高功率脉冲电源的强电磁脉冲干扰防护技术研究＊

杨 丹，康 强，金 晖，罗光耀，王 艳

（中国工程物理研究院应用电子学研究所，四川 绵阳621900；高功率微波技术重点实验室，四川 绵阳621900）

1 引言

高功率脉冲电源各部组件工作电压由几十伏逐级提高到数百千伏，工作频率分布在直流低频到兆赫兹的范围。不同电压等级、电流强度和振荡频率的电路共存在一个系统，电磁环境相对复杂，电源系统自身的电磁兼容（EMC）设计呈现出重要性[1]。EMC 设计除了进行系统电磁环境特性分析外，更多需要针对装置和线路的具体特点问题进行实践，既要通过性能测试检验设计方案验证可行性，又要进行设计优化。

2 高功率脉冲驱动电源电磁环境分析

高功率脉冲驱动电源各个电子设备和功率元件工作在不同的频率、电压、功率状态，因此系统自身就构建了一个复杂的电磁环。脉冲功率源工作在高电压、大电流模式，在重频脉冲放电时会产生强电磁波辐射[2]，而组成脉冲功率源的主要元件都属于高压大功率器件，具有较强的耐受能力。

脉冲驱动电源的大功率火花开关在瞬间电离开关电极间的绝缘气体，形成大电流传输通道，电流上升时间达到1 kA/ns，峰值电流超过10 kA，高频电磁辐射出现在脉冲电流上升阶段。当开关重频工作时，连续辐射的强电磁脉冲将对低压和弱电元件产生持续干扰，甚至造成敏感元件的功能丧失。多开关同步运行的脉冲源可等效为多个辐射单元在同时工作，其电磁脉冲损伤效应将大于单开关工作状态。

电磁辐射源通过近场耦合和远场辐射的方式形成高频电磁脉冲传导和辐射干扰。在高压脉冲电源强电磁环境中，电磁脉冲通过信号线、控制线、电源线等线缆进行线束传输，直接侵入敏感部件，影响电子设备工作稳定性[3]；而空间辐射的干扰波形频率多集中在1 GHz 以内，且强度和范围分别随距离和辐射源角度变化。图1 给出了某脉冲驱动源电磁辐射干扰的典型测试波形。

实验表明，脉冲驱动源运行时不同测量位置处均可测得强电磁脉冲传导干扰和空间干扰波形，其中以近高压开关处波形幅值最大。通过频域分析，幅值最大处多集中在20 MHz以内。由此可见，强电磁脉冲干扰多产生于开关导通瞬间电路中通过的大电流。

图1 脉冲驱动源电磁辐射干扰测试波形

3 脉冲驱动电源的电磁兼容问题

脉冲驱动源的前级充电单元包括了MOSFET触发电路、PWM 产生电路、稳压电路、光电转换电路等，含有众多敏感元件，在电磁干扰作用下易失效。高低压线缆及接地网络交织在一起，频率范围宽、相互影响概率较大。

脉冲驱动电源控制单元产生多路高精度延时触发信号，控制电源按既定时序关系运行。控制单元工作电压为低压直流电，输出控制信号皆为TTL 等低压信号，属于电源系统中电磁干扰的敏感设备。

随着脉冲功率源性能提升，di/dt 和dv/dt 等电参数的增大，一方面给低压电路和电子线路带来大量的电磁兼容问题；另一方面，高压脉冲放电时的瞬时地电位抬高也会对低压电路带来扰乱。为确保系统正常工作不受强电磁脉冲干扰影响，需要采取屏蔽、隔离、接地等技术途径并结合抑制材料、元器件选型、工程布线等手段提高系统的电磁兼容能力。

4 电磁干扰防护措施

4.1 高压电源电磁辐射隔离设计

脉冲驱动源充电单元结构示意图如图2 所示，包括高压模块、低压模块和触控组件3 部分。大法兰盘首先对火花开关辐射的电磁脉冲进行隔离，高压法兰盘和低压法兰盘对透射进来的电磁波再起到双重屏蔽作用。脉冲前沿10 ns 的电磁波透入深度不足0.1 mm，采用5 mm 铝板可同时起到结构支撑和电磁隔离的作用。为了保护触发电路、控制电路等敏感电路免受来自脉冲功率源和高压模块的电磁脉冲干扰，在其外部设计一个厚2 mm 的不锈钢外壳。

图2 脉冲充电单元结构示意图

为了减小单元传导干扰，在有电源输入的地方使用了电源滤波器，在有低压信号输出的地方采用信号滤波器等防护措施。在充电单元输出端增加一组反峰抑制电路，防止脉冲驱动源的反向高压脉冲沿线路侵入低压电路。

4.2 低压驱动电路电磁干扰保护

充电单元全桥逆变器工作电压高，采用脉冲变压器隔离驱动的方法。在触发电路的基础上，每路驱动电路增加了脉冲变压器隔离电路。

PWM 控制器将反馈环路上的光耦更改成磁耦，通过隔离变压器将采样到的直流电压变换成交流信号，通过变压器传递，然后在原边侧要两次整流变成PWM 控制器能接收的直流信号。磁反馈可靠性高、抗辐噪能力强、受温度影响小，适用于强电磁辐射环境。

4.3 信号传导与屏蔽

典型的传导干扰途径主要有信号传输线缆、通信连接线缆、电源线等。为此，在信号传输与通信连接的线缆选择上，经过光电转换处理，采用全光纤数据接口的数字化信息传输网络。

消除通信线缆形成的干扰途径后，高功率脉冲驱动电源系统主要需要消除从电源线传入的干扰信号。为此，采用“隔离变压器+DC/DC 多级隔离”方式提供低压弱电敏感设备的电源输入，减少电压波动和电源线路串扰的影响。电源滤波器加装在屏蔽机柜接入侧，用于抑制电源线缆引入的干扰噪声。

4.4 脉冲驱动电源接地

脉冲功率源外壳作为高压电脉冲输出时的低压回路，该壳体同时为驱动电源系统的公共高压接地点，低压控制系统的接地点不得与脉冲高压直接共地。

充电单元包含高压、低压、高频、低频多种不同的电路单元，宜采用混合接地法。低频电路采用单点接地法，高频电路采用多点接地法，然后将各类地的最佳参考点通过地线再连接到同一参考地电位点上，以形成统一的地电路系统。

控制单元中有多种电子线路，地线应分组敷设，其中，信号地线采用“悬浮地”，屏蔽机箱外壳可靠接地，形成电气通路，为屏蔽箱体上的电荷提供泄放通路。

5 结论

火花开关是高功率脉冲电源强电磁脉冲辐射的主要来源，低压电路和控制单元是电源系统电磁防护的重点对象，通过对线间传导和空间耦合两种侵入方式的抑制，同时改进系统接地，可以有效解决高功率脉冲电源强电磁脉冲干扰问题。