舰用电源柜电磁兼容设计

蒋方圆，许 凡，任晓平

（上海船舶设备研究所，上海 200031）

0 引言

随着电子、电气、计算机、控制技术的迅速发展，舰船装备的电磁环境愈来愈复杂[1]。舰用电源柜是电能转换设备，其所处的环境伴随着大量的电磁能量转换。作为作战使用的电源产品，因其特殊的使命，必需具备在复杂电磁环境下正常运行的能力。当今电源柜功率密度和性能正不断提升，其电磁兼容难度也在大幅增加。抑制电磁干扰已经发展成为一门重要的学科。电磁兼容的基本传播方式是传导耦合和辐射耦合。接地、屏蔽、滤波是抑制电磁干扰的三大技术[2]。

舰用电源柜一般需要满足GJB 151A—2009《军用设备和分系统电磁发射和敏感度要求》、GJB 151B—2013《军用设备和分系统电磁发射和敏感度要求与测量》等规定的相关电磁兼容指标。目前国内已掌握电磁兼容的普遍理论，但在实际的工程项目中很多工程师却运用不佳。电源柜结构、走线路径、滤波元器件安装方式等对整个电磁兼容有着显著影响。本文提出了一种合理的电源柜结构型式，该结构尽可能的遵循了电磁兼容设计原则，在电磁兼容试验中表现优异。

1 电源柜的电磁兼容设计

1.1 电源柜的整体设计

图1为某型项目中充放电装置电源柜结构示意图，电源柜采用模块化设计，内部由5个模块组成。机柜主体材质采用Q235钢，Q235钢有良好的导电和导磁能力，且价格便宜，是十分理想的外壳材料。整机风道为前进上出，线缆通过底部屏蔽填料函进出，在机柜底部装有输入、输出滤波器。该电源柜的重要设计思路有以下2点：

图1 充放电装置电源柜结构示意图

1）模块化设计思路，将整个电源柜电路拆分成若干模块。这些单元安装在一个相对完整的机箱内，内部模块机壳可以实现对每个电气单元的一次屏蔽；机柜外壳实现电磁能量的二次屏蔽。

2）用一个相对完整金属屏蔽面将机柜内部隔离出两个腔体，外部线缆隔离在一个单独的腔体内。所有外部线缆都是径直接在滤波器上，确保未经滤波线缆在机柜内部长度最短。通过这样的结构型式，可以避免滤波器输入、输出线交叉耦合，最大限度的发挥滤波器效能。同时将滤波器的接口作为对外接口，可以很好的解决粗线转弯半径不足问题。

1.2 电源柜的接地、搭接设计

接地是将某个选定点与电位基础面之间建立一条低阻抗的通路，搭接是在2个金属之间建立一条低阻抗的通路，如果搭接平面中有一个是地，这种形式的搭接就是接地[3]。接地是抑制电磁干扰重要手段，合理的接地对抑制电磁干扰发挥着重要作用。接地的目的一般有如下几点：

1）与大地相连，提供一个公共的零电位，抑制外界电磁场干扰，确保电路稳定。

2）屏蔽需要接地，才能起到抑制电磁干扰目的。

3）防止静电荷积累，起到泄荷的目的。

搭接的目的在于为电流流动安排一个电气上连续的结构面，以避免在相互连接金属之间形成电位差，这种电位差会造成电磁干扰。

机柜内部接地点有机柜外壳接地、模块外壳接地、线缆屏蔽层接地、滤波器外壳接地。

机柜的搭接一般是在装配面处。图2为机柜门板示意图，在门板与箱体接触部位焊接不锈钢，并且不锈钢不做喷涂处理。在门板不锈钢槽内安装屏蔽材料，例如铍铜簧片。门板合理布置多个螺钉，以确保搭接的紧密性。

图2 机柜门板示意图

1.3 机柜的屏蔽设计

屏蔽的目的既可主动防止干扰源辐射电磁能量，也可被动防护敏感设备接受干扰源的辐射。屏蔽是利用屏蔽体减弱电磁传输的一种技术。如图3所示，为无限大金属平面屏蔽示意图，电磁波从左传输到右时，在左界面上一部分电磁波被反射回空气，这部份衰减称为反射损耗R；当电磁波在金属体内传输时，一部分能量被金属体吸收，这部分衰减称为吸收损耗A；电磁波到达右侧时，又按相同的规律从右侧传输到左侧，电磁波在左右两侧来回反射，这就是电磁波的反射现象，其对电磁波的衰减称为多次反射修正因子B。

图3 金属屏蔽示意图

无限大均匀金属体的屏蔽效能SE计算公式为

SE=R+A+B（1）

式中：SE为屏蔽效能。dB；R为反射损耗；A为反射损耗；B为反射修正因子。

1）通风孔的屏蔽。对于热流密度较大的一个电源柜来说，采用风冷设计时不可避免需要在机柜外壳上开孔，这些开孔将造成电磁泄露增加。通风孔的开孔原则是在满足散热面积的情况下，尽量减少孔的大小尺寸和数量，其中孔的尺寸对电磁泄露影响最为显著。图4为电源模块示意图，其通风孔的形状可以是圆形、矩形和六边形等。该充放电装置内部模块通风孔形状为对边尺寸5 mm的六边形；机柜外壳通风采用孔径3.2 mm，间距5 mm的圆孔。该充放电装置的通风孔在Q235钢板上冲压形成，这种工艺的通风孔的屏蔽效能往往优于截止波导窗。波导窗在边缘装配面上阻抗比较大，而直接冲压所得的金属孔完整性更高。

图4 电源模块

2）显示器件的屏蔽。机柜的显示屏选用满足电磁兼容要求的屏幕，这类屏幕外壳材质多数采用金属，视窗处使用屏蔽玻璃，并且在安装面上装有导电橡胶。如图2所示，用金属屏蔽罩将显示屏和指示灯隔离在一个相对密封腔体内，进一步降低此处的电磁泄露。

3）对外接线处的屏蔽。外部线缆穿过屏蔽填料函进入机柜，填料函外壳接地。进一步的可以将外部线缆隔出一个独立的腔体，避免外部线缆与内部元器件的耦合。

1.4 机柜的滤波设计

滤波是为了抑制传导干扰，滤波器就是解决传导干扰的核心器件。在实际工程中，滤波的错误使用造成滤波器没有起到应有的效果，甚至是收效甚微。安装滤波器应注意以下几点：

1）滤波器外壳应接地。

2）滤波器应尽量安装离电源入口近地方，避免未经滤波的线在设备内部耦合。

3）滤波器的输入、输出线尽量远离，避免交叉耦合，最好能在输入与输出之间加上一层屏蔽板。

图5为充放电装置滤波器的安装示意图，外部线缆进入机柜先接在滤波器上，然后在经过断路器等元器件。滤波器输入与输出之间有一层屏蔽金属挡板，避免滤波器输入输出线之间耦合。这样的设计最大的遵循滤波器的安装原则，定制设计的滤波器也能解决粗线转弯半径不足的问题。

图5 滤波器安装示意图

2 试验与分析

图6分别为充放电机柜CE101、CE102、RE101、RE102测试结果，图中直线为基准线，曲线为实测值。由图6(a)可知，电源线在0.25 kHz处CE101余量最小，约为11 dBμA；由图6(b)可知，电源线在20 kHz处CE102余量最小，约为9 dBμV；由图6(c)可知，进风口处RE101在低频段余量最小，但余量值却较大，约为32 dBpT，可见门板上直接冲压小孔的工艺能够起到非常好的屏蔽效果；由图6(d)可知，电源线在30 MHz处RE102余量最小，约为9 dBμV/m；综上所述4项电磁兼容指标均满足要求，该四项指标是相关指标中难度最大的，其他相关指标在测试中同样满足要求。

图6 电磁兼容测试结果

3 结论

本文介绍了电磁兼容理论，根据其理论提出了一种合理的电源柜结构型式。根据试验结果证明，该结构布局能够很好的解决电源柜的电磁兼容问题。提出的电源柜结构型式对于类似产品设计具有一定的借鉴价值，对于解决舰用电源柜电磁兼容问题具有很好的指导意义。