SVG子模块PCB壳体的电磁屏蔽效能仿真分析

孙德林 张中胜 曹利伟 徐国良

（1.常州博瑞电力自动化设备有限公司，常州 213025；2.南京南瑞继保工程技术有限公司，南京 211100）

电磁屏蔽是用屏蔽体阻止高频电磁场在空间传播的一种方法。静止无功发生器（Static Var Generator，SVG）子模块中的印制电路板（Printed Circuit Boar，PCB）壳体为保证板卡舱内微电子元器件不受与它相近的绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）或者晶闸管的工作频率的电磁干扰，通常对板卡舱外部加上金属屏蔽壳体[1]。但是，由于板卡舱内部的微电子元器件工作时需要散热、器件接线等因素的存在，需要在壳体上开孔开缝。外界的电磁干扰通过这些孔缝耦合到机箱内部，造成PCB中敏感元器件的波动，影响电路的正常工作，造成子模块无法正常运行。本文采用基于有限元原理的ANSYS HFSS仿真软件，对不同情形下的PCB壳体开孔和材质进行分析，给出提高机箱屏蔽效能的改进措施。

1 电磁屏蔽理论

屏蔽是一种空域的电磁干扰控制方法，用来抑制电磁噪声沿着空间传播，即切断辐射电磁噪声的传输途径。理论上，很多电磁兼容问题可以通过屏蔽来解决。通过电磁屏蔽方法解决电磁干扰的问题不会影响电路的正常工作，因此不需要更改电路。

屏蔽也是利用屏蔽体阻止或减少电磁能量传输的一种措施。屏蔽体是用以阻止或减小电磁能传输而对装置进行封闭或遮蔽的一种阻挡层，可以是导电、导磁、介质的，或带有非金属吸收填料。对干扰源或感受器（敏感设备、电路或组件）进行屏蔽，能有效抑制干扰，并提高电子设备的电磁兼容性，是电子设备结构设计必须考虑的重要措施之一。简单来说，电磁屏蔽是同时抑制或削弱电场和磁场，一般采用屏蔽效能来定量分析和表示屏蔽体对电磁骚扰的屏蔽能力和效果。屏蔽效能的定义是指不存在屏蔽体时某处的电场强度E0（磁场强度H0）与存在屏蔽体时同一处的电场强度E1（磁场强度H1）之比SEdB，常用分贝（dB）表示[2]。

对电场，屏蔽效能SEdB为：

对磁场，屏蔽效能SEdB为：

理论上：对于近场，电场和磁场的近场波阻抗不相等，电场屏蔽效能和磁场屏蔽效能也不相等；对于远场，电场和磁场是一个统一的整体。电磁场的波阻抗是一个固定的常数，因此可以认为电场的屏蔽效能和磁场的屏蔽效能是相等的，统称为电磁屏蔽效能。

2 建模与仿真

2.1 建模与前处理过程

同等面积下，3种不同开孔形状的仿真PCB壳体模型如图1、图2和图3所示。

图1 无开孔壳体

图2 圆形阵列孔

图3 正六边形阵列孔

电磁场无论从屏蔽体的内部空间穿透到外面或者从外面进入其内部空间，都可以归结为两个途径，即经屏蔽体材料的穿透和电气上不连续处（空洞、缝隙）的泄露[3]。

为探讨解决工程实际问题，基于SVG产品子模块的PCB壳体的几何尺寸为长×宽×高=470 mm×270 mm× 61.6 mm的矩形封闭壳体。它的表面开有供板卡通风的散热孔和接线孔。PCB壳体中心为坐标原点，壳体6个面上开有散热阵列孔和接线端子孔。PCB壳体壁厚度t为1.2 mm。如图4所示，设置仿真的激励源偶极子发射源位于壳体正中心原点处，测量点位于为3 m处的位置。模拟测试PCB壳体上无开孔、壳体开孔为圆形阵列孔和六边形阵列孔、壳体材质为普通的Q235材质和防腐的304材质的屏蔽效能仿真对比分析。使用有限元法求解电磁场时，有必要引入一个包围该物体的虚构面，将无线的区域截断为有限的体积[4]。因此，建模时模型外面加了一个长×宽×高为620 mm×420 mm× 210 mm的矩形体作为辐射的边界条件（如图5所示），材质为真空。本文中如无特殊说明，平面电磁波都是垂直入射，频率范围为100 MHz～1 GHz[1]。

图4 激励源

图5 边界条件建立

2.2 同一材质壳体不同孔阵的屏蔽效能仿真分析

以不同开孔状态下的PCB壳体进行仿真，同样的壳体分别选择无孔、圆形阵列孔以及正六边形阵列孔为仿真分析对象，仿真结果如图6所示。

图6 同一材质壳体不同孔阵的屏蔽效能曲线

根据仿真曲线结果可知，此PCB壳体在同一种材质下的3种状态。壳体外表面增加通风散热孔和接线孔明显，比没有开孔的电磁屏蔽效能降低，且在低频阶段的屏蔽效能相差约60 dB；高频阶段相差不大，约为10 dB以内，谐振点附近无差异。同一种材质下，在开同等面积的通风散热孔为圆形阵列孔和正六边形阵列孔在频率为低频阶段时，二者的电磁屏蔽效能基本相当。在高频阶段和谐振点附近，二者也基本相当。需要注意的是，高频阶段0.6～1 GHz区间，谐振点附近此PCB壳体的屏蔽效能整体上都较差，影响其屏蔽效能的主要因素已不再是开孔形状。高频阶段使用时，注意校对器件的自振频率，尽量避开此谐振频率点[5]。

2.3 同一开孔形式不同材质的屏蔽效能仿真分析

实际工程应用中，根据工程现场环境如盐雾、潮湿等不同工况，综合考虑防腐等级、成本。常规内陆工程通常采用普通的Q235材质板为PCB壳体材质；盐雾环境考虑到防腐等级要求高，则采用304（或316）不锈钢材质板作为PCB的壳体[6]。现将二者不同材质同一开孔形式（圆形阵列孔）的电磁屏蔽进行仿真对比分析，仿真结果如图7所示。

图7 Q235材质和304材质壳体圆形阵列孔的屏蔽效能曲线

从上述仿真曲线结果来看：Q235材质板和304材质壳体屏蔽效能基本相当；在谐振点的位置，Q235材质壳体的屏蔽性能优于304材质壳体。

3 结语

仿真结果表明，此SVG子模块板卡舱的PCB壳体外部开孔后会影响自身的电磁屏蔽特性。该结构在工程中实际使用中板卡上焊接的微电子元器件可能会受到外部干扰，从而导致故障。因此，在进行结构设计时，如果无法避免开孔的情况下，尽量减少开孔数量和减小开孔大小。在低频阶段同材质且同面积同规律孔阵列的情况下，圆形孔、六边形孔的屏蔽效能二者相当，可以忽略不计。在高频阶段，谐振点附近三者不同的孔屏蔽效能都降低了，建议高频阶段需要注意器件的自振频率，以注意避开谐振点。同形状同面积的不同材质的孔阵列壳体，Q235材质的屏蔽效能在低频阶段和304材质的屏蔽效能一致，在高频谐振点附近Q235材质壳体优于304材质壳体。在低频阶段，壳体材质和开孔形状对屏蔽效能影响不大。壳体如果使用在高阶频率的情况下，设计屏蔽体开孔时需要综合考虑开孔的形状、壳体材质、开孔的美观性，同时还要考虑到关键器件（IGBT）的自身频率和壳体的谐振点频率，尽可能调整结构，使电路器件响应频率避开壳体自身的谐振频率。