风光高压变频器的抗EFT干扰研究
The Research of EFT oF Fengguang High Voltage Inverter

山东新风光电子科技发展有限公司 曹公正
Cao Gongzheng

摘  要：本文通过理论和实验的方法，详细分析了电快速脉冲群干扰的特点及其抑制方法，以及风光牌高压变频器在此方面所做的努力和提升。
关键字：高压变频器  EFT  抗干扰
Abstract: Analyzed detailed the characteristic of EFT and the method of EFT of Fengguang high inverter. The efforts in this regard and enhanced of Fengguang

High Voltage Inverter.
Key Words: High Voltage inverter    EFT   Anti-jamming 
1引言
    EFT是电快速瞬变脉冲群抗扰度试验的简称。EFT试验的目的是验证由闪电、接地故障、电源开关动作、或电路中继电器等电感性负载动作而引起的瞬时扰动对整个控制回路中产生干扰时，控制箱（和PLC等器件）的抗干扰能力。这类干扰的特点是：脉冲成群出现、脉冲的重复频率较高、脉冲波形的上升时间短暂、单个脉冲的能量较低。所以有可能会因为某路电路中，机械开关对电感性负载的切换，对同一电路的其它电气和电子设备产生干扰，所以必须对本公司高压变频器做EFT试验。
2 EFT波形特点
    测量条件：接60dB衰减器，衰减器阻抗50Ω；示波器阻抗选50Ω。脉冲群幅值1kV，以重复频率5kHz为例。单个脉冲的波形，如下图1所示。上升时间5ns±30%，脉宽50ns±30%

图1

[注：示波器上看到的电压幅值=（干扰的幅值/60dB）*（50/(50+50)）]
脉冲的重复频率（即两个脉冲之间的时间）5kHz时，如下图2所示。

图2

脉冲群（75个脉冲组成一个脉冲群）宽度15ms，如下图3所示

图3

脉冲群周期300ms，如下图4所示。

图4

3标准中规定的试验等级
 

上面4个波形就是在1kV，5kHz等级2（红色字体表示的）下测量的EFT波形试验等级的含义：
1级，具有良好保护的环境。计算机机房可代表此类环境；
2级，受保护的环境。工厂和发电厂的控制室可代表此类环境；
3级，典型工业环境。发电厂和户外高压变电站的继电器房可代表此类环境；
4级，严酷的工业环境。为采取特别安装措施的电站或工作电压较高的开关设备可代表此类环境；
4标准规定的实验框图

图5

耦合去耦网络分析：
    干扰的注入方式：EFT干扰信号是通过耦合去耦网络中的33nF的电容耦合到主电源线上面（而信号或控制电缆是通过电容耦合夹施加干扰，等效电容是100pF）。对于33nF的电容，它的截止频率为100kHz，也就是100kHz以上的干扰信号可以通过；而100pF的电容，截止频率为30MHz，仅允许30MHz频率以上的干扰通过。电快速脉冲的干扰波形为5ns/50ns，重复频率5K，脉冲持续时间15ms，脉冲群重复周期300ms。根据傅立叶变换，它的频谱是从5K--100MHz的离散谱线，每根谱线的距离是脉冲的重复频率。
    所以说，施加干扰的耦合电容扮演了一个高通滤波器的角色，因为电容的阻抗随着频率的升高而下降，那么干扰中的低频成分不会被耦合到EUT，而只有频率较高的干扰信号才会进入EUT。当我们在EUT电路中再加入共模电感（特别要注意的是，这里的共模电感一定要加在主电源线及其回线上，否则会发生饱和从而达不到衰减干扰的目的）就可以衰减掉一些高频干扰成分，因为电感的阻抗随着频率的增加而升高。因此，实际施加到EUT上面的干扰信号只有中间频率部分。
5干扰波形的理论分析
5.1 脉冲群干扰等级中重复频率的分析
重复频率从5kHz，增至100kHz（单脉冲的频率提高了20倍）

图6

重复频率100kHz时，单个脉冲之间周期是10us，如图6所示
但脉冲群的持续时间却从15ms缩减到750us（持续时间缩减为原来的1/20），如下图7所示。

图7

重复频率100kHz时，单个群的宽度是750us，如上图7所示。因此注入受试设备的脉冲总量没变（仍为75个），注入受试设备的干扰能量也就没变，只是单位时间内的脉冲密集程度增加。考虑到国外专家对脉冲群试验的故障机理解释为是干扰脉冲对线路结电容的充电，因此，脉冲频率越高，单位时间内的脉冲个数越多，对结电容的电荷累积也越快，越容易达到线路出错的阈限。故100kHz的干扰的严酷程度比5kHz的高20倍。（实验的过程中对5kHz和100kHz的对比也印证了这一点）。
5.2 EFT干扰脉冲波形特点的分析
    由于脉冲群的单个脉冲波形前沿tr达到5ns，脉宽达到50ns，这就注定了脉冲群干扰具有极其丰富的谐波成分。幅度较大的谐波频率至少可以达到1/πtr，亦即可以达到64MHz左右，相应的信号波长为5m。对于一根载有60MHz以上频率的电源线来说，如果长度有1m，由于导线长度已经可以和信号的波长可比，不能再以普通传输线来考虑，信号在线上的传输过程中，部分依然可以通过传输线进入受试设备（传导发射）；部分要从线上逸出，成为辐射信号进入受试设备（辐射发射）。因此，受试设备受到的干扰实际上是传导与辐射的结合。很明显，传导和辐射的比例将和电源线的长度有关，线路越短，传导成分越多，而辐射比例越小；反之，辐射比例就大。这正是同等条件下，为什么金属外壳的设备要比非金属外壳设备更容易通过测试的道理，因为金属外壳的设备抗辐射干扰能力较强。并且辐射的强弱还和电源线与参考接地板之间的相对距离有关（它反映了受试设备与接地板之间的分布电容），EUT离参考接地板越近，则分布电容就越大（容抗越小），干扰信号越不容易以辐射方式逸出；反之亦反。由此可见，试验用的电源线长短，电源线离参考接地板的高度，乃至电源线与受试设备的相对位置，会改变传导发射的比例，所以我在试验中很注意上述问题，使实验配置在同等条件下进行。
6 EFT干扰的抑制方法分析
    根据上面的分析，EFT干扰，的传输过程中，会有一部分干扰从传输的线缆中逸出这样设备最终受到的是传导和辐射的复合干扰。但由于传导的量占绝大部分，可控可观，所以针对脉冲群干扰来说，最通用的脉冲群干扰抑制办法主要采用滤波（电源线和信号线的滤波）及吸收（用铁氧体磁芯来吸收）。其中采用铁氧体磁芯吸收的方案非常便宜也非常有效。而辐射的量可以通过改变传输线缆的位置尽量的减小，辐射的可控和可观性非常差，只能在同等条件下作比较试验，后面做详细说明。
    因为存在着辐射成分，辐射干扰的逸出情况各不相同，难以捉摸，滤波器和铁氧体磁芯的位置就不能随意更改。最有效的位是将滤波器和铁氧体磁芯用在干扰的源头和设备的入口处。前者是对干扰源的彻底处理；后者是把紧抑制干扰的大门，使经过滤波器和铁氧体磁芯处理后的电源线和信号线不再含有辐射的成分。
7实验内容
7.1 测试原主控箱的抗EFT干扰的能力
    原控制箱施加EFT干扰（干扰等级1级100kHz）后出现误动作，然后死机。
随着干扰的累积，开停机输出信号时有时无，故障灯闪烁，PWM信号时有时无，运行灯闪烁。干扰累积到一定程度时，开停机信号和PWM信号都消失，运行灯熄灭，故障灯点亮。试验说明，原主控箱的抗干扰的能力非常差。
7.2 加入铁氧体磁环吸收干扰的措施

图8

未加铁氧体磁环时220VAC电源电压波形，其中有很大的EFT干扰峰峰值1.82kV,如图8所示。
在电源输入端逐个增加铁氧体磁环，从一个，增加到二个，到三个……在每个关键位置（开关电源输入端前，滤波板输入端前，主控板电源输入端前）都放一个铁氧体磁环后，干扰死机出现的时间普遍由原来的几秒延长到十几秒了，说明铁氧体磁环有一定效果，但由于数量少，吸收能力有限，不能完全消除干扰。由铁氧体吸收的原理知，增加匝数与增加铁氧体的个数是等效的结果。所以，把匝数提高到10匝，将铁氧体的个数减少，节省了铁氧体，方便了安装。

图9

加铁氧体磁环后的波形，220VAC中有干扰峰峰值降为808V,如图9所示。
从图8与图9的对比，很明显的看出铁氧体磁环把干扰吸收了1kV左右。效果较明显。
7.3 加入TVS管的措施

图10

未加TVS管时5VDC电源电压波形，其中有很大的EFT干扰峰峰值45V,如图10所示。
在主控板的电源输入端+5V与GND之间，+12V与GND之间，-12V与GND之间接入TVS管（电压值选电源电压的1.4倍），加入此措施后，干扰死机出现的时间延长到十几秒。试验说明加入TVS管对抗干扰能力有所提升。

图11

并联一个TVS管后电源电压波形， EFT干扰峰峰值降为24.9V,如图11所示。

图12

并联二个TVS管后电源电压波形， EFT干扰峰峰值降为12.6V,如图12所示。
从图10，图11与图12的对比，很明显的看出TVS管将EFT干扰吸收效果较明显。
7.4 加入脉冲群抑制器的措施

图13

未加脉冲群抑制器时220VAC电源电压波形，其中有很大的EFT干扰峰峰值1.82kV,如图13所示。
在电源输入端增加脉冲群抑制器，脉冲群抑制器能对2kV、3kV、4kV，5ns/50ns脉冲群进行抑制；能抑制范围从5kHz到500MHz；适用于各种敏感数字设备；有效的抑制系统出现的死机、复位、乱码等现象的发生。

图14

加脉冲群抑制器时220VAC电源电压波形， EFT干扰峰峰值降为740V,如图14所示。
从图13与图14的对比，很明显的看出脉冲群抑制器把干扰吸收了1.1kV左右。效果较明显。
7.5 带载实验
    安装前门的方法比较了加入整改措施后比加整改措施前干扰得到了有效的抑制。最后进行了带载实验，在加入最高等级（四级）的干扰4kV，100kHz，的EFT干扰过程中，主控箱发出信号给单元调试，单元带载正常。
8结束语
    通过电快速脉冲群实验研究和改进，山东新风光电子科技发展有限公司生产的高压大功率变频器的电磁兼容性得到了进一步的提升，可靠性更高，适应各种工业应用场合。