電子鎮(zhèn)流器的電磁干擾抑制

1、電子鎮(zhèn)流器的電磁干擾抑制2004-05-31    季仲華    中國照明電氣1 電磁干擾隨著現(xiàn)代科學技術(shù)的發(fā)展,電子、電氣設備或系統(tǒng)獲得了越來越廣泛的應用。運行中的這些設備或系統(tǒng)大多伴隨著電磁能量的轉(zhuǎn)換,高密度、寬頻譜的電磁信號充滿整個人類生存的空間,此外還有伴隨著各種自然現(xiàn)象產(chǎn)生的電磁能量,由此構(gòu)成了極其復雜的電磁環(huán)境。在這個環(huán)境中,任何能中斷、阻礙、降低或限制電子、電氣設備或系統(tǒng)有效性能的電磁能量被稱之為電磁干擾(EMI)。電磁干擾根據(jù)傳輸方式的不同,可劃分為傳導性電磁干擾與輻射性電磁干擾,前者指經(jīng)導線傳輸?shù)臒o用的電磁能量,后者指從電子設備或其連接

2、線中泄漏到空間的無用的電磁能量。電子、電氣設備或系統(tǒng)在預期的電磁環(huán)境中,必須具備按設計要求正常工作的能力,即一方面設備或系統(tǒng)應具有抵抗給定電磁干擾的能力,并且有一定的安全余量,二方面設備或系統(tǒng)不產(chǎn)生超過規(guī)定限度的電磁干擾。這是電子、電氣設備或系統(tǒng)的一種重要的技術(shù)性能電磁兼容性(EMC)。2 電子鎮(zhèn)流器的電磁干擾目前國內(nèi)管形熒光燈用獨立式電子鎮(zhèn)流器與一體化節(jié)能燈電子鎮(zhèn)流器的電路結(jié)構(gòu)大多采用電壓反饋半橋式準諧振電路,而電路中的功率對管又大多選用雙極型晶體管。在這種情況下,為了提高電子鎮(zhèn)流器的變換效率及可靠性,必須要求電路中的開關(guān)功率管開啟時間與關(guān)斷時間越短越好。具體說來：1) 開關(guān)功率管的總功耗

3、(PC)=開啟功耗(Pop)+導通功耗(Pon)+關(guān)斷功耗(Pcl)+截止功耗(Poff)。見圖1一般飽和壓降Uces、反向漏電流Iceo都很小,這樣開關(guān)功率管功耗主要由開啟和關(guān)斷功耗所引起,因此要減小功耗Pc、提高變換器效率,同時也為了降低功率管的溫升、提高器件的耐用性,必須要求功率管開啟時間top、關(guān)斷時間tcl盡可能小即開關(guān)速度要快。2) 表征開關(guān)晶體管動態(tài)特征的四個參數(shù)是延遲時間td、上升時間tr、存儲時間ts、下降時間tf,而開啟時間top=td+tr、關(guān)斷時間tcl=ts+tf。在理想的狀態(tài)下,一對功率管Q1與Q2在各自的基極電壓作用下,Q1立即關(guān)斷同時Q2立即開通,從而構(gòu)成DC-

4、AC電源變換器。但是在實際情況中,由于開關(guān)管存在有存儲時間ts,Q1并不立即關(guān)斷而是延遲ts后才關(guān)斷,與此同時Q2僅僅稍有延遲td就立即開通,即在ts+tf-td期間,Q1與Q2兩管處于一種共通狀態(tài),此時直流高壓作用于兩只管子同時導通的電路上,該瞬間電流非常大,對管子的損害十分嚴重。實踐證明,很多故障是由此而造成的。因此選擇開關(guān)時間盡可能短的對稱功率管,提高切換速度,使該瞬間盡可能縮短,對提高電路的可靠性是至關(guān)重要的。參見圖2。由于電子鎮(zhèn)流器高壓逆變電路必須選擇開 關(guān)功率管的開啟時間和關(guān)斷時間越短越好,而在實際應用中其開關(guān)時間一般為0.10.2s,這樣最高等效頻率能達到幾兆赫茲的數(shù)量級,這就是

5、電子鎮(zhèn)流器產(chǎn)生電磁干擾的主要原因。電子鎮(zhèn)流器產(chǎn)生的電磁干擾一方面通過電路中的電感器、電容器、電阻器等元件以及引線以靜電和磁場的形式向空間輻射,同時也沿著輸電線傳導高頻電信號。雖然單只電子鎮(zhèn)流器的功率并不算大,但是隨著綠色照明的迅速實施與推廣,該產(chǎn)品已經(jīng)數(shù)量眾多,并且往往在某一區(qū)域大規(guī)模集中安裝,電子鎮(zhèn)流器的電磁干擾已相當嚴重。我們簡單地分別用一只使用電池的收音機與一只使用交流電的收音機來接收調(diào)幅廣播,便能明顯地覺察到它的空間干擾與電網(wǎng)干擾。數(shù)量較多且集中安裝的電子鎮(zhèn)流器產(chǎn)生的電磁干擾,當影響到模擬電路時,會使傳輸信號的信噪比變壞,甚至使要傳輸?shù)男盘柋辉肼曆蜎],當影響到邏輯電路的工作時,會導致錯

6、誤的邏輯運行,使之產(chǎn)生錯誤的結(jié)果。因此,計算機、通訊、廣播、醫(yī)療等設備都可能受到該產(chǎn)品的干擾。在對電子鎮(zhèn)流器的性能要求、安全要求及一般要求的標準中,國家標準GB/T15144與GB15143,國際電工委員會標準IEC929與IEC928均未對電子鎮(zhèn)流器的電磁兼容性作出要求。但在國際電工委員會卻要求所有電氣、電子儀表、設備(包括電子鎮(zhèn)流器在內(nèi))自1996年1月1日起必須符合有關(guān)電磁兼容性的指導文件。這些指導文件中比較有權(quán)威的有:國際電工委員會(IEC)的下屬機構(gòu)國際無線電干擾特別委員會(CISPR)向世界各國推薦的CISPR15電氣照明及類似設備的無線電干擾特性的測量極限與方法。美國聯(lián)邦電信委員

7、會(FCC)的FCC20780標準。歐洲共同體(EN)的EN60555和EN61547標準。我國在1981年由國家標準局召集有關(guān)部門和單位成立了“全國無線電干擾標準化工作組”,提出了制定包括國家級和部級共32項電磁兼容性標準和規(guī)范的計算。目前這個計劃已經(jīng)實施和完成。電子鎮(zhèn)流器必須滿足這些權(quán)威機構(gòu)給予的限制,否則隨著EMC越來越引起重視與關(guān)注以及EMC法規(guī)的強化,電子鎮(zhèn)流器產(chǎn)品無論是出口外銷還是國內(nèi)推廣,其EMC不合格將成為一個新的有力的受阻原因。3 電子鎮(zhèn)流器的電磁干擾抑制濾波、屏蔽與接地是抑制電磁干擾的三大技術(shù),這是電子、電氣設備或系統(tǒng)在進行電磁兼容性設計過程中通用的三種主要的電磁干擾抑制方

8、法。在電子鎮(zhèn)流器的工頻220V或110V輸入端應當插入如圖3所示的線型濾波器電路。該濾波器只允許400Hz以下的低頻信號通過,對于1kHz20MHz之間的高頻信號具有40100dB的衰減量。它能有效地阻止電子鎮(zhèn)流器中的高頻信號從電源線傳導到工頻電網(wǎng)中去造成污染,同時也阻止了電網(wǎng)中的高頻信號從電源線進入電子鎮(zhèn)流器電路中來造成影響。在圖3所示的位于供電電源輸入端的線型濾波器電路中,C1、C2用以濾除不對稱的雜散干擾電壓信號,C3用以濾除對稱的雜散干擾電壓信號,電感L用來抑制頻率相同、相位相反的干擾電流信號輸出或進入。理想的濾波器對于高頻分量能夠急劇地阻止通過,對于400Hz以下的低頻分量近似于一條

9、短路線。實際應用中的線型濾波器的濾波特性不是那么好,同時在頻率繼續(xù)上升時,特性就會逐漸地下落,這時濾波效果就會變差。當采用單級的線型濾波器時,就不能得到很好的濾波效果。圖4給出了單級線型濾波器的理想頻率特性曲線(如實線所示)和實際頻率特性曲線(如虛線所示)。在有些場合,為了得到十分理想的濾波效果,就使用23級組合線型LC濾波器。但是電子鎮(zhèn)流器是一種對成本非常敏感的產(chǎn)品,它對降低造價有嚴格要求,因此在一般的電子鎮(zhèn)流器中,為了經(jīng)濟起見,只使用一級LC線型濾波器。為了減少高頻電流信號旁路,電感L應具有小的分布電容,兩線圈應均勻地繞制在王字型骨架隔板兩側(cè),兩繞組線徑相同、匝數(shù)相等、極性如圖3,磁芯必須

10、是無氣隙的。磁芯材料應選高頻特性良好的材料如極限頻率為150MHz的R10型Ni-Zn鐵氧體,磁芯外形選EE型。濾波器中的電容器應采用高頻特性良好的陶瓷電容器或聚酯薄膜電容器,其容量C1和C2可選2200PF/250V、C3可選0.1F/400V,電容器的連接引線應盡量短,以便減小引線電感。由于L還受到功率密度的限制而C1、C2、C3還受到安全標準中泄漏電流的限制,因此具體設計時應從性能、體積、價格以及安全性諸方面統(tǒng)籌考慮。電子鎮(zhèn)流器電路還可采用如圖5所示的濾波器。它的特點是在每一個工頻整流二極管上并接一濾波電容器,這使這些濾波電容器的耐壓值只需圖3所示濾波器中C1、C2耐壓值的一半,這樣雖然

11、使用了電容器數(shù)目增加了,但總成本卻降低了。電子鎮(zhèn)流器應當采用一個良導體制成的、在使用中與大地良好連接的外殼,以起到電屏蔽與磁屏蔽作用。實際設計時可選用鋁外殼,并且在外殼上裝置能使鋁殼可靠接大地的接線端子。電子鎮(zhèn)流器與其它回路或系統(tǒng)間由于電容性耦合能引起電干擾。電子鎮(zhèn)流器良好接地的鋁外殼作為電屏蔽體,對于外部的輻射電場,由于鋁殼處處等電位,可防止其侵入內(nèi)部,對于內(nèi)部的輻射電場,由于鋁殼電位為零,可防止其向外泄漏。電子鎮(zhèn)流器中的載流導線、電感器、變壓器能產(chǎn)生輻射磁場成為干擾源,在外磁場中又會產(chǎn)生感應電壓受外界干擾。由于這些磁場均屬于射頻磁場,而射頻磁場屏蔽的機理不同于低頻磁場,它不是利用鐵磁性物質(zhì)磁導率高、磁阻小、對磁場有分路作用的特性來實現(xiàn)屏蔽,而是利用良導體在射頻磁場作用下產(chǎn)生渦流,由渦流的反磁通抑制磁場通過的,因此電子