车载电源装备宽频电磁辐射和射频传导干扰抑制技术

谈学超，张军刚

（总参某信息化研究所，北京100141）

1 概 述

通信车车载电源装备主要包括柴油发电机组、综合稳压电源和蓄电池组三类设备。在第一代和第二代车载电源装备中，所有发电机组（开架式结构）和综合稳压电源（开关电源）的电磁兼容问题始终没有实现突破，大量存在着空间辐射和传导直接注入的电磁干扰，严重影响了各类设备的工作性能和电子信息车辆整体效能发挥。其中发电机组的电磁兼容问题所造成的影响尤为突出，往往是要么把发电机组远离车辆工作，要么在必要时采用蓄电池组短暂支撑供电来净化电磁环境。

很长时间以来，人们错误地认为电磁干扰抑制技术是纯经验的实验技巧，其实它更依赖于测量所示本课。但随着现代科技发展和社会进步，EMC设计已发展为一门多学科的、综合性的学科分支，即电磁兼容是研究在有限的空间、时间和频谱资源等条件下，各种用电设备（广义的还包括生物体）可以共存，并不致引起性能降级的一门科学。

随着电子技术的飞速发展和数字化高集成度需求的显现，现在的各类电子信息车辆均大量集成了各种先进的无线、卫星、网络等设备，对电磁环境的要求越来越高。作为车载系统电磁环境中的主要干扰源的发电机组，其电磁兼容问题的解决已刻不容缓。为此，在通信车第三代车载电源装备体制论证和总体技术研究中我们把它作为重点突破的主要问题之一，并综合运用测试修改法和分层与综合设计法开展相关技术研究与攻关工作，即首先针对原型装备进行测试，找出干扰源头和传输途径，然后再将设备各个组成部分分为有源器件的选择和印制板设计、接地设计、屏蔽设计、滤波设计等多层次，在设备研制中进行综合设计。

2 电磁干扰抑制设计技术

2.1 干扰分析和干扰限值要求

第三代车载电源装备的重要特点之一是广泛采用先进的电力电子技术和逆变合成技术，而逆变合成电路本身就是强电磁干扰源，必然产生强电磁干扰。这种干扰会影响用电设备的正常工作，特别对通信电台等无线设备的正常工作影响较大，典型特征就是破坏其工作电磁环境，导致设备灵敏度急剧下降，甚至部分重要功能失效。这种干扰不同于以往其他电源设备产生的干扰。传统上的电源设备虽然也会产生电磁辐射和传导干扰，但大多都是由内部受扰动脉冲产生的，而逆变合成电路产生的干扰是由常态的脉冲电路（或开关态工作电路）直接产生的，并伴随供电直接持续注入用电设备，其强度较之通常情况会高出1 000倍（即60 dB）以上。

为了满足车载系统整体电磁环境要求和《GJB 151A-97军用设备和分系统电磁发射和敏感度要求》中关于陆军地面设备的RE102和CE102等五项测试检验要求，必须解决和突破PWM合成波形高效能输出滤波、电力电子设备机箱的屏蔽、输电和控制电缆屏蔽以及中频发电机转动轴承电弧放电控制、隔声舱的综合电磁兼容等多项设计关键技术。

2.2 PWM合成波形高效能输出滤波设计

传统的电磁干扰滤波器（EMI滤波器）不适合于PWM合成波形的滤波，主要是因为PWM合成波形的载波频率和干扰频率均较低，功率等级和强度均较大，干扰频段主要位于300 MHz以下，主要表现为共模干扰。中小功率PWM合成波形通常会造成电磁环境噪声基线整体抬升30～40 dB，在3～21 MHz造成电磁环境噪声局部抬升近55 dB，在86～90 MHz和105～109 MHz以及43 MHz、65 MHz附近均会造成电磁环境噪声局部抬升近65～75 dB。因此车载电源装备一般要求对PWM合成波形提供40～80 dB以上的插入损耗（或称衰减），可见PWM合成波形的高效能输出滤波器设计的核心问题是滤波器截止频率确定和宽阻带设计实现，以及高频段高功率等级插入损耗保证。

在第三代车载电源装备的研制过程中，我们采用具有高阻尼特性的宽带低通滤波技术，解决了滤波器插入损耗要求高、阻带频率范围要求宽、尺寸要求高等诸多因素之间的矛盾。

首先，为了通过RE102，要求滤波器的有效阻带频率达到从几十千赫至几百兆赫，这对于一般的低通滤波器是十分困难的，主要是因为滤波中使用的电容、电感器件具有非理想性。理论上设计的低通滤波器电路真正实现后，不具备低通滤波器的特性，而是呈现带阻滤波器的特性，不能够满足宽带滤波的要求。项目设计中，采用多组3～5阶滤波器，其特殊的内部结构减小了电容、电感的寄生杂散参数，倍频程衰减量达到了60～100 dB，实现了宽带滤波。

其次，逆变电路的载波频率为10 k Hz，并有20 k Hz、30 k Hz、40 k Hz等高次谐波。普通的低通滤波器会对这些高次谐波放大，导致电源设备不能满足RE102、CE102的要求。这种放大效应是由于滤波电路中LC电路谐振所致。项目设计中，采用了具有阻尼特性的低通滤波器电路，完美解决了这个问题。

2.3 大功率电力电子设备机箱的屏蔽设计

大功率电力电子设备需满足通风散热要求，同时机箱必须密闭以确保满足电磁屏蔽要求，两者的有效兼顾成为机箱屏蔽设计的关键技术难题。车载电源装备机箱的结构设计涉及机体和门窗孔缝、穿壁安装的连接器座360°端接的等电位密闭结构工艺设计，开关电路和滤波器以及外置散热器的自身屏蔽设计，通风波导和显示窗设计定制等部分。其中显示屏窗口采用加装丝网屏蔽玻璃的方法外部屏蔽；风扇通风口采用缝隙最大尺寸小于λ／50的铝制波导通风设计，且进出口按6∶9的匹配设计；机箱接合或闭合缝隙采用契形导电条或铍青铜簧片来确保等电位；各滤波器采用独立屏蔽相互隔离，且外壳与机箱等电位连接，同时遵循就近接入原则的工装工艺；机箱及各电路单元统一汇流接地。经以上设计，实现了设备机箱整体屏蔽效能达到60 dB以上的要求。

2.4 输电和控制电缆屏蔽及中频发电机转动轴承电弧放电控制设计

电力传输与控制电缆是形成电磁干扰的重要传输途径，对于高能量等级的电力电子系统的互连电缆，以及供电设备与受供设备间的所有传输连接电缆都必须进行有效的屏蔽设计，其屏蔽效能应达到60 dB以上。方案设计中采用的是线缆全程独立屏蔽和端子360°端接的电位连接工艺以及低通滤波处理，很好地阻断了电磁干扰的传输途径并抑制住了射频传导辐射。

另外，因永磁中频发电机转动轴承组件处于变换磁场中，所以中频发电机发电运行过程中会在轴承中产生感应电动势，而轴承与轴套之间的电连接时常出现断续，因此会产生电流，而这种电流会引起电弧放电，伴随电弧放电的将是宽频电磁辐射，因此必须对这种电弧放电进行有效控制。项目设计中采用轴承单端支撑结构设计和轴承组件绝缘处理设计，有效抑制了感应电流和电弧的生成。

2.5 隔声舱的综合电磁兼容设计

对于箱式静音发电机组来说，虽然其隔声舱本身密闭且具有一定的电磁屏蔽效果，但是隔声舱上连接的外部散热器、启动电瓶等构成了泄漏源。这些泄漏源不消除会导致RE102超标。

项目设计中采用滤波和屏蔽相结合的方法解决了这个问题。具体方法是：首先对隔声舱和散热器分别屏蔽，然后在两者之间的连接电缆两端安装特制的滤波器，这种滤波器可以滤除连接电缆上的宽频干扰电流，减小电缆的辐射。同时，这个滤波器阻止了隔声舱内的高频干扰传导到散热器，允许散热器采用通风良好的结构。另外在启动电瓶连接处，安装了采用穿心电容构成的宽频滤波器，有效阻止了隔声舱内的宽频干扰，减小了电流的泄漏。

3 小 结

本项目设计研制完成后实现了通信车车载电源装备宽频电磁辐射和射频传导干扰的有效抑制，车载发电机组、综合稳压电源均顺利通过GJB151A-97规定的以RE102、CE102为代表的陆军地面设备五项规定的严格测试，在全面攻克电源装备强电磁干扰难题的同时，为各类车载电子设备和电子信息车辆装备整体效能发挥提供了坚实保证。

［1］杨继深.电磁兼容技术之产品研发与认证［M］.北京：电子工业出版社，2004.

［2］谈学超张军刚.电子信息系统第三代车载电源装备体制论证与总体技术研究总结报告［R］.北京：总参某信息化研究所，2013.