胡凱，黃世澤，陸麗君，章正國，何旭濤

(1.浙江舟山電力局，浙江 舟山 316021;2.同濟大學 電信學院，上海 201804)

0 引言

數(shù)字化控制與保護開關(guān)(Control and Protective Switching Device，CPS)作為低壓電器中的新型產(chǎn)品，能夠根據(jù)外界的信號和要求，手動或自動地接通或斷開電路，斷續(xù)或連續(xù)地改變電路參數(shù)，以實現(xiàn)電路或非電對象的切換、控制、保護、檢測、變換和調(diào)節(jié)功能。其采用數(shù)字電路測控方式取代過去傳統(tǒng)的熱磁式控制保護，使原有保護和控制功能的精確度、可靠性大大提高。由于采用了數(shù)字化技術(shù)，采用了微處理器和大量的電子元器件，因此務(wù)必滿足EMC相關(guān)的要求。國家有關(guān)部門制定了數(shù)字化CPS國家標準 GB14048.9－2006，對九項 EMC試驗做出了強制要求[1]。

電快速瞬變脈沖群(Electrical Fast Transient Burst immunity Test，EFT/B)是九項EMC強制試驗中的一項，由于其頻譜寬、諧波多，試驗較難通過。本文主要針對EFT試驗，建立EFT模型，進行仿真研究，并結(jié)合實物進行驗證，得到匹配數(shù)字化CPS電路的濾波器結(jié)構(gòu)[2]。

1 EFT/B波形分析

根據(jù)IEC61000－4－4標準，脈沖群持續(xù)時間在5 kHz時為15(1±20%)ms;每個脈沖群包含單個脈沖75個;脈沖群周期(見圖1)為300(1±20%)ms。瞬變干擾試驗一般要持續(xù)1分鐘，這段時間間隔內(nèi)，共含200*75=15 000個脈沖。單個脈沖的重復(fù)周期為200 us，有效寬度是2 us，“占空比”為1∶100。電快速瞬變騷擾的單個脈沖的能量為4 mJ。其波形如圖2所示。

對于單個5/50 ns波形，IEC將其函數(shù)定義為:

進行拉普拉斯變換后，可得:

根據(jù)IEC標準和EFT/B發(fā)生器生產(chǎn)廠家的設(shè)置參數(shù)，可令，s=jw，A=1.270，τ1=3.5 ns，τ2=55.6 ns，Vp=1 000 V，得出波特圖。由波特圖可知，EFT/B騷擾波形的頻譜主瓣在100 MHz以內(nèi)，其中高頻部分能量雖然較小，但輻射能力很強，即使比率較小也足以影響半導體電路的正常運行。在頻率為 100～200 MHz這段內(nèi)，衰減的幅度比較大，這一段的騷擾是不能忽略的;200 MHz以后騷擾就衰減得很小了，高于200 MHz的騷擾根據(jù)實際經(jīng)驗，影響并不是很強烈。綜上所述，研究快速瞬變脈沖群騷擾時，應(yīng)該主要抓住100 MHz以內(nèi)的騷擾成分進行分析。

圖1 一個脈沖群周期

圖2 單個EFT脈沖波形

2 仿真電路結(jié)構(gòu)的建立

為模擬EFT/B對數(shù)字化CPS信號采集電路的影響，我們應(yīng)建立合適的EFT/B發(fā)生源模型、濾波器模型和信號采集電路模型。本文采用PSpice軟件進行設(shè)計和布置，其操作方便，精度較高的優(yōu)點很適合一般電路設(shè)計工作。

2.1 EFT/B發(fā)射源電路

根據(jù)單個脈沖群信號的特點和頻譜分布特性，再參考IEC61000－4－4標準和電路的寄生參數(shù)負載情況后[3]，我們可得到脈沖群發(fā)生器的電路結(jié)構(gòu)與參數(shù)[4]，其中 Cc=2 nF，Rs≈200 Ω，Ls1=140 nH，Ls2=300 nH，Rm=50 Ω，Cd=10 nF。如圖3 所示。

圖3 EFT騷擾源發(fā)生電路模型

其產(chǎn)生的電快速瞬變單個脈沖的波形如圖4所示。從圖中可見:建立的干擾源模型產(chǎn)生的波形與 IEC61000－4－4標準中的標準EFT/B圖形(圖2)有所出入:波形下降區(qū)域中并沒有持續(xù)下降。但有專家認為EFT/B實際波形并不是如標準波形般持續(xù)下降的，而是有幾次小幅度上升的過程然后再緩慢下降[5]。這不僅符合標準所確定的波形形狀，也加大了諧波中的復(fù)雜程度，使得測試環(huán)境更加嚴格。

圖4 仿真出的EFT騷擾源波形

2.2 數(shù)字化CPS信號采集電路

加入電快速瞬變脈沖群發(fā)生器后數(shù)字化CPS控制模塊電路圖如圖5。主要分為線性電源和信號放大處理部分。線性電源電路將220 V市電通過變壓器、整流橋以及濾波穩(wěn)壓電路轉(zhuǎn)換為兩路12 V和5 V電源，為控制器中的運算放大器、單片機以及數(shù)碼管顯示提供直流穩(wěn)壓電源。電路中的信號處理部分:分別利用三個電流互感器讀取CPS主回路的三相電流值，由于經(jīng)過互感器的信號值很小，不利于單片機采樣，因此還需經(jīng)過運算放大器對信號進行放大處理再送入單片機進行計算分析。C25為將干擾耦合到EUT中的電容，IEC－6100－4－4中規(guī)定該電容的容量為3 3 nF。C27、C26分別為電源板與信號處理PCB板的對地寄生電容。R34、R35與R36大電阻是為了滿足PSpice仿真軟件在仿真過程中要求每個節(jié)點必須有直接到地端的直流通路而設(shè)置的，由于其阻值很大，均為10 MEG級，對于仿真的結(jié)果影響可以忽略不計。

圖5 CPS控制器高頻電路模型

在未加入EFT/B干擾前，我們把電源輸入的市電近似為平滑的正弦波，所以變壓器初級輸出電壓為正弦波，LM7812穩(wěn)壓芯片輸出為平滑的12 V直流電壓。在加入EFT/B干擾源后，把探棒加到變壓器初級端，結(jié)果如圖6所示。正弦波上增加了很大的諧波分量。經(jīng)分析可知，加入EFT/B騷擾后的波形是在正常電壓波形上疊加了頻率為5 kHz的騷擾電壓。這種高頻的EFT/B騷擾不僅能通過導線轉(zhuǎn)化為差模騷擾影響電路中元器件的正常工作，而且有很強的輻射能力，通過空間輻射對產(chǎn)品造成嚴重影響，極易造成設(shè)備失靈。

加入騷擾源后的直流源輸出12 V電壓波形分別如圖7所示。電壓曲線基本在12 V左右，但在約10－20 ms時有明顯的電壓突變。由于運放的工作電壓范圍較寬，該突變一般不會影響運放的工作，但很可能引起數(shù)字化CPS中其他驅(qū)動電路工作異常，如發(fā)生單片機程序跑飛、死機等情況，降低產(chǎn)品的可靠性。

圖6 加入EFT后變壓器一次側(cè)仿真電壓波形

圖7 加入EFT后線性電源輸出12 V波形

3 電路仿真結(jié)果及濾波器選擇

濾波器是指有能力進行信號處理的裝置。在現(xiàn)代各類控制系統(tǒng)中，濾波器的應(yīng)用極為廣泛。選擇合適的濾波器，能方便快速地濾除不需要的諧波。濾波器可分為有源濾波器和無源濾波器，無源濾波器由于設(shè)計簡單，成本較低，在各種電路中都有廣泛的應(yīng)用。無源濾波器主要電路類型如表1所示。

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理論上分析，L型濾波器典型用于帶有低阻抗源和高阻抗負載的電路中。г型濾波器對應(yīng)高阻抗電源和低阻抗負載的電路。π型濾波器，對阻抗源和負載均表現(xiàn)為低阻抗，比L型結(jié)構(gòu)提供更好的高頻濾波性能。T型濾波器電路結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為從任何一端的輸入均為高阻抗。

由于L型濾波器與π型濾波器在實際使用中發(fā)現(xiàn)其抑制EFT/B干擾能力不強，本文只選擇T型和г型做出仿真分析。根據(jù)實際工程中電氣原件特點和以前的經(jīng)驗，把濾波器中原件L取10 uH，C取10 nF，依次加在EFT/B發(fā)生器與信號處理電路電源端之間，再通以 EFT/B脈沖群信號，可得到的濾波效果圖形如下:

1)加入г型濾波器

EFT騷擾在控制器電源端口處增加г型濾波器后，變壓器一次側(cè)和電源12 V輸出波形分別如圖8和圖9所示。容易看出，經(jīng)過г型濾波器濾波處理后輸出波形相對圖6和圖7中未采用濾波器的騷擾抑制效果好很多。

2)加入T型濾波器

EFT騷擾在控制器電源端口處增加T型濾波器后，輸出波形與г型濾波效果相比濾波效果相差不大，如下圖10、11所示。

以上仿真圖形中可以看出:г型與T型濾波器對EFT抗干擾具有較好的效果，但г型濾波器相對T型濾波器有更平滑的12 V輸出電壓;同時其結(jié)構(gòu)簡單，電子元件使用少，成本比T型濾波器更具優(yōu)勢。從理論上分析，根據(jù)濾波器阻抗最大不匹配原理，濾波器阻抗與電源、負載的阻抗失配才能形成駐波，減少干擾[6]。對于數(shù)字化CPS濾波器，市電網(wǎng)絡(luò)可看成低阻抗，負載可看成高阻抗，因此，г型濾波器被廣泛地應(yīng)用在智能 CPS的濾波電路中[7]。

在實驗室中采用數(shù)字化CPS信號采集電路并分別換用相應(yīng)濾波器進行試驗對比，數(shù)據(jù)如表2。

由表2可見:г型濾波器對T型濾波器具有更大的優(yōu)勢，在數(shù)字化CPS的實際使用環(huán)境中能夠更有效地抑制EFT/B干擾數(shù)字采集電路，使數(shù)字化CPS能夠在惡劣的EMC環(huán)境中穩(wěn)定運行。

表2 不同濾波實驗結(jié)果

4 結(jié)束語

本文利用PSpice軟件對EFT/B騷擾建立了整套模型并進行了仿真，選出對EFT/B抑制效果最佳的濾波器結(jié)構(gòu)，通過仿真分析，我們認為г型濾波器對EFT/B抑制性能較好，通過適當增大濾波器中電感參數(shù)，濾波效果有明顯增強，在實際應(yīng)用時只需適當調(diào)整電源端PCB板元件布置即能實現(xiàn)，在實際信號采集電路的實驗中也證實了理論上的判斷。這對今后產(chǎn)品中選擇合適的濾波器件提供了理論上的支持，使產(chǎn)品能順利通過測試上市銷售。

[1]中華人民共和國國家標準 GB14048.9－2008/IEC60947－6－2:2007[M].北京:中國標準出版社，2008.

[2]鄭軍奇.電子產(chǎn)品設(shè)計 EMC風險評估[M].北京:電子工業(yè)出版社，2008.

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[5]瞿小社，耿英三，王建華，等.電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗發(fā)生器的建模[J].中國電機工程學報，2010，30(6):123 －128.

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