舰船大功率整流电源电磁兼容整改分析

王俊炎，李 鹏，

舰船大功率整流电源电磁兼容整改分析

王俊炎1，李 鹏2，

（1. 海装武汉局驻武汉地区第三军事代表室，湖北省，武汉市，430070；2. 武汉第二船舶设计研究所，武汉 430064）

大功率舰船整流电源满功率工作时出现了非正常停机现象，CE102传导发射及RE102辐射发射测试项目超标，装载系统后，会对整个电力系统至控制系统带来多方传导干扰，综合分析发现，大功率整流电源内部开关器件开关频率及其倍频的电磁干扰、柜体屏蔽性能欠佳是超标的主要原因。通过在整流电源的输入、输出端进行针对性的EMI滤波和屏蔽设计，有效解决了大功率整流电源的电磁兼容问题。

整流电源；电磁兼容；滤波；屏蔽

0 引言

舰船大功率整流电源[1]因输出电流大、开关频率高、滤波屏蔽空间小等特点，是舰船电力系统电磁兼容设计[2-3]的重点。受安装部位空间狭小、布置紧凑等限制，其滤波装置往往因设计空间限制难以有效提高插入损耗。同时海洋环境温湿度条件恶劣，耐盐雾霉菌要求高，对滤波装置的环境耐受水平和可靠工作能力的综合考核要求较高。

1 舰船大功率整流电源

大功率整流电源作为舰船电网的重要设备，其工作的稳定性直接关系到舰船电力系统的可靠供电。

大功率整流电源线路连接框图如图1，整流电源输入取自交流380 V电网，内部经过升压整流和直流降压变换后得到高压直流电，向直流电网的负载供电，同时整流电源内部控制模块的供电来自AC220 V电网。

图1 大功率整流电源线路连接框图

2 大功率整流电源非正常停机问题

大功率整流电源额定功率工作时，发现整流电源内部的电压、电流及温度采集信号受到了干扰，电流反馈采集信号受干扰后直接达到保护阈值，引起整流电源的非正常停机，并导致电网中的用电设备失电，为定位干扰源，对整流电源的传导发射项目电磁兼容性进行测试。

设备工作在额定功率时，依据GJB151B-2013《军用设备和分系统电磁发射和敏感度要求与测量》的限值要求测试了设备交流输入线的CE102传导发射项目；对设备的交流输入线、直流输出线、辅助电源线以及设备机壳进行RE102辐射发射项目的测试。

CE102传导发射项目测试结果如图2，在80 kHz～1.1 MHz、2.5 MHz～3 MHz、3.2 MHz～6.5MHz频段，最大超出限值约34.79 dB。

图2 传导发射项目CE102测试结果

RE102辐射发射项目测试结果如图3，图3(a)～图3(c)的对应频段，最大超出限值分别约为16.57dB、20.71dB、3.29dB。

图3 辐射发射项目RE102测试结果

3 整流电源电磁兼容性超标原因分析

用近场探头对大功率整流电源内部的开关器件、电抗器、显示面板、机柜壳体焊接处等逐个进行电磁噪声定位测试，发现内部开关器件处的近场噪声最高，且其特征频段与开关器件的开关频率及其倍频吻合。

整流电源内部DC/DC降压电路的开关器件开通、关断过程中，瞬时电压、电流变化急剧，电压变化率dv/dt、电流变化率di/dt大，会产生开关频率（50kHz）及其倍频频段的电磁干扰[2-3]，常是引起CE102传导发射项目超标的主要原因；其次，电磁干扰会沿着整流电源内部的铜排或线缆传导，进而产生辐射发射，导致RE102辐射发射项目超标。因此，应针对整流电源内部的干扰源，先解决设备外部互联线缆的传导干扰问题，再从设备柜体屏蔽角度出发，解决辐射超标问题。

采用电流探头和频谱分析仪，首先区分整流电源交流输入侧电磁干扰的类型（差模或共模干扰），再根据差模、共模干扰的特征频段，针对性的设计EMI滤波器，保证CE102传导发射项目通过测试并留有较大裕量；另外，由于整流电源内部开关器件产生的电磁干扰也会通过开关器件的输出侧向外传导，进而产生辐射发射，整流电源的输出侧同样需要设计EMI滤波器进行滤波处理，截断电磁干扰的传输路径；最后，应结合RE102项目的测试结果，通过探针排查设备柜体焊接及开孔处的泄漏点，对柜体内外的屏蔽层进行针对性加固。

4 整流电源的电磁兼容整改

整流电源输入侧布置低频干扰抑制能力较强的EMI滤波器[4]，设计滤波电路时，多次改变焊接点和焊接工艺，变换了滤波级数和模式，并结合CE102项目的测试结果，针对性的选用特殊材质的铁基非晶和锰锌以及铁粉芯材质的磁性材料，图4为反复测试整改后的输入侧滤波电路拓扑。

图4 整流电源输入侧滤波电路拓扑

整流电源输入侧采用了四级滤波电路，用以增大EMI滤波器的低频插入损耗，滤波电感参数见表1。滤波电路中共模电感L3的磁芯采用铁基非晶材料，其非晶态（纳米晶）磁芯具有高饱和磁感应强度、高磁导率、高电感量、温度特性稳定等优点，其最佳干扰抑制频段在100 kHz以下，对整流电源交流输入侧的CE102项目的低频干扰具有良好的抑制作用。

共模电感L4的磁芯采用锰锌材料，锰锌磁芯具有高饱和磁感应强度、高磁导率、频率特性优良等特点，其最佳干扰抑制频段在50～500 kHz之间。

差模电感L5的磁芯采用铁粉芯材料，铁粉芯的磁导率低，但饱和磁感应强度高，其最佳干扰抑制频段在10～100 kHz之间，与差模电容Cx4相结合，可有效抑制低频的差模干扰。

对于500 kHz以上超标频段，电磁干扰的主要特征为共模干扰，滤波电路中共模电容Cy3可将高频干扰导入滤波器壳体，由于整流电源存在漏电流的考核要求，滤波电路中共模电容的容值不能超过10 nF。

整流电源的输出端口和辅助电源端口同样加装EMI滤波器，整流电源输出端的滤波电路主要用于降低沿设备输出线缆的传导干扰，进而降低设备整体的辐射发射水平，其滤除的干扰频段相对较高（2 MHz以上），滤波电路的拓扑相对简单，如图5，其内部共模电感Lc的磁芯采用锰锌材料。

图5 输出滤波电路原理图

由于整流电源内部空间有限，且输入输出侧铜排的走线较为紧凑。为在有限空间内达到最佳滤波效果，将整流电源输入侧、输出侧和辅助电源三处的滤波电路集成化设计，形成组合式EMI滤波器，其三维模型如图6。

组合式滤波器左、右侧分别布置了输出、输入滤波电路，采用腔体式结构设计，输入、输出滤波电路布置在不同的腔体中，走线完全隔离，防止输入侧和输出侧的电磁干扰通过线路相互耦合。

RE102测试项目的改进，可从整流电源柜体的结构工艺入手，去除柜体不同搭接面的绝缘层，减小柜体结构件之间、连接器与柜体之间的搭接阻抗，搭接面处安装防盐雾的导磁金属丝网衬垫，填充整流电源机壳变形产生的缝隙，降低电源壳体的电磁泄露。

整流电源整改后的CE102和RE102项目测试结果见图7、图8，测试结果满足GJB151B-2013的限值[5]要求。整改后的整流电源额定功率运行时，其内部电压、电流及温度采集信号均正常，可长期稳定运行。

图7 整改后的CE102项目测试结果

图8 整改后的RE102项目测试结果

5 结语

舰船大功率整流电源的电磁干扰主要是整流电源开关频率及其高次谐波干扰，且干扰量级比较大。应选用合适的磁性材料电感，有针对性的设计低频干扰抑制能力较强的组合式EMI滤波器，就近安装于整流电源的输入及输出端口，并保证滤波器良好接地，充分发挥其共模抑制性能。同时结合平台内部复杂的电磁环境，加强设备柜体的屏蔽设计，采用组合导电衬垫，提升设备柜体搭接面处的导电连续性，提高设备整体的电磁屏蔽性能。

[1] 陈坚. 电力电子学—电力电子变换和控制技术：第2版[M]. 北京: 高等教育出版社, 2004.

[2] 江思敏. PCB和电磁兼容设计：第2版[M]. 北京: 机械工业出版社, 2008.

[3] 钱振宇, 史建华. 电气、电子产品的电磁兼容技术及设计实例[M]. 北京: 电子工业出版社, 2008.

[4] 赵春阳. 一种PWM电机驱动器的电磁兼容分析与设计[D]. 哈尔滨：哈尔滨工业大学, 2016.

[5] 陈世钢. GJB151B-2013解析[J]. 安全与电磁兼容,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，工程师，研究方向：舰船电气工程。E-mail:5707203@qq.com