淺談軌道交通車輛電源裝置輻射發射的抑制

紀文東,毛涌捷,趙 益

(中車青島四方車輛研究所有限公司 電氣電子事業部,山東 青島 266031)

軌道交通車輛電源裝置通過DC/DC、AC/DC 等變換形式實現供電轉換,變換過程中IGBT、MOSFET和IPM 等功率器件開關過程將產生較強的電磁干擾,電磁干擾會通過電纜并以空間磁場耦合的形式分別形成傳導發射和輻射發射。對于傳導發射,往往可以通過濾波、接地等電路設計得到較好的抑制。反觀無法具象化的輻射發射的抑制是電源裝置設計過程中的難點,也是容易忽視的一點。由于輻射發射類的電磁干擾極易串擾車輛電氣設備,特別是影響車輛運行的控制設備,以及旅客攜帶的敏感電子儀器(如心臟起搏器),危害車輛安全可靠運行和旅客身體健康[1]。因此,抑制軌道交通車輛電源裝置輻射發射意義重大。

1 電磁兼容試驗標準和要求

目前,國內外軌道車輛電源裝置適用的電磁兼容試驗標準主要有EN 50121-3-2:2016[2]、IEC 62236-3-2:2018[3]和GB/T 24338.4—2018[4],三項標準相互對應,針對輻射發射的測試方法和限值相同。采用如圖1所示的測試方法,將被測設備放置于10 m 法電波暗室,輻射發射測試頻率不大于1 000 MHz,限值要求如下:在30～230 MHz頻率范圍內,限值40 dBμV/m準峰值;在230～1 000 MHz 頻率范圍內,限值47 dBμV/m 準峰值[4]。

圖1 測試方法示意圖

2 輻射發射抑制原理

對于電源裝置的輻射發射抑制主要分為抑制干擾源和切斷耦合路徑2種方式[5]。電源裝置輻射發射干擾源主要由IGBT、MOSFET 和IPM 等功率器件的開關過程以及回路中的共模電流形成。功率器件在開通關斷瞬間,會產生較大的du/dt和di/dt,并在周圍空間產生輻射磁場[6]。回路中的共模電流往往通過電源裝置內的接地結構或公共結構傳輸到電纜上,電纜與大地(或鄰近其他大型導體)形成環路面積,也將會產生較強的輻射磁場[7]。抑制干擾源就是在電源內部電路上盡量減小開關過程中產生的du/dt和di/dt,合理設計接地回路以及濾波參數,減少共模電流。切斷耦合路徑的主要措施為屏蔽強輻射干擾源[8]。

3 輻射發射抑制措施

從減小共模電流角度,推薦使用鐵氧體磁環,其在抑制高頻共模電流方面效果顯著[9],能同時抑制共模電流的傳導發射和輻射發射,磁環應盡量放置在箱體出線口處,直流回路線纜應注意正負線同時穿過磁環。箱體內部布線應避免交叉和距離過近的情況,電源線電纜、信號線和控制線應當分開布置,必要時可對電源線電纜施加屏蔽,屏蔽層應滿足雙端接地。

從屏蔽強輻射干擾源角度上,要保證電源裝置屏蔽連續性。原則上,只有電源裝置的箱體外殼呈現出完整的、閉合的金屬殼體,同時單點接地,即形成法拉第籠時,才能有效的隔絕箱體內外的電磁干擾。因此,只有保證箱體整體屏蔽結構的連續性,輻射發射的抑制才能達到最佳效果[10]。本文針對箱體結構設計中容易忽略的地方,列舉了幾種參考措施。

3.1 箱體門板接地、屏蔽設置

軌道交通車輛電源裝置通常安裝于車下,因有防護等級要求,在門板和箱體結合處會設置密封膠條,箱體和門板均做噴漆處理。一些電源裝置在設計時,門板通過箱體接地的途徑僅靠箱門閉合時,拉緊門鎖鎖舌(圖2)與箱體內部擋塊之間的接觸。這種接觸式接地的方式極不可靠,極易形成輻射發射的泄露缺口。

圖2 門鎖鎖舌示意圖

為避免上述問題,在箱體設計時,可以采取以下2種措施:

(1) 在保證箱門正常開合的前提下,可在門板和箱體上均設置接地柱,通過盡可能短的接地線連接,如圖3所示,從而實現可靠接地。

圖3 門板與箱體接地示意

(2) 使用導電密封膠條代替橡膠材質密封膠條,如圖4所示。門板粘貼密封膠條位置,以及箱體與門板接觸位置不噴漆,鍍鋅處理。導電密封膠條含有導電微粒,被廣泛應用于需要密封和電磁屏蔽的場合,通過這樣的設計可以保證箱門閉合時屏蔽結構的連續性,有效防止輻射發射泄漏。

圖4 門板密封膠條示意圖

3.2 箱體焊接方式

電源裝置箱體常見的焊接方式為斷續焊,同時為保證箱體的密封性,使用密封膠封堵箱體斷續焊縫間隙,如圖5所示。這種焊接和密封處理方式會造成箱體的焊接縫隙分布廣泛,且密封膠不具備導電性,無法保證箱體屏蔽結構的連續性,引起輻射發射泄漏[11]。建議在滿足工藝要求的條件下,箱體的焊接方式可以由斷續焊改為滿焊。

圖5 斷續焊示例圖

3.3 散熱片接地設置

為滿足電源裝置功率開關器件散熱需求,采用自然散熱方式的電源裝置通常設有較大尺寸的散熱片,散熱片外露,如圖6所示。若散熱片無接地設計,就相當于大面積的輻射天線。為了抑制輻射發射,務必在散熱片內側設置接地柱,同時在功率模塊框架上設置接地柱,通過盡可能短的接地線將兩者連接,將干擾信號通過地線引出。

圖6 散熱片示例圖

3.4 濾波器安裝設計

電源裝置大多使用無源EMI濾波器,在選型設計時,除了需要滿足自身阻抗與干擾源阻抗和負載阻抗匹配外,還需注意調整輸入、輸出EMI濾波器的安裝位置,使之與電源裝置對外接口部分的連接線盡可能短且無交叉,以防止串入相鄰電纜上的大電流產生的輻射干擾,串入的干擾會通過電源裝置對外接線向外發射,造成對外接口部分的輻射發射值超標。

EMI濾波器外殼為導電材質,無論通過安裝板還是直接安裝于箱體上,濾波器外殼都應大面積地緊貼安裝面,且安裝面不建議噴漆,可改為鍍鋅處理,如圖7所示。同時,設置接地柱將濾波器接地螺柱就近接地,安裝板接地柱與箱體接地柱再通過接地線連接。

圖7 濾波器安裝示例圖

3.5 箱體通風部分設計

采用自然散熱方式的電源裝置,其使用的磁性元件通常放置于通風腔體,腔體采用開孔的金屬門板封閉,例如百葉窗結構,這樣會導致磁性元件產生的輻射發射從縫隙中泄露。常用的屏蔽措施為在此類結構的內側鉚接波導窗板,如圖8所示,波導窗因良好的電磁屏蔽效果,被廣泛應用于需要通風散熱和電磁屏蔽的場合,可有效降低輻射發射。

圖8 百葉窗和波導窗示例圖

4 產品優化后的試驗

某型電源裝置依據GB/T 24338.4—2018中規定的測試方法和要求,進行輻射發射項目的試驗測試,測試頻率范圍對應的峰值限制如表1所示。

表1 輻射發射機箱端口測試要求

測試天線距離被測設備3 m,第一次測試的摸底結果顯示,被測產品在30～40 MHz頻段內,在不確定的角度上輻射發射準峰值超標,超出限值2.23 dB,測試曲線如圖9所示。

圖9 整改優化前的測試曲線

按照上文列舉的優化方法,對被測產品進行優化處理,再次測試,測試曲線如圖10所示。測試結果顯示,被測產品在30～40 MHz頻段內,輻射發射準峰值已降低至40 dBμV/m 以下,符合檢驗標準要求,整改優化效果顯著。

圖10 整改優化后的測試曲線

5 結束語

隨著國內外軌道交通行業的快速發展,軌道交通車輛電源裝置在機械結構、原理拓撲等方面日趨復雜和多樣,開關頻率也在不斷提高,這對電源裝置的輻射發射性能提出了更高的要求。本文介紹的部分抑制措施已在軌道交通車輛電源裝置中普遍應用,取得了不錯的效果,可以借鑒參考。對于產品電磁兼容性能優化,應在設計初期充分考慮,結合應用經驗、仿真分析[12],借助專業儀器,達到對于不同干擾源、干擾耦合路徑的識別,進而采取相應措施,徹底解決輻射發射超標問題。