基于MOS開關(guān)的高頻高壓脈沖源中電磁兼容問題研究

摘要：本文研究了基于MOS固態(tài)開關(guān)的高頻高壓脈沖源中的電磁兼容問題，通過分析其干擾信號頻譜分布及傳播路徑，制定了以屏蔽和濾波為主的電磁兼容方案，最終實現(xiàn)了重復(fù)頻率80kHz，4kV脈沖源，實驗驗證了電磁兼容措施的有效性。
關(guān)鍵詞：電磁兼容；高壓脈沖源；屏蔽；濾波

0 引言
    隨著MOSFET開關(guān)技術(shù)的發(fā)展，開關(guān)模塊的在耐受電壓為10kV情況下，工作重復(fù)頻率極限已經(jīng)達(dá)到了100kHz左右，大大提高了高壓脈沖源的工作重復(fù)頻率，為脈沖源進(jìn)一步的廣泛應(yīng)用打下基礎(chǔ)。本文設(shè)計了一種以高速MOS開關(guān)模塊為基礎(chǔ)，基于脈沖形成線原理的，工作電壓為4．5kV，重復(fù)頻率為80kHz的高頻高壓脈沖源。如此高重復(fù)頻率的高壓脈沖源中開關(guān)及電路中高電壓和大電流源的劇烈變化會導(dǎo)致嚴(yán)重的電磁干擾，同時本文中MOS開關(guān)模塊的控制電路對穩(wěn)定度的要求十分高，必然會受到電磁干擾的影響，導(dǎo)致不能正常工作。因此研究脈沖源中電磁兼容問題十分重要，為此本文展開了高壓高重復(fù)頻率脈沖源中電磁兼容問題的研究，在分析其干擾信號頻譜分布及傳播路徑的基礎(chǔ)上制定了以屏蔽、濾波為主的電磁兼容方案，最終通過對電路的測試驗證了本電磁兼容方案的有效性。

1 理論分析
1．1 脈沖信號頻譜分析
    對于本文而言，脈沖源的輸出可以視為一個矩形周期信號，脈寬110ns，重復(fù)周期80kHz，波形如圖1所示。

   
    其中T為信號周期，τ為脈沖寬度。對其做傅里葉變換得到：
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    ω0為脈沖信號的角頻率，E為信號幅值，圖2為脈沖信號幅值E為1時的主帶寬頻譜圖。

    經(jīng)過分析可知，脈沖信號的主帶寬為9．1MHz，比一般的低頻率脈沖信號的主帶寬要高，同時由于本文脈沖信號幅值為4kV，帶外頻率的干擾也不能忽視，這樣干擾信號的頻譜分布范圍更寬。在低頻段其產(chǎn)生的干擾以近場干擾為主，高頻段以輻射干擾為主，需要在電磁兼容措施中區(qū)別考慮。[!--empirenews.page--]
1．2 脈沖源傳播路徑分析

    電磁干擾傳播路徑分為輻射干擾和傳導(dǎo)干擾，輻射干擾通過空間傳播，傳導(dǎo)干擾通過電路傳播。經(jīng)過分析可知，脈沖源中的干擾同樣按照傳播路徑不同可以分為以下幾種：
    (1)脈沖輸出及開關(guān)電路產(chǎn)生的輻射干擾通過空間傳播，將影響5V及350V電流源以及驅(qū)動電路的PCB線路板及信號線。
    (2)MOS開關(guān)模塊產(chǎn)生的傳導(dǎo)干擾將沿線影響5V直流源和觸發(fā)信號的驅(qū)動電路。在電磁兼容設(shè)計中需針對不同的干擾傳播路徑采取相應(yīng)的抑制措施。

2 脈沖源電磁兼容方案設(shè)計
    經(jīng)過前面對電路中電磁干擾類型和傳播路徑的不同制定了以屏蔽、濾波為主的電磁兼容方案，制定了適用于脈沖源的具體電路。
2．1 電磁屏蔽設(shè)計
    屏蔽分為主動屏蔽和被動屏蔽。主動屏蔽是將干擾源限制在一定空間內(nèi)。被動屏蔽是對敏感設(shè)備的保護(hù)，將干擾隔離在外。按照屏蔽的場的類型可以分為電屏蔽、磁屏蔽和電磁屏蔽。其中電屏蔽主要針對近場包括對靜電和低頻電場的屏蔽；磁屏蔽是對近場包括橫流磁場和低頻磁場的屏蔽；電磁屏蔽是對輻射場的屏蔽。
    要實現(xiàn)對場的屏蔽必須選擇好屏蔽材料。電屏蔽和電磁屏蔽的材料一般是良性導(dǎo)體，磁屏蔽則主要依賴高導(dǎo)磁材料所具有的低磁阻使得屏蔽體內(nèi)部(外部)的磁場大大減弱。以往的屏蔽設(shè)計多采用銅、鋁材料，但是它們的磁導(dǎo)率μ=μ0，對于磁屏蔽的效果幾乎為零。表1示出了幾種常見金屬相對于銅的電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率對比，經(jīng)過對比可以發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)用于屏蔽盒設(shè)計的銅、鋁材料其相對磁導(dǎo)率都比較低而被舍棄，最終確定選取鐵材料做脈沖源的屏蔽盒。

2．2 濾波電路設(shè)計
    共模干擾實質(zhì)是干擾電流在電纜中的所有導(dǎo)線上的幅度、相位相同，其電流是在電纜與大地之間形成的回路中流動。差模干擾，是指干擾電流在信號線與信號地線之間流動的干擾。在信號電纜中，差模電流主要是電路的工作電流。
    共模扼流圈是將信號線及其回線繞在同一磁芯上，如圖4所示。其工作原理可以通過楞次定律來解釋，當(dāng)有同向的共模電流通過時，下繞組產(chǎn)生磁場H1并耦合到上繞組，根據(jù)楞次定律，上繞組感生的電流必定會產(chǎn)生與H1方向相反的磁場，而上繞組原有的電流產(chǎn)生的磁場與H1方向相同，因此可以推知，同理下繞組的共模電流也因與上繞組耦合的磁場產(chǎn)生的感生電流方向相反而抵消，使得共模電流得到扼制。[!--empirenews.page--]
    差模信號的抑制則靠傳統(tǒng)的濾波電路來實現(xiàn)，在設(shè)計時需要考慮其截止頻率，一般選取為主帶寬頻率。同時由于kV級電壓輸出時產(chǎn)生的干擾將在數(shù)伏，單級的共模差模濾波難以實現(xiàn)對干擾信號的完全抑制。因此必須采用多級級聯(lián)方式實現(xiàn)共模、差模交替互聯(lián)的電路形式才行，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

    對于電源線中干擾信號的抑制則采取單級的共模、差模濾波電路即可，電路形式與圖5類似。
    經(jīng)過前文分析，脈沖信號的主頻帶帶寬為9．1MHz，干擾信號的頻譜則更為寬廣，因此工作頻率成為選擇鐵磁材料的關(guān)鍵因素。經(jīng)過對比發(fā)現(xiàn)金屬性材料的工作頻率最高僅為500kHz，磁性粉材料也僅為1MHz，對更高頻率的干擾信號抑制作用不強。以往選用的錳鋅鐵氧體材料同樣存在這樣問題。只有鎳鋅鐵氧體的工作頻率在百兆赫，最終可以確定鎳鋅鐵氧體為繞制共模電感的材料。

3 實驗結(jié)果與分析
    圖6為脈沖源的屏蔽電路，圖7為添加共模、差模濾波電路后的控制電路。對前后控制端信號進(jìn)行測試。未加電磁防護(hù)措施時，高壓輸出僅為500V時前級脈沖網(wǎng)絡(luò)中信號如圖8所示，其干擾的峰值為2V，隨著電壓的升高，干擾信號幅值將繼續(xù)上升，湮沒觸發(fā)信號。在添加電磁抑制措施后，高壓輸出電壓為4．5kV時，觸發(fā)信號如圖9所示，波形并未出現(xiàn)明顯變形，并且可以維持開關(guān)的正常工作，可見通過以上電磁防護(hù)措施后確實對電路有明顯的保護(hù)作用，驗證了EMC措施的有效性。

4 結(jié)論
    通過對脈沖源中電磁干擾的頻譜分析和傳播路徑分析，針對不同類型、不同傳播路徑的電磁干擾采用相應(yīng)的屏蔽、濾波措施，成功地實現(xiàn)了脈沖源的電磁兼容，實現(xiàn)了重復(fù)頻率80kHz，電壓輸出4．5kV的脈沖源。