电气工程学报, 2024, 19(1): 226-234 doi: 10.11985/2024.01.024

电力电子与电力传动

数字电源浪涌抑制方法研究*

胡经纬,1, 王久和,2, 曲秋莳,1

1.北京交通运输职业学院城市轨道交通学院 北京 100096

2.北京信息科技大学自动化学院 北京 100192

Research on Surge Suppression Method of Digital Power

HU Jingwei,1, WANG Jiuhe,2, QU Qiushi,1

1. School of Urban Rail Transportation, Beijing Vocational Transportation College, Beijing 100096

2. School of Automation, Beijing Information Science and Technology University, Beijing 100192

通讯作者: 王久和，男，1959年生，博士，教授，博士研究生导师。主要研究方向为电能变换控制、电能质量控制及微电网等。E-mail：wjhyhrwm@163.com

收稿日期: 2023-01-15   修回日期: 2023-06-21  

基金资助: 国家自然科学基金(51777012)
北京市自然科学基金-市委联合(KZ201911232045)

Received: 2023-01-15   Revised: 2023-06-21  

作者简介 About authors

胡经纬，男，1990年生，硕士，讲师。主要研究方向为电能变换器的电磁兼容设计及控制。E-mail：827794655@qq.com;

曲秋莳，女，1987年生，硕士，副教授。主要研究方向为电能变换器电磁兼容设计及控制。E-mail：qsq1007@163.com

摘要

对于通过前端浪涌防护模块对数字电源浪涌冲击进行抑制的方法，当浪涌能量过高时，存在浪涌防护模块通常无法有效抑制全部浪涌能量的问题。针对该问题，分析了浪涌的产生原因及特性，研究了浪涌在数字电源中的传递路径及在不同观测点的浪涌波形，进而提出了印刷电路板(Printed circuit board，PCB)布局优化、电路优化及磁屏蔽等数字电源浪涌抑制新方法。所提新方法原理简单、可靠性高，能使数字电源获得良好的浪涌抑制能力。研制了1.2 kW试验样机并进行浪涌测试试验，试验结果表明所提出的浪涌抑制新方法可抗4级浪涌试验，能够保障数字电源正常工作。

关键词： 数字电源; 浪涌抑制; PCB布局优化; 电路优化

Abstract

For the method of suppressing surge impact in digital power through the front-end surge protection module, when the surge energy is too high, there is the problem that the surge protection module usually unable effectively suppress all surge energy. Aim at this problem, the causes and characteristics of surge are analyzed, the transmission path and waveform at different observation points of surge in digital power are studied, and then some new methods of digital power surge suppression such as printed circuit board(PCB) layout optimization, circuit optimization and magnetic shielding are proposed. The new method is simple in principle and high in reliability, it can make the digital power obtain good surge suppression ability. A 1.2 kW experimental prototype is developed and surge tested, the experimental results show that the proposed new surge suppression method can resist level 4 surge test, and it can guarantee the digital power regular work.

Keywords： Digital power; surge suppression; PCB layout optimization; circuit optimization

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本文引用格式

胡经纬, 王久和, 曲秋莳. 数字电源浪涌抑制方法研究*[J]. 电气工程学报, 2024, 19(1): 226-234 doi:10.11985/2024.01.024

HU Jingwei, WANG Jiuhe, QU Qiushi. Research on Surge Suppression Method of Digital Power[J]. Chinese Journal of Electrical Engineering, 2024, 19(1): 226-234 doi:10.11985/2024.01.024

1 引言

数字电源是指以数字芯片为核心，实现数字控制和通信功能的电源产品。浪涌是一种突发性的瞬态电压或电流脉冲，本质上是一种微秒级别的剧烈脉冲。在航天、通信等行业中，当浪涌发生时，不仅要求数字电源可以承受瞬态电流尖峰的冲击，同时还要求数字电源能正常可靠地运行。

通常数字电源的交流输入端已设置浪涌防护模块，在直流输出端也有稳压限流等措施；但是浪涌产生时，电源内部乃至直流输出端仍然有可能出现瞬间的大电流脉冲。大电流脉冲有可能造成半导体元器件可靠性降低、损坏甚至电源故障；还可能会导致输出电压电流异常和电磁干扰，影响下一级设备的工作。因此，研究数字电源浪涌抑制方法有着重要的意义。

为提高数字电源浪涌抑制能力，国内外学者致力于浪涌抑制技术的研究，以期在浪涌产生时，保障电源可靠工作。文献[1]提出一种(Insulated gate bipolar transistor，IGBT)和继电器组合的快速开关电路，利用压敏电阻、安规电容等元器件抑制雷击浪涌影响；但在该电路中，当N线受到雷击浪涌影响时，并联在IGBT两端的二极管易先于IGBT体二极管导通而损坏。文献[2]对光伏并网发电系统中一种直流电涌保护器进行了特性分析，不足在于单个直流电涌保护器无法完全滤除浪涌干扰，需要多级浪涌保护器的联动配合，这势必会增加系统的体积与成本。文献[3]提出了一种电源防护系统，该系统利用双重隔离以提高电源线路的防雷水平，该系统对雷击电磁脉冲有很好的防护效果，但是该设计中的隔离变压器降低了系统效率，增加了体积与成本。文献[4]使用瞬态保护与频域滤波结合的方法设计了一种针对电源线的纳秒级电磁脉冲干扰综合防护模块，该模块可在较短时间内泄放掉大部分的浪涌能量，但因模块元器件自身寄生效应的存在，该模块无法克服浪涌对模块后级电路的影响。文献[5]对直流电源输入端的浪涌抑制技术进行了研究，对不同电压等级的浪涌提出了不同的抑制电路，但是浪涌强度通常会随着环境变化而动态变化，单一电路对浪涌的变化缺乏适用性。

上述研究多是通过在系统前端加装防浪涌模块的方法进行浪涌抑制，但是防浪涌模块自身会产生一定的寄生效应。同时，防浪涌模块的设计需要综合考虑工作电压、通流能力、响应速度等多项因素，且受限于器件自身特性，仅靠防浪涌模块进行浪涌抑制效果并不理想。

针对前端浪涌防护模块抑制浪涌能力不足的问题，本文对浪涌特性及浪涌在电源内部传递路径进行深入分析，对数字电源前端的浪涌防护模块进行优化；同时，应用印刷电路板(Printed circuit board，PCB)布局优化、电路优化及磁屏蔽等方法对浪涌防护模块后端的残压进行滤除。1.2 kW试验样机试验结果表明，所优化的浪涌防护模块及所提浪涌抑制方法可以有效地抑制浪涌对电源正常工作的影响。

2 浪涌特性

对于数字电源来说，浪涌来源主要有两种，在数字电源上电瞬间会产生极大的电流给内部储能大电容充电，此电流即为浪涌电流[6-7]；同时，当雷击影响产生时，也会产生极大的浪涌电流。因雷击产生的浪涌危害较大且较难防护，故本文重点研究雷击浪涌。

因数字电源结构、器件参数或雷击环境的不同，浪涌电压或电流均存在差异。关于浪涌的试验方法有一系列标准，但各种标准大都直接或间接引用IEC 61000-4-5[8]或国家标准GB/T 17626.5—2019[9]，两种标准内容基本相同，均规定了设备对由开关和雷电瞬变过电压引起的单极性浪涌抗扰度要求。依据标准IEC 61000-4-5，表征浪涌波形特征的主要有5个参数，如表1所示，浪涌发生器开路电压及短路电流波形如图1所示。

表1   浪涌波形特征参数

参数定义
Tw波形上升至50%峰值后下降其峰值50%的时间间隔
T电压波形由30%峰值上升至90%峰值所对应的时间间隔
Tr电流波形由10%峰值上升至90%峰值所对应的时间间隔
Tf‚“波前时间”，对于电压波形来说，Tf=1.67T，对于电流波形来说，Tf=1.25Tr
Td“半峰值时间”，对于电压波形来说，Td=Tw，对于电流波形来说，Td=1.18Tw

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图1

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图1   浪涌波形


由图1可知，由雷击引起的浪涌是一种瞬态能量[10]，这种瞬态能量易通过电路中元件的寄生电容向后级传导。

依据标准IEC 61000-4-5，图1所示浪涌波形的幅频特性曲线如图2所示。从图2可以看出，浪涌幅值在达到一定频率后开始明显衰减。浪涌能量主要分布在低频部分，浪涌波形中所含的高频能量较小，但数字电源不是纯阻性电路，线路、元器件的分布电容甚至壳体均有可能将高频能量向后级传导。对于数字电源来说，低频能量可通过前端浪涌防护模块进行消除，而高频能量则必须经过控制浪涌传递路径来抑制。在前端浪涌防护模块无法有效滤除浪涌全部干扰的前提下，必须经过后级PCB布局优化和磁屏蔽等方法进行浪涌抑制。

图2

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图2   浪涌波形幅频特性图


3 浪涌传递路径

3.1 浪涌在数字电源中传递路径

数字电源结构框图如图3所示，由前端AC/DC部分和后级DC/DC部分组成。

图3

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图3   数字电源结构框图


前端交流电与直流电(Alternating current/ direct current，AC/DC)部分包括浪涌防护模块、整流电路及功率因数校正(Power factor correction，PFC)电路，后级DC/DC部分包括原边开关部分及副边整流部分，两部分均由数字控制器进行控制。输入交流电经浪涌防护模块和整流电路作用后变为直流，后经PFC功率因数校正后由大容量电容C1进行稳压。后级DC/DC变换器将C1上的稳定电压进行电压变换，变换后的电压经输出滤波后供下一级设备直接使用[11]。

数字电源的浪涌传递如图3中虚线所示，图3中虚线粗细代表浪涌能量的强弱，由图3可知，浪涌能量在单个浪涌防护模块部分最强，经单个浪涌防护模块浪涌抑制作用后，浪涌能量变弱。根据IEC 61000-4-5，当电路施加波前时间1.2 μs及半峰值时间50 μs的开路浪涌电压时，图3中①~⑤处电压波形如图4所示，图4中，线①表示图3中①处电压，是电源输入处浪涌电压波形，线②表示图3中②处电压，是经浪涌抑制器作用后的电压波形，由线②可知，经浪涌抑制器作用后，浪涌电压依然具备标准所描述的波形特征，但是幅度大为降低。线③表示图3中③处电压，为DC/DC变换器原边处浪涌波形，经电容C1作用后，浪涌电压幅值进一步降低，但是依然存在，线④表示图3中④处电压，为变压器副边浪涌电压波形，线⑤表示图3中⑤处电压，为DC/DC部分芯片供电端浪涌电压波形。

图4

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图4   电源各位置浪涌电压波形


3.2 浪涌对变压器二次侧的影响

浪涌分为共模和差模两种形式，L线与N线之间幅值相同且相位相同的浪涌称为共模浪涌，L线与N线之间幅值相同且相位相反的浪涌称为差模浪涌[12]。理论上，因变压器的存在，数字电源的DC/DC部分一二次侧完全隔离，但实际上变压器绕组层间存在分布电容，故共模浪涌在经过变压器时其高频部分会通过分布电容耦合到变压器二次侧[13-14](图5)，进而影响DC/DC部分数字控制器的正常工作。而对于差模浪涌来说，当L线浪涌电流经过变压器时，绝大部分浪涌电流会经过N线回流到输入端，因此，差模浪涌电流对DC/DC部分二次侧的正常工作影响较小。

图5

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图5   变压器分布电容对共模浪涌的影响


4 浪涌抑制方法

现根据数字电源的输入输出能量传递顺序对数字电源的浪涌抑制方法进行研究。

4.1 AC/DC部分浪涌抑制方法

AC/DC部分包括浪涌防护模块、整流电路及PFC电路，分别进行浪涌抑制、交-直流变换及功率因数的提高。

4.1.1 浪涌防护模块优化

浪涌防护模块不仅要进行浪涌抑制，也要兼顾电磁兼容性能。浪涌防护模块主要由压敏电阻、瞬态抑制二极管、气体放电管、X电容、Y电容及共模电感等元件组成，浪涌防护模块电路如图6所示。

图6

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图6   浪涌防护模块电路


压敏电阻、瞬态抑制二极管和气体放电管等过电压保护元件具有相同的伏安特性。当元件两端电压高于标称电压时，元件呈现低阻状态，此时浪涌电流可通过元件进行泄放。当元件两端的电压低于标称电压时，元件呈现高阻状态。当元件两端的电压超过最大限制电压时，元件将击穿损坏，无法自行恢复[15-16]。因此，当过压值过高时，熔断器应可靠熔断，保证压敏电阻或瞬态抑制二极管等元器件自身不受损坏在能量冲击下，气体放电管并联在共模电感两端可发挥最大效果。当浪涌发生时，幅值较高的浪涌电流会在共模电感两端感应出一个幅值较高的感应电压，当感应电压超过气体放电管的标称电压时，气体放电管产生弧光放电，将浪涌能量泄放掉。

此外，可采用PCB板尖端放电的方式进行能量泄放，如图7所示。

图7

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图7   PCB放电尖端设计


在共模电感两端放置放电齿，放电齿表面进行开窗不敷漆，使得共模电感两端产生的瞬态高压可以通过放电齿尖端进行放电，进而减少甚至避免通过其他路径放电，这种方法能够有效保护周围和后级器件。

4.1.2 PFC部分的浪涌抑制方法

前端浪涌防护模块对瞬态浪涌进行一次性的抑制，对浪涌的低频分量进行消耗时，也可让高频分量进行衰减，同时它几乎不影响电源系统的正常工频运行状态，但是数字电源的耐压水平较低，前端浪涌防护模块不能完全满足电源的安全工作要求, 为提高设备的可靠性和安全性，则需要模块后的PCB布局优化、电路优化等手段对浪涌防护模块后端残压的传递路径进行控制，促使残压以最短的路径通过N线或PE线进行泄放。

数字电源电流和电压之间的相位差会造成交换功率的损失，此时便需要PFC电路提高电路的功率因数，功率因数值越高，电能利用率越高。

PFC电路浪涌抑制方法如图8所示，PFC电路由储能电感器L、MOSFET管、快恢复二极管D2组成等元件组成，为防止功率MOSFET因大电流的冲击损坏，增加旁路二极管D1，以降低功率MOSFET的最大峰值电流。根据浪涌标准IEC 61000-4-5，浪涌波前时间仅有1.2 μs，因此，旁路二极管的开启时间必须小于1.2 μs，同时，要优化PFC电路的PCB布局，以减少浪涌对后级DC/DC部分的影响，PCB布局具体优化要点如下：① D1需要直接连接在大电容C1上，且线路尽量短；② Y电容需要与大电容C1直接相连；③ Y电容接地线路尽量短。

图8

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图8   PFC电路PCB布局优化方法


4.2 DC/DC部分浪涌抑制方法

DC/DC部分的主要作用是将AC/DC变换后的电压进行再次变换，以供输出使用，数字电源以数字芯片为控制核心，数字芯片因供电电压较低易受浪涌影响，故在DC/DC部分，数字电源主要以减少浪涌对数字芯片的影响为主要控制目标。

(1) 为抑制浪涌电流的冲击，数字控制芯片工作电压(Voltage drain drain，VDD)端及RESET端电路优化应如图9所示。电路供电电压(Voltage collector collector，VCC)端在连接至数字控制芯片RESET端时，应加入滤波电路，滤波电容C3应至少由两种容值组成，且滤波电容C3应紧贴RESET端放置。同时，可搭配磁珠以提高抗干扰能力。

图9

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图9   数字控制芯片电路优化


(2) 在优化电路的同时，也要通过优化PCB板布局滤除浪涌的干扰，数字控制芯片下方要保证完整的敷铜。数字控制芯片的模拟地线(Analogue GND，AGND)要和数字地线(Digital GND，DGND)单点连接，如图10所示。

图10

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图10   数字控制芯片PCB布局设计


(3) 对于DC/DC部分来说，当浪涌发生时，变压器磁场也是一个重要的干扰源[17]。铁、铁硅系合金为导磁性材料，非常适合磁能的传导，若选用铁磁性材料作为电源外壳的话，变压器上因浪涌产生的磁干扰易通过外壳传导至变压器二次侧数字芯片处，影响数字控制芯片的正常运行。

为实现磁屏蔽，借鉴文献[18⇓-20]，考虑到变压器浪涌产生的磁场为高频交变磁场，则可利用导电性能好的铜箔产生与高频交变磁场方向相反的交变涡流磁场，抑制高频交变磁场穿透铜箔，达到磁屏蔽的目的。采用铜箔进行磁屏蔽结构如图11所示。

图11

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图11   磁屏蔽材料抑制磁场干扰方法


5 试验研究

为验证本文所提浪涌抑制方法，研制一台1.2 kW原理样机，该样机有两路输出，一路输出直流电压54 V，作为主路电压输出，另一路输出直流电压12 V，作为辅路电压输出。AC/DC部分及DC/DC部分控制芯片均选用TI公司的UCD3 138。样机主要技术参数如表2所示，试验系统装置如图12所示。

表2   样机主要技术参数

参数数值/型号备注
输入电压/VAC220
主路输出电压/VDC54
辅路输出电压/VDkC12
开关频率/kHz240
负载功率/kW1.2
PFC电路开关管IPW60R080P7INFINEON公司
DC/DC部分原边开关管IPW60R037P7INFINEON公司
DC/DC部分副边整流管及续流管FDMS86 350Fairchild公司
AC/DC部分控制芯片UCD3 138TI公司
DC/DC部分控制芯片UCD3 138TI公司

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图12

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图12   系统试验装置


依据IEC 61000-4-5标准，分别在L相与N相相位差0°、90°、180°及270°时应用浪涌发生装置对样机进行浪涌测试试验，根据IEC 61000-4-5中规定的第4试验等级，共模浪涌最高测试电压4 kV，差模浪涌最高测试电压2 kV，测试结果如表3及表4所示。

表3   差模浪涌测试结果

测试
电压/kV		L与N相位差/(°)
090180270
1工作正常工作正常工作正常工作正常
1.5工作正常工作正常工作正常工作正常
2工作正常工作正常工作正常工作正常

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表4   共模浪涌测试结果

测试电压/ kVL与N相位差/(°)备注
090180270
1工作正常工作正常工作正常工作正常
2工作正常工作正常工作正常工作正常
3工作正常工作正常工作正常工作正常
3.5工作正常PFC电路MOSFET管损坏，主路电压无输出工作正常工作正常优化PFC电路的PCB布局后通过该电压等级测试
4工作正常主路电压输出重启，数字控制芯片重启工作正常工作正常对DC/DC部分数字芯片进行磁屏蔽后通过该电压等级测试

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由表3及表4可知，共模浪涌对数字电源的考验更为严格。L相与N相相位差90°时浪涌危害最高，这是由于此刻L相与N相电压差幅值最高且与浪涌电压叠加而造成。

由表4测试结果可知，当浪涌测试电压CM3.5 kV，L相与N相相位差90°时，主路电压无输出，PFC电路MOSFET开关管损坏，试验波形如图13所示。

图13

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图13   CM3.5 kV时电源输出电压波形


由图13可知，主路输出电压降为0 V，PFC电路开关管无驱动信号。应用本文第4.1.2节提出的方法优化PCB布局，将旁路二极管通过飞线直接连接到储能大电容上，同时缩短PFC电路Y电容的对地连线。优化后，样机在CM3.5 kV浪涌试验顺利通过，无MOSFET开关管损坏或输出掉电现象发生，如图14所示。

图14

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图14   改进后CM3.5 kV时电源输出电压波形


由表4测试结果可知，当浪涌测试电压CM4 kV、L相与N相相位90°时，输出电压发生重启现象，试验波形如图15所示。

图15

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图15   CM4 kV时电源输出电压波形


由图15可知，主路输出电压发生重启现象，控制芯片RESET端电压降低，芯片重启。应用第4.2节提出的方法，对芯片进行磁屏蔽，如图16所示。进行完磁屏蔽后，样机在CM4 kV浪涌试验顺利通过，无输出电压重启的现象发生，如图17所示。

图16

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图16   数字控制芯片磁屏蔽方法


图17

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图17   改进后CM4 kV时电源输出电压波形


表4及图13~17所示的改进前后性能比较如图18所示，由图18可知，本文所提浪涌抑制方法效果明显，PFC电路经优化后，样机可抗CM3.5 kV浪涌电压冲击，对芯片进行磁屏蔽处理后，样机可抗CM4 kV浪涌电压冲击。

图18

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图18   改进前后性能比较


6 结论

本文分析了浪涌产生的原因、浪涌的特性及在数字电源中的传递路径，研究了浪涌在不同观测点的波形及对变压器二次侧的影响，依次对AC/DC部分及DC/DC部分的浪涌抑制方法进行探究。

(1) 优化了浪涌防护模块，通过浪涌抑制元器件的串并联组合将浪涌能量逐级泄放，同时采用PCB板尖端放电的方式在共模电感两端对能量进行泄放。

(2) 在PFC电路部分，通过电路优化及PCB布局优化的方式提高浪涌抑制能力。

(3) 在DC/DC部分通过滤波电路设计、PCB布局优化及磁屏蔽等方法提高数字芯片的浪涌抑制能力。

本文所提方法原理简单，可靠性高。试验结果表明通过本文所提新方法，数字电源能获得良好的浪涌抑制能力，可抗4级浪涌试验，输出电压稳定无奇异点，无掉电或重启等异常情况发生。

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