基于MOS开关的高频高压脉冲源中电磁兼容问题研究

摘要：本文研究了基于MOS固态开关的高频高压脉冲源中的电磁兼容问题，通过分析其干扰信号频谱分布及传播路径，制定了以屏蔽和滤波为主的电磁兼容方案，最终实现了重复频率80kHz，4kV脉冲源，实验验证了电磁兼容措施的有效性。
关键词：电磁兼容；高压脉冲源；屏蔽；滤波

0 引言
    随着MOSFET开关技术的发展，开关模块的在耐受电压为10kV情况下，工作重复频率极限已经达到了100kHz左右，大大提高了高压脉冲源的工作重复频率，为脉冲源进一步的广泛应用打下基础。本文设计了一种以高速MOS开关模块为基础，基于脉冲形成线原理的，工作电压为4．5kV，重复频率为80kHz的高频高压脉冲源。如此高重复频率的高压脉冲源中开关及电路中高电压和大电流源的剧烈变化会导致严重的电磁干扰，同时本文中MOS开关模块的控制电路对稳定度的要求十分高，必然会受到电磁干扰的影响，导致不能正常工作。因此研究脉冲源中电磁兼容问题十分重要，为此本文展开了高压高重复频率脉冲源中电磁兼容问题的研究，在分析其干扰信号频谱分布及传播路径的基础上制定了以屏蔽、滤波为主的电磁兼容方案，最终通过对电路的测试验证了本电磁兼容方案的有效性。

1 理论分析
1．1 脉冲信号频谱分析
    对于本文而言，脉冲源的输出可以视为一个矩形周期信号，脉宽110ns，重复周期80kHz，波形如图1所示。

   
    其中T为信号周期，τ为脉冲宽度。对其做傅里叶变换得到：
   

    ω0为脉冲信号的角频率，E为信号幅值，图2为脉冲信号幅值E为1时的主带宽频谱图。

    经过分析可知，脉冲信号的主带宽为9．1MHz，比一般的低频率脉冲信号的主带宽要高，同时由于本文脉冲信号幅值为4kV，带外频率的干扰也不能忽视，这样干扰信号的频谱分布范围更宽。在低频段其产生的干扰以近场干扰为主，高频段以辐射干扰为主，需要在电磁兼容措施中区别考虑。

1．2 脉冲源传播路径分析

    电磁干扰传播路径分为辐射干扰和传导干扰，辐射干扰通过空间传播，传导干扰通过电路传播。经过分析可知，脉冲源中的干扰同样按照传播路径不同可以分为以下几种：
    (1)脉冲输出及开关电路产生的辐射干扰通过空间传播，将影响5V及350V电流源以及驱动电路的PCB线路板及信号线。
    (2)MOS开关模块产生的传导干扰将沿线影响5V直流源和触发信号的驱动电路。在电磁兼容设计中需针对不同的干扰传播路径采取相应的抑制措施。

2 脉冲源电磁兼容方案设计
    经过前面对电路中电磁干扰类型和传播路径的不同制定了以屏蔽、滤波为主的电磁兼容方案，制定了适用于脉冲源的具体电路。
2．1 电磁屏蔽设计
    屏蔽分为主动屏蔽和被动屏蔽。主动屏蔽是将干扰源限制在一定空间内。被动屏蔽是对敏感设备的保护，将干扰隔离在外。按照屏蔽的场的类型可以分为电屏蔽、磁屏蔽和电磁屏蔽。其中电屏蔽主要针对近场包括对静电和低频电场的屏蔽；磁屏蔽是对近场包括横流磁场和低频磁场的屏蔽；电磁屏蔽是对辐射场的屏蔽。
    要实现对场的屏蔽必须选择好屏蔽材料。电屏蔽和电磁屏蔽的材料一般是良性导体，磁屏蔽则主要依赖高导磁材料所具有的低磁阻使得屏蔽体内部(外部)的磁场大大减弱。以往的屏蔽设计多采用铜、铝材料，但是它们的磁导率μ=μ0，对于磁屏蔽的效果几乎为零。表1示出了几种常见金属相对于铜的电导率、磁导率对比，经过对比可以发现，传统用于屏蔽盒设计的铜、铝材料其相对磁导率都比较低而被舍弃，最终确定选取铁材料做脉冲源的屏蔽盒。

2．2 滤波电路设计
    共模干扰实质是干扰电流在电缆中的所有导线上的幅度、相位相同，其电流是在电缆与大地之间形成的回路中流动。差模干扰，是指干扰电流在信号线与信号地线之间流动的干扰。在信号电缆中，差模电流主要是电路的工作电流。
    共模扼流圈是将信号线及其回线绕在同一磁芯上，如图4所示。其工作原理可以通过楞次定律来解释，当有同向的共模电流通过时，下绕组产生磁场H1并耦合到上绕组，根据楞次定律，上绕组感生的电流必定会产生与H1方向相反的磁场，而上绕组原有的电流产生的磁场与H1方向相同，因此可以推知，同理下绕组的共模电流也因与上绕组耦合的磁场产生的感生电流方向相反而抵消，使得共模电流得到扼制。

    差模信号的抑制则靠传统的滤波电路来实现，在设计时需要考虑其截止频率，一般选取为主带宽频率。同时由于kV级电压输出时产生的干扰将在数伏，单级的共模差模滤波难以实现对干扰信号的完全抑制。因此必须采用多级级联方式实现共模、差模交替互联的电路形式才行，其结构如图5所示。

    对于电源线中干扰信号的抑制则采取单级的共模、差模滤波电路即可，电路形式与图5类似。
    经过前文分析，脉冲信号的主频带带宽为9．1MHz，干扰信号的频谱则更为宽广，因此工作频率成为选择铁磁材料的关键因素。经过对比发现金属性材料的工作频率最高仅为500kHz，磁性粉材料也仅为1MHz，对更高频率的干扰信号抑制作用不强。以往选用的锰锌铁氧体材料同样存在这样问题。只有镍锌铁氧体的工作频率在百兆赫，最终可以确定镍锌铁氧体为绕制共模电感的材料。

3 实验结果与分析
    图6为脉冲源的屏蔽电路，图7为添加共模、差模滤波电路后的控制电路。对前后控制端信号进行测试。未加电磁防护措施时，高压输出仅为500V时前级脉冲网络中信号如图8所示，其干扰的峰值为2V，随着电压的升高，干扰信号幅值将继续上升，湮没触发信号。在添加电磁抑制措施后，高压输出电压为4．5kV时，触发信号如图9所示，波形并未出现明显变形，并且可以维持开关的正常工作，可见通过以上电磁防护措施后确实对电路有明显的保护作用，验证了EMC措施的有效性。

4 结论
    通过对脉冲源中电磁干扰的频谱分析和传播路径分析，针对不同类型、不同传播路径的电磁干扰采用相应的屏蔽、滤波措施，成功地实现了脉冲源的电磁兼容，实现了重复频率80kHz，电压输出4．5kV的脉冲源