基于HFSS仿真分析的控制箱电磁兼容

杨开宇， 谭天洪， 高印寒， 柯 慧， 宋玉河， 蔡文静

(1.吉林大学 a.汽车工程学院，吉林长春 130022;b.仪器科学与电气工程学院，吉林长春 130021)

0 引言

人工智能技术及功率半导体器件技术的进步，促进了电源技术的进一步发展。如今，电源技术日益向轻量化、小型化、集成化、高频化方向发展，由于开关电源固有的特点及其内部的越来越复杂的电路，使其成为一个很强的电磁干扰源，产生的各种电磁干扰对周围电子设备的正常工作造成很大威胁。在实际工程中，为了解决开关电源带来的电磁干扰问题，通常加装屏蔽箱。一个绝对密封的箱体能达到非常好的屏蔽效能，但任何一个实际的屏蔽箱都不可能达到这种理想状态，为了进出线束和散热，不可避免地需要在箱体上进行开口，另外，电子元件在箱体中通常需要加开散热孔，开口的存在将导致电磁泄漏。正是基于这一工程实际问题，运用电磁场仿真中专业的ANSOFT HFSS软件，结合协同学原理［1］来进行仿真研究。

1 开关电源的工作原理及EMI分析

1.1 开关电源主电路的构成

开关电源先将工频交流电通过整流桥整流为300 V左右的直流电，经过电容滤波后进入变压器加到开关管的集电极进行高频振荡，反馈绕组反馈到基极维持电路振荡。负载绕组感应的电信号，经整流、滤波、稳压得到直流电压给负载供电。负载绕组在提供电能的同时，也起到稳压的作用，其原理是在电压输出电路中接一个电压取样装置，监测输出电压的变化情况，并及时反馈给振荡电路调整振荡频率，从而达到稳压之目的。从交流电网输入到直流输出的全过程，主要包括:输入滤波器、整流与滤波、逆变、输出整流与滤波［2］。

滤波与整流和常用电路类似，本文不再赘述。在此，简述一下振荡电路，振荡电路主要由集成电路和高频变压器组成。集成电路可采用UC38等系列［3］的集成块，输出方波频率为10～500 kHz。为了简化电路将开关管简化为开关K，并受到集成电路输出方波的控制，高电平时接通，低电平时断开。

图1中的Ui是前文提到的300 V左右的直流电，N1、N2分别是高频变压器的初级、次级线圈，N3是辅助线圈，作为辅助电源给初级的芯片等供电(图中略去了其详图)。开关K接通时，输入电源Ui通过开关K和滤波电路提供给负载R0，在整个开关接通期间，电源Ui向负载提供能量;当开关K断开时，输入电源Ui便中断了能量的提供。图中，由电感L、电容C和二极管D2组成的电路，具备储能功能。电感L用以储存能量，在开关断开时，储存在电感L中的能量通过二极管D2释放给负载，从而使负载得到连续而稳定的能量，保证了直流供电。

图1 高频振荡简图

1.2 开关电源EMI分析

开关电源电磁干扰(Electromagnetic Interference，EMI)是指开关电源在工作的过程中可能对周围的设备或系统性能降级的电磁现象，这些干扰主要由基本整流器产生的高次谐波电流和功率变换电路产生的尖峰电压引起。

基本整流器在整流过程产生高次谐波电流是产生EMI最常见的原因。这是因为工频交流正弦波通过整流后不再是单一频率的电流，而是单向脉动电流［4］，经傅里叶分解可得:

式中:Im是峰值电流，i除了包含直流分量外，还含有一系列频率不同的高频谐波分量。这些高频谐波沿着输电线路产生传导干扰和辐射干扰，使前端电流发生畸变，一方面使其前端电源线上的电流波形发生畸变，另一方面通过电源线产生射频干扰。同时功率变换电路是开关稳压电源的核心，开关管在高频下的通、断过程产生大幅度的电压和电流跳变，因而产生强大的脉冲电磁骚扰。

2 分析建模

箱体内部的信号线通常采用屏蔽线以保证信号的准确性和可靠性，加之开关电源电磁骚扰的频率通常小于200 MHz。开关电源及电控箱中其它小功率设备的几何尺寸都远小于200 MHz电磁场对应的波长(空气介质中约为1.5 m)。为了简化分析模型，依据协同学原理，箱体内部的电磁分布情况可以不予考虑。由于一般器件及导线的电磁辐射与开关电源的高频干扰比起来是可以忽略不计的，本文运用协同学原理把开关电源当作唯一的干扰源。根据电磁屏蔽原理［5］，在理想导电材料做成的完全密封箱体，是不会对外产生电磁骚扰的。

实际工程中，完全密封是不存在的。首先，箱体必须要开门，门的开口处通常都会留下狭小的缝隙，这会造成电磁泄漏。其次，控制箱必然有线束的引入、引出，这就需要开口，开口也会造成一定的电磁泄漏。控制箱最大的电磁泄漏来自于散热孔。散热孔是专门给易发热的电子元器件散热的装置，散热孔的引入会进一步影响箱体的场分布情况，尤其是箱体内有开关电源这一类在工作时会产生高频振荡的原件时，电磁泄漏［6-7］将成为一个不得不面对的问题。在工程上，很多时候散热孔的开凿只注重了美观，忽视了电磁泄漏。基于此，本文通过ANSOFT HFSS软件对市面上几种常用散热孔进行建模、仿真，分析不同散热孔时的电磁泄漏情况，以此来指导今后的实际工程应用。在工程中，散热孔极少有开单孔的。

设Sn是总面积，用总面积相同的n个小孔阵代替一个大孔，将使透出的电磁场减小为1/。因此工程中多采用孔阵，常见散热孔阵可分为:圆形孔阵、正方形孔阵、矩形孔阵。根据电磁学原理，矩形的长边横过电流通路时，电流分布将遭到更严重的破坏，其影响要比圆孔或正方形孔严重，也就是说矩形孔要比圆形或正方形孔的传输系数大。设n个孔的面积均为s，屏蔽体的面积设为M。当Ms，且电磁波的波长远大于孔的尺寸时，则电磁场通过孔阵的传输系数［9］可表示为:

当孔的形状为圆形孔时k=1，当孔的形状为正方形时，k=1.05，当孔的形状为长方形时k＞1。由此可知正方形孔阵与圆形孔阵的传输系数几乎相同，而长方形孔阵的传输系数要明显大于两者。即圆形孔阵与正方形孔阵的电磁屏蔽效果相当，矩形孔阵的屏蔽效果最差。

考虑到其他设备的电磁辐射能力均远小于开关电源的电磁辐射能力，本文将开关电源建模为唯一的干扰源。并选取控制箱的下半部分开有孔阵，此处建模的散热孔的单孔面积、孔的个数、孔阵总面积均相等［10］，内部由于都是开关电源产生的电磁骚扰，故干扰源也使用同一干扰源，且在同一位置。模型如图2所示(后文仿真的展示图从左向右依次均为圆形孔阵、正方形孔阵、矩形孔阵):

图2 常见散热孔阵建模

3 仿真验证

模型确立好后，需要确定激励和边界条件［11］才能进行仿真分析［12-13］。ANSOFT HFSS是专业电磁场仿真软件之一，因此其仿真结果具有非常高的可信度。为了便于观测仿真结果，在原控制箱的外面建了一个等大的空气盒子，空气盒子的边界设为理想辐射边界。仿真过程中矩形散热孔阵采用了多种长宽比［14］不同的孔阵(2∶1，3∶1，8 ∶1，18 ∶1)，得到的结论是一致的，限于篇幅，此处不失一般性，只展示长宽比为3∶1的矩形孔阵的仿真情况，不同形状散热孔阵的电磁场仿真结果如图3所示。

图3 不同形状散热孔阵的电磁场分布主视图

通过图像，可以得出结论，在开孔面积相同的情况下，圆形孔阵的屏蔽效果是最好的，正方形孔阵的屏蔽效果与之相当，矩形孔阵的屏蔽效果最差。

通过上图可以看到，电场强度远大于磁场强度，在此记录了空气盒子上电场分布的侧视图。

通过图4可以清晰地看到，圆形孔阵时，空气盒子上的电场强度约为200 V/m，且分布区域较窄;正方形孔阵时，空气盒子上的电场强度约为200 V/m，但分布较宽;矩形孔阵时，空气盒子上的电场强度高达600 V/m，且分布较宽。这一仿真结果进一步说明了圆形孔阵的屏蔽效果最好，正方形孔阵的屏蔽效果与之相当，略低于圆形孔阵的屏蔽效果，矩形孔阵的屏蔽效果最差。这与图3所得到的结论是完全一致的。

现把空气盒子改为高度和半径均相同的空气圆柱，边界条件仍然设为辐射边界，其他条件不变，仿真在柱体外侧的电磁场分布，得到如图5所示的结果。

图4 空气盒子上电场分布侧视图

图5 空气柱上电磁场分布图

从上图仍然可以得出:穿过圆形孔阵的电磁场最弱［15］，穿过矩形孔阵的电场最强，这与上文的结论是一致的。因此，实际开孔时，为了达到更好的电磁兼容效果，应尽可能选择圆形孔阵，而且应尽量避免矩形孔阵。

4 结语

本文经理论推导后，采用ANSOFT HFSS电磁场仿真软件进行建模分析，参考工程实际，在激励源相同的情况下，对电磁场通过不同形状孔阵的屏蔽效果进行仿真。理论与仿真得出了一致结论:在实际中，圆形孔阵的屏蔽效果最好，正方形孔阵的屏蔽效果与之相当，矩形孔阵的屏蔽效果最差。这为以后装有开关电源的控制箱的设计提供了坚实的理论基础。孔阵的屏蔽效果直接决定了控制箱的电磁兼容性，上述结论为以后更加深入的电磁兼容理论研究提供了支撑。

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