1、電子鎮(zhèn)流器的電磁干擾抑制2004-05-31    季仲華    中國(guó)照明電氣1 電磁干擾隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,電子、電氣設(shè)備或系統(tǒng)獲得了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。運(yùn)行中的這些設(shè)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(hào)充滿整個(gè)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(fù)雜的電磁環(huán)境。在這個(gè)環(huán)境中,任何能中斷、阻礙、降低或限制電子、電氣設(shè)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(dǎo)性電磁干擾與輻射性電磁干擾,前者指經(jīng)導(dǎo)線傳輸?shù)臒o(wú)用的電磁能量,后者指從電子設(shè)備或其連接

2、線中泄漏到空間的無(wú)用的電磁能量。電子、電氣設(shè)備或系統(tǒng)在預(yù)期的電磁環(huán)境中,必須具備按設(shè)計(jì)要求正常工作的能力,即一方面設(shè)備或系統(tǒng)應(yīng)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(shè)備或系統(tǒng)不產(chǎn)生超過(guò)規(guī)定限度的電磁干擾。這是電子、電氣設(shè)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(guó)內(nèi)管形熒光燈用獨(dú)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(zhǔn)諧振電路,而電路中的功率對(duì)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(kāi)關(guān)功率管開(kāi)啟時(shí)間與關(guān)斷時(shí)間越短越好。具體說(shuō)來(lái)：1) 開(kāi)關(guān)功率管的總功耗

3、(PC)=開(kāi)啟功耗(Pop)+導(dǎo)通功耗(Pon)+關(guān)斷功耗(Pcl)+截止功耗(Poff)。見(jiàn)圖1一般飽和壓降Uces、反向漏電流Iceo都很小,這樣開(kāi)關(guān)功率管功耗主要由開(kāi)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(shí)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(kāi)啟時(shí)間top、關(guān)斷時(shí)間tcl盡可能小即開(kāi)關(guān)速度要快。2) 表征開(kāi)關(guān)晶體管動(dòng)態(tài)特征的四個(gè)參數(shù)是延遲時(shí)間td、上升時(shí)間tr、存儲(chǔ)時(shí)間ts、下降時(shí)間tf,而開(kāi)啟時(shí)間top=td+tr、關(guān)斷時(shí)間tcl=ts+tf。在理想的狀態(tài)下,一對(duì)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(shí)Q2立即開(kāi)通,從而構(gòu)成DC-

4、AC電源變換器。但是在實(shí)際情況中,由于開(kāi)關(guān)管存在有存儲(chǔ)時(shí)間ts,Q1并不立即關(guān)斷而是延遲ts后才關(guān)斷,與此同時(shí)Q2僅僅稍有延遲td就立即開(kāi)通,即在ts+tf-td期間,Q1與Q2兩管處于一種共通狀態(tài),此時(shí)直流高壓作用于兩只管子同時(shí)導(dǎo)通的電路上,該瞬間電流非常大,對(duì)管子的損害十分嚴(yán)重。實(shí)踐證明,很多故障是由此而造成的。因此選擇開(kāi)關(guān)時(shí)間盡可能短的對(duì)稱功率管,提高切換速度,使該瞬間盡可能縮短,對(duì)提高電路的可靠性是至關(guān)重要的。參見(jiàn)圖2。由于電子鎮(zhèn)流器高壓逆變電路必須選擇開(kāi) 關(guān)功率管的開(kāi)啟時(shí)間和關(guān)斷時(shí)間越短越好,而在實(shí)際應(yīng)用中其開(kāi)關(guān)時(shí)間一般為0.10.2s,這樣最高等效頻率能達(dá)到幾兆赫茲的數(shù)量級(jí),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(guò)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(chǎng)的形式向空間輻射,同時(shí)也沿著輸電線傳導(dǎo)高頻電信號(hào)。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(shí)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(dāng)嚴(yán)重。我們簡(jiǎn)單地分別用一只使用電池的收音機(jī)與一只使用交流電的收音機(jī)來(lái)接收調(diào)幅廣播,便能明顯地覺(jué)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(dāng)影響到模擬電路時(shí),會(huì)使傳輸信號(hào)的信噪比變壞,甚至使要傳輸?shù)男盘?hào)被噪聲淹沒(méi),當(dāng)影響到邏輯電路的工作時(shí),會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)

6、誤的邏輯運(yùn)行,使之產(chǎn)生錯(cuò)誤的結(jié)果。因此,計(jì)算機(jī)、通訊、廣播、醫(yī)療等設(shè)備都可能受到該產(chǎn)品的干擾。在對(duì)電子鎮(zhèn)流器的性能要求、安全要求及一般要求的標(biāo)準(zhǔn)中,國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T15144與GB15143,國(guó)際電工委員會(huì)標(biāo)準(zhǔn)IEC929與IEC928均未對(duì)電子鎮(zhèn)流器的電磁兼容性作出要求。但在國(guó)際電工委員會(huì)卻要求所有電氣、電子儀表、設(shè)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(dǎo)文件。這些指導(dǎo)文件中比較有權(quán)威的有:國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)的下屬機(jī)構(gòu)國(guó)際無(wú)線電干擾特別委員會(huì)(CISPR)向世界各國(guó)推薦的CISPR15電氣照明及類似設(shè)備的無(wú)線電干擾特性的測(cè)量極限與方法。美國(guó)聯(lián)邦電信委員

7、會(huì)(FCC)的FCC20780標(biāo)準(zhǔn)。歐洲共同體(EN)的EN60555和EN61547標(biāo)準(zhǔn)。我國(guó)在1981年由國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局召集有關(guān)部門和單位成立了“全國(guó)無(wú)線電干擾標(biāo)準(zhǔn)化工作組”,提出了制定包括國(guó)家級(jí)和部級(jí)共32項(xiàng)電磁兼容性標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的計(jì)算。目前這個(gè)計(jì)劃已經(jīng)實(shí)施和完成。電子鎮(zhèn)流器必須滿足這些權(quán)威機(jī)構(gòu)給予的限制,否則隨著EMC越來(lái)越引起重視與關(guān)注以及EMC法規(guī)的強(qiáng)化,電子鎮(zhèn)流器產(chǎn)品無(wú)論是出口外銷還是國(guó)內(nèi)推廣,其EMC不合格將成為一個(gè)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(shè)備或系統(tǒng)在進(jìn)行電磁兼容性設(shè)計(jì)過(guò)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(yīng)當(dāng)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(hào)通過(guò),對(duì)于1kHz20MHz之間的高頻信號(hào)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(hào)從電源線傳導(dǎo)到工頻電網(wǎng)中去造成污染,同時(shí)也阻止了電網(wǎng)中的高頻信號(hào)從電源線進(jìn)入電子鎮(zhèn)流器電路中來(lái)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(duì)稱的雜散干擾電壓信號(hào),C3用以濾除對(duì)稱的雜散干擾電壓信號(hào),電感L用來(lái)抑制頻率相同、相位相反的干擾電流信號(hào)輸出或進(jìn)入。理想的濾波器對(duì)于高頻分量能夠急劇地阻止通過(guò),對(duì)于400Hz以下的低頻分量近似于一條

9、短路線。實(shí)際應(yīng)用中的線型濾波器的濾波特性不是那么好,同時(shí)在頻率繼續(xù)上升時(shí),特性就會(huì)逐漸地下落,這時(shí)濾波效果就會(huì)變差。當(dāng)采用單級(jí)的線型濾波器時(shí),就不能得到很好的濾波效果。圖4給出了單級(jí)線型濾波器的理想頻率特性曲線(如實(shí)線所示)和實(shí)際頻率特性曲線(如虛線所示)。在有些場(chǎng)合,為了得到十分理想的濾波效果,就使用23級(jí)組合線型LC濾波器。但是電子鎮(zhèn)流器是一種對(duì)成本非常敏感的產(chǎn)品,它對(duì)降低造價(jià)有嚴(yán)格要求,因此在一般的電子鎮(zhèn)流器中,為了經(jīng)濟(jì)起見(jiàn),只使用一級(jí)LC線型濾波器。為了減少高頻電流信號(hào)旁路,電感L應(yīng)具有小的分布電容,兩線圈應(yīng)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(wú)氣隙的。磁芯材料應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(biāo)準(zhǔn)中泄漏電流的限制,因此具體設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)從性能、體積、價(jià)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(diǎn)是在每一個(gè)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(yīng)當(dāng)采用一個(gè)良導(dǎo)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(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)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(duì)于外部的輻射電場(chǎng),由于鋁殼處處等電位,可防止其侵入內(nèi)部,對(duì)于內(nèi)部的輻射電場(chǎng),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(dǎo)線、電感器、變壓器能產(chǎn)生輻射磁場(chǎng)成為干擾源,在外磁場(chǎng)中又會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電壓受外界干擾。由于這些磁場(chǎng)均屬于射頻磁場(chǎng),而射頻磁場(chǎng)屏蔽的機(jī)理不同于低頻磁場(chǎng),它不是利用鐵磁性物質(zhì)磁導(dǎo)率高、磁阻小、對(duì)磁場(chǎng)有分路作用的特性來(lái)實(shí)現(xiàn)屏蔽,而是利用良導(dǎo)體在射頻磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生渦流,由渦流的反磁通抑制磁場(chǎng)通過(guò)的,因此電子