔽箱體上的電荷提供泄放通路。

5 結論

火花開關是高功率脈沖電源強電磁脈沖輻射的主要來源，低壓電路和控制單元是電源系統電磁防護的重點對象，通過對線間傳導和空間耦合兩種侵入方式的抑制，同時改進系統接地，可以有效解決高功率脈沖電源強電磁脈沖干擾問題。