不同特性开关对电源线尖峰干扰的影响分析_郭丽娜.pdf

电子质量2022年第12期（总第429期）不同特性开关对电源线尖峰干扰的影响分析郭丽娜（中国航空工业集团公司洛阳电光设备研究所，河南 洛阳471009）摘 要：在电源线尖峰信号传导发射中开关操作的瞬间，设备或分系统中存在的电容、电感、导线和二极管等会导致电压尖峰的产生，对电网中其他设备产生干扰。为了观察不同特性的开关带来的影响，以DC 24 V供电的风机为例，记录了在不同特性的开关通断状态下尖峰信号的电压值。对比了不同状态下的影响，结果表明，使用不同特性的开关所产生的信号尖峰是不一样的。对不同的产品选择合适特性的开关，能降低信号尖峰对电网中其他设备的影响，保证系统中各个设备的运行正常。关键词：开关；电压尖峰；干扰；电感；电容中国分类号：TM 564文献标识码：A文章编号：1003-0107（2022）12-0040-06Analysis of the Influence of Different Characteristic Switches onPower Line Spike InterferenceGUO Lina（Luoyang Electro-Optical Equipment Research Institute of Aviation Industry Corporation of China，Luoyang 471009，China）Abstract：At the moment of switch operation in the conducted emission of power line peak sig-nal，the capacitance，inductance，wire and diode existing in the equipment or sub-system willlead to voltage spikes，which will interfere with other devices in the power grid.In order to ob-serve the effects of different characteristic switches，taking a DC 24 V fan as an example，thevoltage values of spike signals in on-off states of switches with different characteristics arerecorded.And the influence of different states is compared，and the results show that the signalspikes produced by switches with different characteristics are different.And selecting switcheswith appropriate characteristics for different products can reduce the impact of signal spikes onother devices in the power grid and ensure the normal operation of each device in the system.Keywords：switch；voltage spike；interference；inductance；capacitanceCLC number：TM 564Document code：AArticle ID：1003-0107(2022)12-0040-06收稿日期：2022-09-12修回日期：2022-11-18作者简介：郭丽娜（1978），女，河南洛阳人，中国航空工业集团公司洛阳电光设备研究所高级工程师，硕士，主要从事电磁兼容性试验及试验发展研究工作。0引言伴随着社会的发展，电力电子设备或分系统中开关的使用已经成为常态，其在为人们带来了便利的同时，还能防止漏电和短路时带来的危险。然而对含有开关的设备或分系统进行理论分析时，一般都是将其中的开关理想化，认为开关的状态转换是在瞬间完成的，忽略了开关对电路的影响。但实际电路中的开关过程是客观存在的，在开关的过程中，会导致电压快速变化，波形出现明显的过冲，容易形成一个叠加在供电电源有效值上的尖峰信号，对电网其他用电设备带来严重的电磁干扰问题，影响周边电子设备的正常工作1。而电源线尖峰信号传导发射的目的就是控制受试设备在进行开40不同特性开关对电源线尖峰干扰的影响分析郭丽娜关操作（包括手动或自动操作）时向供电电源注入尖峰干扰2。一般来说，影响电源线尖峰信号传导发射测试结果的主要因素是由受试设备的开关设计有缺陷造成的。1开关及其影响在电源线尖峰信号传导发射项目中，使用的开关有电子开关、水银开关和机械开关等。其中，电子开关具有可靠性高、精度高和寿命长等特点，其主要是用电或电信号实现电路通断功能的器件，一般包括晶闸管、晶体管、场效应管、可控硅和继电器等电子驱动器件。在开关瞬间，其内部存在的寄生电容、导线和电感等影响谐振，尤其是在高频快速开关时，必然存在尖峰信号，减缓开关速率，即驱动管开关的电流减小，能够使得尖峰信号减小3。与电子开关不同的是，水银开关和机械开关都是在外力的作用下进行工作，不同的外力会使得开关的速度不一致，从而导致产生尖峰信号的稳定性较差。水银开关是在重力的作用下，实现电路通断功能。在常温下，水银是唯一能够保持液态的金属，其表面张力和比重都比较大，所以只需要很小的外力就能够使得水银开关产生倾斜，水银便可移动，与两个电极同时接触或分开，完成电路的闭合与断开。不考虑其他因素，在相同的外力作用下，需要外力越小的开关所产生的电压尖峰越小。由于水银是液态的，其与两个接触面积大且稳定，会获得更好的导通效果。而且水银的导电性较好，使得两个电极之间的接触电阻较小，一般小于100 m，这也是影响电压尖峰的因素之一。对于机械开关来说，其是通过外力控制静触点与动触点接通或断开，从而起到接通或断开电路的作用。而触点之间的电阻在开关闭合的状态下为接触电阻，一般为0.5 以下，此值越小越好；在开关断开的状态下，为绝缘电阻，一般为100 M以上，此值越大越好。在开关闭合和断开的瞬间，不为零且会重叠的电压电流变化很快，如图1所示，会产生具有较大幅度的脉冲，一般频带较宽且谐波丰富。对于电子设备和分系统而言，通常都会存在电容、电感和导线，会构成一定的磁场，而在开关的瞬间，该磁场为了维持原本状态，会产生一个反向冲击，这是形成尖峰信号的一个主要因素4。而大部分设备中含有的二极管是产生尖峰信号的另一个主要因素。其在变压器、漏感和其他分布参数的影响下，会产生较强的干扰5。如图2所示，在电场力的作用下，二极管中的载流子的漂移运动会产生一个漂移电流，其是一个反向电流，其恢复到零点的时间与结电容、电荷存储有关6。当电荷存储不能被立即释放时，会使得反向电流恢复斜率过大，流过线圈的电感就会产生尖峰信号。然而对于部分设备而言，其内部存在的开关管也是产生尖峰信号的原因之一，由于开关管内部存在分布电容，通过的脉冲电流过大，就会形成含有许多高频成分的矩形波，从而产生尖峰信号7。2不同特性开关及其影响针对上述问题，采用不同特性开关能够有效地抑制尖峰信号。第一种是阻性开关，主要是利用开关中阻性器件对设备中所产生的尖峰信号进行消耗，从而达到降低尖峰信号的大小的目的。除了使用阻性开关外，还可以通过软起动方式实现尖峰信号的减小，其是通过使电压经过一定的时间延迟、逐步上升到规定的供电值来实现消除加电中的尖峰信号。为了实现上述目的，可以通过增加电容或者电感来减少开关的关断损耗。因此，这种类型的开关就有容性和感性两种特性。对于容性开关来说，其具有如下特性：i（t）=Cdu（t）dt（1）从式（1）中可以看出，若du（t）0而dt=0，即电压突变，则i（t）=，但是由于实际中不存在图1硬开关开关过程图2二极管中载流子的运动a开过程b关过程41电子质量2022年第12期（总第429期）能够无穷大的输出电流的电压源，则可以表明电容电压是具有不能突变的特性，那么与开关并联的电容能延缓开关关断后电压上升的速率，从而降低关断损耗。对于感性开关来说，其特性如下所示：u（t）=Ldi（t）dt（2）从式（2）中可以看出，若di（t）0而dt=0，即电流突变，则u（t）=，但是由于实际中不存在能够无穷大的输出电压的电流源，则可以表明电感电流是具有不能突变的特性，那么与开关串联的电感能延缓开关开通后电流上升的速率，降低了开通损耗8。3整改实例分析以DC 24 V供电的风机作为受试设备，按照GJB151B2013进行试验，其基准电压为12 V，电源线尖峰信号传导发射要求随手动或自动开关操作而产生的开关瞬态传导发射不应该超过直流额定电压的+50%，-150%。由于电子开关电路复杂，成本较高，安装困难等，一般用于墙壁开关；水银开关易碎，并且水银对人体和环境均有毒害，适用于敏感设备或分系统中，因此对于该风机只进行机械开关试验。选用机械开关中的按动开挂（型号为AK 35）、拨动开关（型号为ZKP 30）和空气开关进行试验，结果如图3-8所示。从图3-8中可以看出，拨动开关比按动开关产生的尖峰信号要小一些，但仍然不满足电源线尖峰信号传导发射中的要求，空气开关满足要求，但外力影响比较大，第二次得到的电压尖峰最大值为35.4 V，稳定性极差。由于该风机没有阻值，则用电阻消耗电压尖峰会导致风机的转速改变，甚至停止 运转。因此，为 拨动开关 分别加上10、220、2 200 F的电解电容进行试验，得到的结果如图9-12所示。图3按动开关闭合图4按动开关断开图5拨动开关闭合图6拨动开关断开图7空气开关闭合42不同特性开关对电源线尖峰干扰的影响分析郭丽娜从图9-12中可以看出，电容阻碍了电压尖峰的上升，随着电容的增大，电压尖峰开始减小。但当电容为2 200 F时，对于风机而言，电容过大，影响设备的启动，风机无法运转。适当的电容对电压尖峰有抑制作用，但试验多次后发现，在开关闭合的状态下，其电压峰值最大值总是在限值附近，且具有一定的不稳定性。为拨动开关加上220 H的电感进行试验，结果如图13-14所示。图12加220 F电容拨动开关断开图8空气开关断开图9加10 F电容拨动开关闭合图10加10 F电容拨动开关断开图11加220 F电容拨动开关闭合图14加220 H电感拨动开关断开图13加220 H电感拨动开关闭合43电子质量2022年第12期（总第429期）从图13-14中可以看出，产生的电压尖峰的效果更好一些，进行多次试验后，发现其稳定性极好。那么对按动开关加220 H的电感，第一个人按动时电压尖峰如图15-16所示。第二个人按动时电压尖峰如图17-18所示。从图17-18中可以看出，不同外力的作用下，得到的电压尖峰的大小，甚至于波形都不尽相同。而电感也不是对于每种开关都具有良好的抑制作用。为加了220 H电感的拨动开关加上220 F的电容，结果如图19-20所示。从图19-20中可以发现，产生的尖峰大小与只加220 H电感状态下的比较接近，也就意味着，对于这台风机而言，并不是施加抑制措施越多，得到的尖峰就越小。只有合适的开关与适当的参数的配合使用，才是适合该风机的开关。对于没有开关的设备，偶尔会使用电源开关进行试验。以MX 45电源开关为例，试验结果如图21-22所示。图15第一个人按动开关闭合图16第一个人按动开关断开图18第二个人按动开关断开图17第二个人按动开关闭合图20拨动开关断开图19拨动开关闭合44不同特性开关对电源线尖峰干扰的影响分析郭丽娜从图21-22中可以看出，尖峰时产生的位置是在供电的一瞬间，这可能包含了风机产生的尖峰，也可能包含了该电源产生的尖峰，不符合电源线尖峰信号传导发射试验的目的，且稳定性一般，因此尽可能地减少使用供电电源开关进行试验