電力電子電路電場(chǎng)串?dāng)_屏蔽方法

導(dǎo)語(yǔ)：電力電子電路電場(chǎng)串?dāng)_屏蔽方法一文來(lái)源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢(xún)客服老師，歡迎參考。

摘要：由于電力電子電路運(yùn)行過(guò)程中，寄生電容的不斷增加會(huì)造成電場(chǎng)串?dāng)_問(wèn)題產(chǎn)生，進(jìn)而影響電路整體結(jié)構(gòu)的運(yùn)行質(zhì)量。為解決這一問(wèn)題，開(kāi)展電力電子電路電場(chǎng)串?dāng)_屏蔽方法研究。通過(guò)電力電子電路電場(chǎng)串?dāng)_噪聲頻譜特征提取、基于電場(chǎng)串?dāng)_噪聲頻譜特征的屏蔽地線參數(shù)設(shè)定、屏蔽地線布設(shè)方式設(shè)計(jì)，提出一種全新的屏蔽方法。將該屏蔽方法應(yīng)用到實(shí)例當(dāng)中證明，方法應(yīng)用前與方法應(yīng)用后相比，電力電子電路電場(chǎng)的寄生電容得到有效降低，達(dá)到了預(yù)期的屏蔽效果。

關(guān)鍵詞：電力；電路；屏蔽；串?dāng)_；電場(chǎng)；電子

當(dāng)前，現(xiàn)代電子技術(shù)得到了快速的發(fā)展，電力電子產(chǎn)品的功率密度不斷增加，同時(shí)在電路結(jié)構(gòu)當(dāng)中，其銅線的設(shè)置也逐漸變得復(fù)雜且繁瑣。由于高頻率開(kāi)關(guān)的電源在運(yùn)行的過(guò)程中，其電壓與時(shí)間的微分比值較高，因此其節(jié)點(diǎn)造成的電場(chǎng)出現(xiàn)串?dāng)_的問(wèn)題，會(huì)直接影響到電路結(jié)構(gòu)的運(yùn)行質(zhì)量，因此針對(duì)這一問(wèn)題，相關(guān)領(lǐng)域研究人員開(kāi)展了深入的探究，并將如何實(shí)現(xiàn)對(duì)電場(chǎng)串?dāng)_問(wèn)題的屏蔽作為研究重點(diǎn)。在電壓與時(shí)間的微分比值較高的節(jié)點(diǎn)上，針對(duì)采樣電路的電場(chǎng)串?dāng)_問(wèn)題，輕度影響會(huì)使得電力電子電路的輸出控制精度無(wú)法得到保障，重度影響則會(huì)造成整個(gè)電路結(jié)構(gòu)的無(wú)法正常啟動(dòng)和運(yùn)行。當(dāng)前，針對(duì)電場(chǎng)串?dāng)_的問(wèn)題研究，主要可劃分為對(duì)其產(chǎn)生原因、影響因素以及抑制等方面[1]。

1電力電子電路電場(chǎng)串?dāng)_屏蔽方法設(shè)計(jì)

1.1電力電子電路電場(chǎng)串?dāng)_噪聲頻譜特征提取

為了避免串?dāng)_現(xiàn)象對(duì)電力電子電路電場(chǎng)的穩(wěn)定、安全運(yùn)行造成影響，本章采用提取串?dāng)_噪聲頻譜特征的方式，對(duì)其串?dāng)_特性進(jìn)行分析。在此過(guò)程中，應(yīng)明確電路中PCB的高壓電流導(dǎo)線屬于電場(chǎng)在運(yùn)行中的直接干擾源，此干擾源會(huì)通過(guò)電場(chǎng)中相鄰導(dǎo)線的電容，對(duì)其周邊導(dǎo)體、電氣、小信號(hào)裝置的運(yùn)行產(chǎn)生串?dāng)_現(xiàn)象，在此種條件下，干擾源發(fā)射信號(hào)，敏感導(dǎo)線接收信號(hào)，定義電場(chǎng)中兩根敏感導(dǎo)線在傳輸信號(hào)與電流時(shí)，產(chǎn)生的寄生電容表示為Cp，電場(chǎng)發(fā)生干擾后產(chǎn)生的電壓表示為u（t），此時(shí)，可將敏感導(dǎo)線上的位移電流表示為i，對(duì)應(yīng)i的計(jì)算公式如下。i=Cpdu（t）dt（1）當(dāng)電場(chǎng)中運(yùn)行的敏感導(dǎo)線存在其他分支電路時(shí)，可將電路終端的元件運(yùn)行產(chǎn)生的二次干擾電流作為有效電流，對(duì)其進(jìn)行信號(hào)放大處理，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)電場(chǎng)串?dāng)_噪聲頻譜特征的有效提取[2]。在此過(guò)程中，以Boost電路元件為例，需要先按照上述計(jì)算公式，對(duì)此導(dǎo)體產(chǎn)生的電場(chǎng)進(jìn)行串?dāng)_分析，分析后根據(jù)串?dāng)_信號(hào)，構(gòu)建一個(gè)電場(chǎng)運(yùn)行高頻率波形圖，定義波形圖中電壓的幅度值為U，在此基礎(chǔ)上定位前端造成串?dāng)_信號(hào)的干擾源，根據(jù)串?dāng)_電壓的動(dòng)靜態(tài)表現(xiàn)形式，對(duì)分支電阻率進(jìn)行計(jì)算。掌握電路中不同分支的電阻率后，對(duì)其進(jìn)行采樣，得到電場(chǎng)的分路電阻，將存在異常的電阻作為敏感點(diǎn)。根據(jù)現(xiàn)有已知信息，建立一個(gè)與電力電子電路電場(chǎng)運(yùn)行模式相同的干擾電路，根據(jù)波形圖的表達(dá)方式，定義電場(chǎng)中電壓值的上升與下降速度均表示為v，按照傅里葉表達(dá)方式，對(duì)u（t）進(jìn)行詳細(xì)表達(dá)，表達(dá)式如下。（2）式中：T表示為信號(hào)占用電路電場(chǎng)運(yùn)行的空比；C表示為開(kāi)關(guān)打開(kāi)與關(guān)閉狀態(tài)，當(dāng)C=1時(shí)，表示等效電路處于打開(kāi)運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)C=0時(shí)，表示等效電路處于關(guān)閉非運(yùn)行狀態(tài)；n表示為開(kāi)關(guān)數(shù)量；Φ表示為開(kāi)關(guān)打開(kāi)頻率。根據(jù)上述計(jì)算公式，分析電力電子等效電路圖，進(jìn)行C=1狀態(tài)下，電路干擾噪聲的提取，根據(jù)噪聲值與分析過(guò)程，繪制電路電場(chǎng)串?dāng)_噪聲頻譜特征圖像，如下圖1所示。根據(jù)上述圖1中所示的內(nèi)容可以看出，電路電場(chǎng)串?dāng)_信號(hào)的上升或下降，會(huì)隨著頻率點(diǎn)的變化而發(fā)生變化，當(dāng)頻率點(diǎn)為1πtr時(shí)，串?dāng)_噪聲值最大。結(jié)合圖1中的內(nèi)容及上述分析得出，在頻率點(diǎn)為1πtr時(shí)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)電路電場(chǎng)串?dāng)_噪聲頻譜特征的準(zhǔn)確提取，基于提取到的內(nèi)容可為后續(xù)屏蔽地線參數(shù)設(shè)定提供重要依據(jù)。

1.2基于電場(chǎng)串?dāng)_噪聲頻譜特征的屏蔽地線參數(shù)設(shè)定

將上述圖1作為參照，根據(jù)電場(chǎng)串?dāng)_噪聲頻譜特征，對(duì)屏蔽地線參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，在此過(guò)程中應(yīng)明確，屏蔽地線需要按照電路電場(chǎng)輸電線路的并行方向假設(shè)，根據(jù)屏蔽地線的架設(shè)高度，可從水平與位移兩個(gè)方向，對(duì)地線的屏蔽效果進(jìn)行分析。此次設(shè)計(jì)的地線屏蔽方式參照下述表1。隨著屏蔽地線架設(shè)高度的提升，地下預(yù)設(shè)的根數(shù)應(yīng)當(dāng)隨之增多。以架設(shè)單根屏蔽地線為例，對(duì)線路參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，具體參數(shù)如下表2所示。按照上述方式，對(duì)單根屏蔽地線架設(shè)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，架設(shè)過(guò)程中，需要先進(jìn)行線路屏蔽位置水平方向上的確定，根據(jù)預(yù)設(shè)的水平位置，對(duì)屏蔽線的高度進(jìn)行確定。在此基礎(chǔ)上，分析架設(shè)不同高度的成本，選擇經(jīng)濟(jì)效益最佳的方式，進(jìn)行屏蔽線路的架設(shè)，以此種方式提高架設(shè)效果的屏蔽效果。

1.3屏蔽地線布設(shè)方式設(shè)計(jì)

在明確不同電場(chǎng)串?dāng)_噪聲頻譜特征下的屏蔽地線參數(shù)后，針對(duì)其布設(shè)方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。由于電壓與時(shí)間的微分比值較高的節(jié)點(diǎn)，會(huì)通過(guò)容性耦合對(duì)周?chē)鷮?dǎo)線產(chǎn)生一定的電場(chǎng)串?dāng)_。因此，針對(duì)這一問(wèn)題，采用減小線間寄生電容的屏蔽思路，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)電場(chǎng)串?dāng)_的屏蔽。通過(guò)增大兩個(gè)屏蔽地線之間的距離或減小屏蔽地線的寬度，都能夠減小寄生電容。因此，基于這一特點(diǎn)，分別從線間距離和線寬方面入手，實(shí)現(xiàn)對(duì)屏蔽地線的布設(shè)。圖2為屏蔽地線布設(shè)方式示意圖。由于在實(shí)際應(yīng)用中，屏蔽地線布設(shè)的距離會(huì)受到電路結(jié)構(gòu)本身尺寸和規(guī)格的影響，使得布設(shè)參數(shù)常常無(wú)法滿(mǎn)足實(shí)際需要，并且無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)屏蔽地線長(zhǎng)度的無(wú)限增加。因此，基于上述兩個(gè)限制條件，本文采用在干擾源導(dǎo)線和敏感導(dǎo)線之間布設(shè)一根屏蔽地線或多根屏蔽地線的方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)其屏蔽能力的提升，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)寄生電容數(shù)值的降低，從而不斷減少電場(chǎng)的串?dāng)_影響，進(jìn)而達(dá)到屏蔽的效果。在實(shí)際進(jìn)行對(duì)屏蔽地線的布設(shè)時(shí)，若存在兩根或多根屏蔽地線同時(shí)布設(shè)的情況，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)將其之間的水平距離控制在3m左右最佳，若布設(shè)地段對(duì)屏蔽地線下方環(huán)境的要求過(guò)高，則可以考慮采用多根屏蔽地線布設(shè)的方式，以此達(dá)到最佳的屏蔽效果。

2實(shí)例應(yīng)用分析

結(jié)合本文上述論述的內(nèi)容，在明確了屏蔽方法的基本思路后，為了驗(yàn)證這一方法的實(shí)際應(yīng)用效果，選擇以某種常見(jiàn)的電力電子電路結(jié)構(gòu)作為本文實(shí)驗(yàn)的研究對(duì)象。已知該研究對(duì)象由于使用時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，本身質(zhì)量存在問(wèn)題，使得當(dāng)前其運(yùn)行過(guò)程中極易受到周?chē)妶?chǎng)串?dāng)_影響，造成電路運(yùn)行質(zhì)量無(wú)法達(dá)到預(yù)期要求。因此，針對(duì)這一問(wèn)題，引入本文上述提出的屏蔽方法，對(duì)該電力電子電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，在實(shí)現(xiàn)對(duì)其優(yōu)化的同時(shí)也進(jìn)一步驗(yàn)證本文屏蔽方法在實(shí)際應(yīng)用中是否具備可行性。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)本文屏蔽方法應(yīng)用效果更加直觀的判定，選擇將本文屏蔽方法應(yīng)用前后電力電子電路運(yùn)行時(shí)寄生電容。通過(guò)本文上述論述可知，寄生電容越大，則說(shuō)明電場(chǎng)串?dāng)_影響程度越大，屏蔽效果越不理想；反之寄生電容越小，則說(shuō)明電場(chǎng)串?dāng)_影響程度越小，屏蔽效果越理想[3]。根據(jù)上述論述，結(jié)合公式（1）中的內(nèi)容，確定屏蔽方法應(yīng)用前后電力電子電路的位移電流，進(jìn)一步推導(dǎo)得出其寄生電容。下頁(yè)表3為屏蔽方法應(yīng)用前后電力電子電路中的位移電流和寄生電容變化數(shù)據(jù)記錄表。從下頁(yè)表3中得到的數(shù)據(jù)可以看出，本文屏蔽方法應(yīng)用前，其位移電流均在1.25A以上，而寄生電容也均在12.25pF以上，在應(yīng)用本文屏蔽方法后，位移電流降低到了0.50A以下，寄生電容也同樣降低到了0.55pF以下。從表3中的兩組數(shù)據(jù)對(duì)比可以看出，本文提出的屏蔽方法在應(yīng)用后實(shí)現(xiàn)了對(duì)位移電流和寄生電容的有效降低。根據(jù)上述論述得出，該電力電子電路的電場(chǎng)串?dāng)_影響程度得到明顯降低，達(dá)到了理想的屏蔽效果。

3結(jié)語(yǔ)

綜合本文上述論述，提出了一種全新的電場(chǎng)串?dāng)_屏蔽方法，并結(jié)合實(shí)例證明了該方法在實(shí)際應(yīng)用中的可行性。為了進(jìn)一步提高這一屏蔽方法的應(yīng)用價(jià)值，在今后的研究當(dāng)中，還將針對(duì)影響寄生電容的屏蔽地線之間距離以及線寬等參數(shù)進(jìn)行更加深入的分析，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)屏蔽地線更合理的參數(shù)設(shè)置和布設(shè)，進(jìn)一步提高屏蔽效果。在實(shí)際應(yīng)用本文上述提出的屏蔽方法時(shí)，應(yīng)當(dāng)將屏蔽地線的水平位置盡可能設(shè)定在電場(chǎng)強(qiáng)度較高的位置上，若需要完成對(duì)多根屏蔽地線的架設(shè)，則還需要保證其整體結(jié)構(gòu)的中間位置向兩邊形成對(duì)稱(chēng)排列的結(jié)構(gòu)，以此才能夠進(jìn)一步發(fā)揮屏蔽地線的屏蔽效果。同時(shí)，由于研究時(shí)間和能力有效，在對(duì)上述屏蔽方法設(shè)計(jì)時(shí)，沒(méi)有充分考慮到電力電子電路本身結(jié)構(gòu)對(duì)電場(chǎng)串?dāng)_的影響問(wèn)題。因此，針對(duì)上述問(wèn)題，也將從電力電子電路本身角度出發(fā)，通過(guò)對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，在源頭上減少電場(chǎng)串?dāng)_發(fā)生的可能，從而確保電力電子電路能夠具備更高的運(yùn)行質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)

[1]袁義生，蘭夢(mèng)羅.電力電子電路PCB電場(chǎng)串?dāng)_及屏蔽研究[J].電子器件，2020，43（6）：1215-1221.

[2]武于凡.電路信號(hào)線間串?dāng)_機(jī)理及措施研究[J].電子產(chǎn)品世界，2021，28（1）：73-77.

[3]趙禹軒.電子電路設(shè)計(jì)中的抗干擾措施[J].電子技術(shù)與軟件工程，2021（11）：67-68.

作者：楊純海 單位：荊州職業(yè)技術(shù)學(xué)院