电力电子电路电场串扰屏蔽方法研究

杨纯海

（荆州职业技术学院，湖北 荆州 434020）

引言

当前，现代电子技术得到了快速的发展，电力电子产品的功率密度不断增加，同时在电路结构当中，其铜线的设置也逐渐变得复杂且繁琐。由于高频率开关的电源在运行的过程中，其电压与时间的微分比值较高，因此其节点造成的电场出现串扰的问题，会直接影响到电路结构的运行质量，因此针对这一问题，相关领域研究人员开展了深入的探究，并将如何实现对电场串扰问题的屏蔽作为研究重点。在电压与时间的微分比值较高的节点上，针对采样电路的电场串扰问题，轻度影响会使得电力电子电路的输出控制精度无法得到保障，重度影响则会造成整个电路结构的无法正常启动和运行。当前，针对电场串扰的问题研究，主要可划分为对其产生原因、影响因素以及抑制等方面[1]。

1 电力电子电路电场串扰屏蔽方法设计

1.1 电力电子电路电场串扰噪声频谱特征提取

为了避免串扰现象对电力电子电路电场的稳定、安全运行造成影响，本章采用提取串扰噪声频谱特征的方式，对其串扰特性进行分析。在此过程中，应明确电路中PCB的高压电流导线属于电场在运行中的直接干扰源，此干扰源会通过电场中相邻导线的电容，对其周边导体、电气、小信号装置的运行产生串扰现象，在此种条件下，干扰源发射信号，敏感导线接收信号，定义电场中两根敏感导线在传输信号与电流时，产生的寄生电容表示为Cp，电场发生干扰后产生的电压表示为u（t），此时，可将敏感导线上的位移电流表示为i，对应i的计算公式如下。

当电场中运行的敏感导线存在其他分支电路时，可将电路终端的元件运行产生的二次干扰电流作为有效电流，对其进行信号放大处理，即可实现对电场串扰噪声频谱特征的有效提取[2]。在此过程中，以Boost电路元件为例，需要先按照上述计算公式，对此导体产生的电场进行串扰分析，分析后根据串扰信号，构建一个电场运行高频率波形图，定义波形图中电压的幅度值为U，在此基础上定位前端造成串扰信号的干扰源，根据串扰电压的动静态表现形式，对分支电阻率进行计算。掌握电路中不同分支的电阻率后，对其进行采样，得到电场的分路电阻，将存在异常的电阻作为敏感点。根据现有已知信息，建立一个与电力电子电路电场运行模式相同的干扰电路，根据波形图的表达方式，定义电场中电压值的上升与下降速度均表示为v，按照傅里叶表达方式，对u（t）进行详细表达，表达式如下。

式中：T表示为信号占用电路电场运行的空比；C表示为开关打开与关闭状态，当C=1时，表示等效电路处于打开运行状态，当C=0时，表示等效电路处于关闭非运行状态；n表示为开关数量；Φ表示为开关打开频率。根据上述计算公式，分析电力电子等效电路图，进行C=1状态下，电路干扰噪声的提取，根据噪声值与分析过程，绘制电路电场串扰噪声频谱特征图像，如下图1所示。

根据上述图1中所示的内容可以看出，电路电场串扰信号的上升或下降，会随着频率点的变化而发生变化，当频率点为时，串扰噪声值最大。结合图1中的内容及上述分析得出，在频率点为时，可实现对电路电场串扰噪声频谱特征的准确提取，基于提取到的内容可为后续屏蔽地线参数设定提供重要依据。

1.2 基于电场串扰噪声频谱特征的屏蔽地线参数设定

将上述图1作为参照，根据电场串扰噪声频谱特征，对屏蔽地线参数进行设定，在此过程中应明确，屏蔽地线需要按照电路电场输电线路的并行方向假设，根据屏蔽地线的架设高度，可从水平与位移两个方向，对地线的屏蔽效果进行分析。此次设计的地线屏蔽方式参照下述表1。

表1 地线屏蔽方式设计

随着屏蔽地线架设高度的提升，地下预设的根数应当随之增多。以架设单根屏蔽地线为例，对线路参数进行设计，具体参数如下表2所示。

表2 单根屏蔽地线架设参数设计

按照上述方式，对单根屏蔽地线架设参数进行设计，架设过程中，需要先进行线路屏蔽位置水平方向上的确定，根据预设的水平位置，对屏蔽线的高度进行确定。在此基础上，分析架设不同高度的成本，选择经济效益最佳的方式，进行屏蔽线路的架设，以此种方式提高架设效果的屏蔽效果。

1.3 屏蔽地线布设方式设计

在明确不同电场串扰噪声频谱特征下的屏蔽地线参数后，针对其布设方式进行设计。由于电压与时间的微分比值较高的节点，会通过容性耦合对周围导线产生一定的电场串扰。因此，针对这一问题，采用减小线间寄生电容的屏蔽思路，以此实现对电场串扰的屏蔽。通过增大两个屏蔽地线之间的距离或减小屏蔽地线的宽度，都能够减小寄生电容。因此，基于这一特点，分别从线间距离和线宽方面入手，实现对屏蔽地线的布设。图2为屏蔽地线布设方式示意图。

由于在实际应用中，屏蔽地线布设的距离会受到电路结构本身尺寸和规格的影响，使得布设参数常常无法满足实际需要，并且无法实现对屏蔽地线长度的无限增加。因此，基于上述两个限制条件，本文采用在干扰源导线和敏感导线之间布设一根屏蔽地线或多根屏蔽地线的方式，实现对其屏蔽能力的提升，以此实现对寄生电容数值的降低，从而不断减少电场的串扰影响，进而达到屏蔽的效果。在实际进行对屏蔽地线的布设时，若存在两根或多根屏蔽地线同时布设的情况，结合经验将其之间的水平距离控制在3 m左右最佳，若布设地段对屏蔽地线下方环境的要求过高，则可以考虑采用多根屏蔽地线布设的方式，以此达到最佳的屏蔽效果。

2 实例应用分析

结合本文上述论述的内容，在明确了屏蔽方法的基本思路后，为了验证这一方法的实际应用效果，选择以某种常见的电力电子电路结构作为本文实验的研究对象。已知该研究对象由于使用时间过长，本身质量存在问题，使得当前其运行过程中极易受到周围电场串扰影响，造成电路运行质量无法达到预期要求。因此，针对这一问题，引入本文上述提出的屏蔽方法，对该电力电子电路结构进行优化，在实现对其优化的同时也进一步验证本文屏蔽方法在实际应用中是否具备可行性。为了实现对本文屏蔽方法应用效果更加直观的判定，选择将本文屏蔽方法应用前后电力电子电路运行时寄生电容。通过本文上述论述可知，寄生电容越大，则说明电场串扰影响程度越大，屏蔽效果越不理想；反之寄生电容越小，则说明电场串扰影响程度越小，屏蔽效果越理想[3]。根据上述论述，结合公式（1）中的内容，确定屏蔽方法应用前后电力电子电路的位移电流，进一步推导得出其寄生电容。下页表3为屏蔽方法应用前后电力电子电路中的位移电流和寄生电容变化数据记录表。

从下页表3中得到的数据可以看出，本文屏蔽方法应用前，其位移电流均在1.25 A以上，而寄生电容也均在12.25 pF以上，在应用本文屏蔽方法后，位移电流降低到了0.50 A以下，寄生电容也同样降低到了0.55 pF以下。从表3中的两组数据对比可以看出，本文提出的屏蔽方法在应用后实现了对位移电流和寄生电容的有效降低。根据上述论述得出，该电力电子电路的电场串扰影响程度得到明显降低，达到了理想的屏蔽效果。

表3 屏蔽方法应用结果记录表

3 结语

综合本文上述论述，提出了一种全新的电场串扰屏蔽方法，并结合实例证明了该方法在实际应用中的可行性。为了进一步提高这一屏蔽方法的应用价值，在今后的研究当中，还将针对影响寄生电容的屏蔽地线之间距离以及线宽等参数进行更加深入的分析，从而实现对屏蔽地线更合理的参数设置和布设，进一步提高屏蔽效果。在实际应用本文上述提出的屏蔽方法时，应当将屏蔽地线的水平位置尽可能设定在电场强度较高的位置上，若需要完成对多根屏蔽地线的架设，则还需要保证其整体结构的中间位置向两边形成对称排列的结构，以此才能够进一步发挥屏蔽地线的屏蔽效果。同时，由于研究时间和能力有效，在对上述屏蔽方法设计时，没有充分考虑到电力电子电路本身结构对电场串扰的影响问题。因此，针对上述问题，也将从电力电子电路本身角度出发，通过对其进行优化设计，在源头上减少电场串扰发生的可能，从而确保电力电子电路能够具备更高的运行质量。