艦船大功率整流電源電磁兼容整改分析

王俊炎，李 鵬，

艦船大功率整流電源電磁兼容整改分析

王俊炎1，李 鵬2，

（1. 海裝武漢局駐武漢地區第三軍事代表室，湖北省，武漢市，430070；2. 武漢第二船舶設計研究所，武漢 430064）

大功率艦船整流電源滿功率工作時出現了非正常停機現象，CE102傳導發射及RE102輻射發射測試項目超標，裝載系統后，會對整個電力系統至控制系統帶來多方傳導干擾，綜合分析發現，大功率整流電源內部開關器件開關頻率及其倍頻的電磁干擾、柜體屏蔽性能欠佳是超標的主要原因。通過在整流電源的輸入、輸出端進行針對性的EMI濾波和屏蔽設計，有效解決了大功率整流電源的電磁兼容問題。

整流電源；電磁兼容；濾波；屏蔽

0 引言

艦船大功率整流電源[1]因輸出電流大、開關頻率高、濾波屏蔽空間小等特點，是艦船電力系統電磁兼容設計[2-3]的重點。受安裝部位空間狹小、布置緊湊等限制，其濾波裝置往往因設計空間限制難以有效提高插入損耗。同時海洋環境溫濕度條件惡劣，耐鹽霧霉菌要求高，對濾波裝置的環境耐受水平和可靠工作能力的綜合考核要求較高。

1 艦船大功率整流電源

大功率整流電源作為艦船電網的重要設備，其工作的穩定性直接關系到艦船電力系統的可靠供電。

大功率整流電源線路連接框圖如圖1，整流電源輸入取自交流380 V電網，內部經過升壓整流和直流降壓變換后得到高壓直流電，向直流電網的負載供電，同時整流電源內部控制模塊的供電來自AC220 V電網。

圖1 大功率整流電源線路連接框圖

2 大功率整流電源非正常停機問題

大功率整流電源額定功率工作時，發現整流電源內部的電壓、電流及溫度采集信號受到了干擾，電流反饋采集信號受干擾后直接達到保護閾值，引起整流電源的非正常停機，并導致電網中的用電設備失電，為定位干擾源，對整流電源的傳導發射項目電磁兼容性進行測試。

設備工作在額定功率時，依據GJB151B-2013《軍用設備和分系統電磁發射和敏感度要求與測量》的限值要求測試了設備交流輸入線的CE102傳導發射項目；對設備的交流輸入線、直流輸出線、輔助電源線以及設備機殼進行RE102輻射發射項目的測試。

CE102傳導發射項目測試結果如圖2，在80 kHz～1.1 MHz、2.5 MHz～3 MHz、3.2 MHz～6.5MHz頻段，最大超出限值約34.79 dB。

圖2 傳導發射項目CE102測試結果

RE102輻射發射項目測試結果如圖3，圖3(a)～圖3(c)的對應頻段，最大超出限值分別約為16.57dB、20.71dB、3.29dB。

圖3 輻射發射項目RE102測試結果

3 整流電源電磁兼容性超標原因分析

用近場探頭對大功率整流電源內部的開關器件、電抗器、顯示面板、機柜殼體焊接處等逐個進行電磁噪聲定位測試，發現內部開關器件處的近場噪聲最高，且其特征頻段與開關器件的開關頻率及其倍頻吻合。

整流電源內部DC/DC降壓電路的開關器件開通、關斷過程中，瞬時電壓、電流變化急劇，電壓變化率dv/dt、電流變化率di/dt大，會產生開關頻率（50kHz）及其倍頻頻段的電磁干擾[2-3]，常是引起CE102傳導發射項目超標的主要原因；其次，電磁干擾會沿著整流電源內部的銅排或線纜傳導，進而產生輻射發射，導致RE102輻射發射項目超標。因此，應針對整流電源內部的干擾源，先解決設備外部互聯線纜的傳導干擾問題，再從設備柜體屏蔽角度出發，解決輻射超標問題。

采用電流探頭和頻譜分析儀，首先區分整流電源交流輸入側電磁干擾的類型（差?；蚬材８蓴_），再根據差模、共模干擾的特征頻段，針對性的設計EMI濾波器，保證CE102傳導發射項目通過測試并留有較大裕量；另外，由于整流電源內部開關器件產生的電磁干擾也會通過開關器件的輸出側向外傳導，進而產生輻射發射，整流電源的輸出側同樣需要設計EMI濾波器進行濾波處理，截斷電磁干擾的傳輸路徑；最后，應結合RE102項目的測試結果，通過探針排查設備柜體焊接及開孔處的泄漏點，對柜體內外的屏蔽層進行針對性加固。

4 整流電源的電磁兼容整改

整流電源輸入側布置低頻干擾抑制能力較強的EMI濾波器[4]，設計濾波電路時，多次改變焊接點和焊接工藝，變換了濾波級數和模式，并結合CE102項目的測試結果，針對性的選用特殊材質的鐵基非晶和錳鋅以及鐵粉芯材質的磁性材料，圖4為反復測試整改后的輸入側濾波電路拓撲。

圖4 整流電源輸入側濾波電路拓撲

整流電源輸入側采用了四級濾波電路，用以增大EMI濾波器的低頻插入損耗，濾波電感參數見表1。濾波電路中共模電感L3的磁芯采用鐵基非晶材料，其非晶態（納米晶）磁芯具有高飽和磁感應強度、高磁導率、高電感量、溫度特性穩定等優點，其最佳干擾抑制頻段在100 kHz以下，對整流電源交流輸入側的CE102項目的低頻干擾具有良好的抑制作用。

共模電感L4的磁芯采用錳鋅材料，錳鋅磁芯具有高飽和磁感應強度、高磁導率、頻率特性優良等特點，其最佳干擾抑制頻段在50～500 kHz之間。

差模電感L5的磁芯采用鐵粉芯材料，鐵粉芯的磁導率低，但飽和磁感應強度高，其最佳干擾抑制頻段在10～100 kHz之間，與差模電容Cx4相結合，可有效抑制低頻的差模干擾。

對于500 kHz以上超標頻段，電磁干擾的主要特征為共模干擾，濾波電路中共模電容Cy3可將高頻干擾導入濾波器殼體，由于整流電源存在漏電流的考核要求，濾波電路中共模電容的容值不能超過10 nF。

整流電源的輸出端口和輔助電源端口同樣加裝EMI濾波器，整流電源輸出端的濾波電路主要用于降低沿設備輸出線纜的傳導干擾，進而降低設備整體的輻射發射水平，其濾除的干擾頻段相對較高（2 MHz以上），濾波電路的拓撲相對簡單，如圖5，其內部共模電感Lc的磁芯采用錳鋅材料。

圖5 輸出濾波電路原理圖

由于整流電源內部空間有限，且輸入輸出側銅排的走線較為緊湊。為在有限空間內達到最佳濾波效果，將整流電源輸入側、輸出側和輔助電源三處的濾波電路集成化設計，形成組合式EMI濾波器，其三維模型如圖6。

組合式濾波器左、右側分別布置了輸出、輸入濾波電路，采用腔體式結構設計，輸入、輸出濾波電路布置在不同的腔體中，走線完全隔離，防止輸入側和輸出側的電磁干擾通過線路相互耦合。

RE102測試項目的改進，可從整流電源柜體的結構工藝入手，去除柜體不同搭接面的絕緣層，減小柜體結構件之間、連接器與柜體之間的搭接阻抗，搭接面處安裝防鹽霧的導磁金屬絲網襯墊，填充整流電源機殼變形產生的縫隙，降低電源殼體的電磁泄露。

整流電源整改后的CE102和RE102項目測試結果見圖7、圖8，測試結果滿足GJB151B-2013的限值[5]要求。整改后的整流電源額定功率運行時，其內部電壓、電流及溫度采集信號均正常，可長期穩定運行。

圖7 整改后的CE102項目測試結果

圖8 整改后的RE102項目測試結果

5 結語

艦船大功率整流電源的電磁干擾主要是整流電源開關頻率及其高次諧波干擾，且干擾量級比較大。應選用合適的磁性材料電感，有針對性的設計低頻干擾抑制能力較強的組合式EMI濾波器，就近安裝于整流電源的輸入及輸出端口，并保證濾波器良好接地，充分發揮其共模抑制性能。同時結合平臺內部復雜的電磁環境，加強設備柜體的屏蔽設計，采用組合導電襯墊，提升設備柜體搭接面處的導電連續性，提高設備整體的電磁屏蔽性能。

[1] 陳堅. 電力電子學—電力電子變換和控制技術：第2版[M]. 北京: 高等教育出版社, 2004.

[2] 江思敏. PCB和電磁兼容設計：第2版[M]. 北京: 機械工業出版社, 2008.

[3] 錢振宇, 史建華. 電氣、電子產品的電磁兼容技術及設計實例[M]. 北京: 電子工業出版社, 2008.

[4] 趙春陽. 一種PWM電機驅動器的電磁兼容分析與設計[D]. 哈爾濱：哈爾濱工業大學, 2016.

[5] 陳世鋼. GJB151B-2013解析[J]. 安全與電磁兼容,2014(2): 15-24.

Analysis of EMC Rectification for High Power Rectifier of Marine

Wang Junyan1, Li Peng2

(1. The Third Military Representative Office of Wuhan Bureau of Naval Armament Department of PLAN, Wuhan 430070, 2. Wuhan Second Shipbuilding Design Institute, Wuhan 430064, China)

TM461

A

1003-4862（2023）08-0042-04

2023-04-11

王俊炎（1984.12），男，工程師，研究方向：艦船電氣工程。E-mail:5707203@qq.com