小功率高频UPS的抗电磁干扰设计

中国电子科技集团38所 万静龙

合肥工业大学 刘 翔 张海燕

本文中的小型UPS采用全桥整流，Boost升压，半桥逆变，工作特性为高电压、小功率1KVA的电源。这种UPS体积相对较小，重量轻，大功率密度，高智能化，在工业、国防、办公领域使用量较大。但是，该类型UPS由于其固有的电路结构，它容易产生干扰，注入电网，影响邻近的电子仪器及电气设备的正常工作，所以这种电源如果不采取一定的措施就不能很好地应用于精度要求较高的场合，因此降低该类型UPS电源对外部环境的电磁干扰即EMI，是我们的一个重要任务。

另外我们必须解决的问题是该类UPS对工作环境的适应性即抗干扰能力。由于该类电源的工作环境是处于几百伏的电压到几伏的电压，既有高频信号又有低频信号，此外它们内部电磁分布相当复杂，它们内部的电路结构及其PCB布线，容易导致整个系统工作不稳定，且容易受到外部的浪涌、静电放电、电快速脉冲群的影响，使电源无法精确地工作。

综上所述，我们要求该电源必须满足两点要求：(1)不会污染周围的电磁环境，(2)它在现实的电磁工作环境中不会发生故障性能也不会下降。

一、UPS的EMl即电磁干扰

UPS的电磁干扰情况如图1所示，具体如下所述：

1.UPS电源的输入端为工频整流，我们采用传统的桥式整流[1]，如图2所示，这里没采用PFC只有大滤波电容充放电，因此输入电流是一个时间短，峰值很高的周期性尖峰畸变电流，含有丰富的高次谐波分量，它们注入电网，引起严重的谐波污染。整流二极管在反向恢复期间会引起。

2.开关管VT、VT1、VT2的工作频率都在20K以上，由于这类开关管导通时间极短，及逆变回路中引线电感的存在，导通时会产生很大的du/dt和很高的尖峰电压；开关管在关断时，关断时间短，将产生很大的di/dt和很高的电流尖峰，UPS电源的这种尖峰干扰通过输入/输出线传播出去而形成的干扰称为传导干扰，即传导性EMI。在输入/输出线传播同时，会在空间中产生电磁场，发生电磁辐射，这样产生的干扰称为辐射干扰。UPS电源中开关管的频率越高，它产生的传导干扰和辐射干扰也越强。

3.电感磁性元件引起的EMI。电感L1、开关管VT和滤波电容C1构成的高频开关电流环路能产生较大的空间辐射。如果电容器C1滤波不足，高频电流会以差模方式传导到输入交流电源中如图2中的I。

4.高频工作下的元件都具有高频寄生特性，高频工作时，导线变成了发射线，电容变成了电感，电感变成了电容，电阻变成了共振电路，会使其工作状态产生影响并使其频率特性发生了相当大的变化，变成UPS电源中的辐射干扰源。例如高频整流二极管VD5也是一个重要的高频干扰源，它高速的通断工作在很高的du/dt、di/dt下会产生高频干扰沿直流输出线传出去。

5.电网中各种用电设备产生的电磁干扰会沿电源线进入UPS电源内部，此类EMI主要以共模或差模两种方式存在，其中能够对UPS电源造成损坏或影响其工作的主要是电快速瞬变脉冲群和浪涌冲击波。

二、UPS的电磁干扰抑制技术

1.抑制UPS电源的EMI，我们是无法彻底根除干扰源，只有尽量减小干扰源的能量。

(1)在开关管VT两端并接RC吸收电路，如图3所示，在开关管高速通断时，对开关管的能量加以缓冲并吸收功率，减少di/dt、du/dt。

(2)在二次回路中的高频整流二极管VD5两端并接RC吸收电路，在VD5高速通断时对其能量加以缓冲并吸收，减少di/dt、du/dt。

2.对于传导型电磁干扰EMI，我们设法在其的传导路径上设置障碍即滤波器，吸收并阻止电磁干扰。我们在UPS电源的输入端加电源滤波器，滤波器对高频呈高阻抗，对工频呈低阻抗，它不仅封锁了共模干扰，而且能够衰减了输入回路中的差模干扰。滤波是抑制传导干扰的一种很好的办法，在电源输入端接上滤波器，它具有双向抑制作用，既可以抑制UPS电源产生的向电网反馈的干扰，也可以抑制来自电网的干扰对UPS电源的侵害。

3.对于UPS电源输入端的二极管整流桥产生的谐波及无功，一种方法是采取功率因数校正(PFC)电路来提高功率因数并解决脉冲尖峰电流过大的问题，而另一种方法是采取差模滤波器这样可以抑制脉冲电流的峰值，并降低电流谐波干扰。

4.屏蔽。抗电磁干扰设计要实现以下两个目的：(1)通过优化UPS电源的电路和结构将UPS电源中的干扰源产生的电磁干扰强度降低到较低的水平。(2)通过各种抑制技术，将干扰源与被干扰电路之间的耦合减弱到可以接受的程度。屏蔽技术是达到上述两个目的、实现电磁干扰防护的最重要的手段之一[2]。屏蔽技术通常分为三大类：电场屏蔽(静电场屏蔽及低频交变电场屏蔽)、磁场屏蔽(直流磁场屏蔽和低频交流磁场屏蔽)及电磁场屏蔽(高频辐射电磁场的屏蔽)。

使用导电率良好的材料如金属对电场进行屏蔽，在此同时屏蔽体必须有完善的结构并良好接地，否则金属屏蔽体不起任何屏蔽作用。

磁场屏蔽的目的是消除直流和低频交流磁场干扰源与被干扰回路的磁耦合。我们采取高磁导率材料制成的磁场屏蔽体将需要磁屏蔽的磁场噪声源封闭起来，由于高磁导率材料磁阻很低，磁场噪声源的磁力线将封闭在此屏蔽体内，同时磁屏蔽体又能将外界干扰磁场的磁力线旁路，从而阻断了干扰磁场的藕合，起到了磁屏蔽的作用。

对于高频磁场，我们采用的屏蔽体为较优良的导体如铜、铝或铜镀银，它们是导磁率低的金属屏蔽体，它们将载流导体包围起来，让该屏蔽体中流过与中心载流导线电流大小相等、相位相反的电流，这样在屏蔽体的外部，总的干扰磁场强度变为零，达到了磁场屏蔽的目的。

5.接地。在UPS电源的电路系统中如果出现多点接地，就会有闭合的接地环路，当磁力线穿过该环路时将产生磁感应干扰，所以我们必须遵守“一点接地”原则，实际中很难实现“一点接地”。因此采用平面式接地或多点接地，降低地阻抗，消除分布电容的影响，我们用一个导电平面作为参考地，将需接地的各部分就近接到该参考地上。在有低频和高频信号共存的电源电路中，分别将低频电路、高频电路、功率电路的地线单独连接后，再连接到公共参考地上，从而有效地消除干扰。

图1 UPS电源干扰类型Fig.1 linterfernce type of UPS

图2 UPS电源的电路简图Fig.2 UPS circuit diagram

图3 抑制浪涌的方法Fig.3 Method of suppressing surge

图4 输入滤波电路Fig.4 input filtering circuit

图5 UPS电源EMl滤波器电路Fig.5 EMl filtering circuit of UPS

图6 高频逆变电路Fig.6 high frequency invert circuit

三、UPS电路的电磁兼容设计

1.输入电路的电磁兼容设计

输入滤波电路如图4所示，FV1为瞬态电压抑制二极管，RV1为压敏电阻[3]，具有很强的浪涌吸收能力，能吸收瞬间大电流，将电压钳制在一个预定的数值上，能很好地保护后级元器件使电路免遭浪涌电压的破坏，EMI滤波器必须良好接地，且接地线要短，最好直接安装在金属外壳上，还要保证其输入线、输出线之间屏蔽隔离，才能有效地切断传导干扰沿输入线的传播和辐射干扰沿空间传播。

UPS电源EMI滤波器基本电路[4]如图5：L1、L2是共模电感，是匝数相同，绕向相反且绕在同一磁环上的两只独立线圈，两只线圈内工频电流产生的磁通在磁环内相互抵消，因此共模电感对工频电流不起任何阻碍作用，避免磁环达到饱和状态，从而使两只线圈的电感值保持不变。

共模电容CY1和CY2是用来滤除共模干扰的。共模干扰的衰减在低频时主要有电感器起作用，而在高频时大部分由电容CY1和CY2起作用，CY1接于电源线和地线之间，需要其耐高压、低漏电流特性，CY一般在2.2uF~33uF，电容类型为瓷片电容。

CX1和CX2是差模电容，差模滤波元件和共模滤波元件分别对差模干扰和共模干扰有较强的衰减作用。实际使用中，由于共模电感绕组绕制工艺间会存在电感差值，不过这种差值正好被利用做成差模电感。所以一般电路中不必再设置独立的差模电感。共模电感的差值电感与电容CX1和CX2构成一个Ⅱ型滤波器。这种滤波器对差模干扰有较好的衰减。

差模电容CX接在两根电源线之间，对一般的高频干扰阻抗很低，故两根电源线之间的高频干扰可以通过它，差模电容CX对工频信号的阻抗很高，工频信号无法通过差模电容CX，所以工频信号的传输不受影响。CX电容选择主要考虑耐压值只要满足功率线路的耐压等级，能承受可预料的电压冲击即可，为了避免放电电流引起的冲击危害，CX电容容量不宜过大，一般在0.01~0.1uF之间，电容类型为陶瓷电容或聚酯薄膜电容。

2.高频逆变电路的电磁兼容设计

如图6示：VT﹑VT1﹑VT2为IGBT的开关器件，在VT﹑VT1﹑VT2开通和断开时，由于开关时间很短及引线电感，回路会产生较高的di/dt、du/dt形成EMI，为了消除此类干扰，在开关管VT两端并联RC吸收电路，VT1﹑VT2两端并联电容，缩短引线，减小引线电感。电容C、一般采用低感电容。这里我们还采用软开关技术，软开关技术是改善开关器件电磁兼容特性的一个重要的方法，开关器件通断会产生浪涌电流du/dt及尖峰电压di/dt，这是开关管产生EMI及损耗的主要原因，软开关技术使开关管在零电压、零电流时进行开关转换，可以有效地抑制EMI改善UPS电源的电磁兼容特性[5]。

3.输出LC滤波器参数的设计

UPS逆变器的输出为频率20K的SPWM方波，其基波为50HZ，还含有低次﹑高次谐波，谐波主要集中在20KHZ﹑40KHZ附近。为了得到标准正弦波，消除谐波，我们采用LC低通滤波器，其截止角频率为W=2R/L，R为公称阻抗，在80%×1000W，220V输出下，如果设截止频率f为20KHZ衰减4倍即5000HZ，则有实际电感取0.4mH，电容取2uf，电感磁芯采用铝硅铁粉芯，能取得较好的滤波效果，并且损耗小，温升低。电容采用无极性纸介电容。

四、结束语

针对小功率UPS电源的电磁干扰问题，我们不但改进了UPS电源的电路，还采用了滤波、屏蔽、接地等方法。实践证明本文中的方案经济可靠地解决此类UPS电源的抗干扰问题。本文中的方案不但能提高该类UPS电源的性能，降低它们的故障率，而且使它们的适用范围更加广泛。

[1]王兆安,杨君,刘进军.谐波抑制和无功功率补偿[M].北京:机械工业出版社,2004:84-89.

[2]张兴.高等电力电子技术[M].北京:机械工业出版社,2011:325-328.

[3]何金良.电磁兼容概论[M].北京:科学出版社,2010:186-18.

[4]Samjaya Maniktala.王志强译.精通开关电源设计[M].北京:人民邮电出版社,2008:244-254.

[5]王兆安,黄俊.电力电子技术[M].北京:机械工业出版社,2008:170-178.