前言

 

随着风能光伏等新能源产品大规模的产业应用，全球主要经济体对EMC电磁兼容符合性监管也越来越严格。新能源产品由于高技术难度和严格的限值要求，在传导发射和辐射发射两项测试上面临非常大的挑战。

 

本文从新能源的EMI频谱特征出发探讨了研发场地进行传导辐射预测试的几种方法，特别向新能源领域产品开发EMC工程师推荐一种使用特制阻抗网络进行传导辐射预测试的方法。

 

文中介绍了通过辐射发射原理和测试模型推导对应的端口电压限值的过程以及特殊阻抗网络的参数特性和实际应用方法。该方法的应用能够帮助EMC工程师在研发场地上快速完成大部分新能源产品的传导和辐射发射预测试，对于开发效率提升和开发费用节约有很大帮助，在此分享出来供大家参考。

 

一、新能源产品的基本频谱

 

新能源产品的EMI发射频谱主要在150kHz-300MHz频带范围内分布，这一特性使得我们可以借助许多EMC工具辅助来进行传导辐射预测试。

 

新能源产品种类有很多，存在各种不同的电压等级、功率容量等级和不同的电源拓扑，产品差异很大但本质上各类拓扑下时域波形形状差异并不大。新能源类产品传导和辐射的源头都是持续开关信号，如功率开关管主动PWM（脉宽调制）方波、二极管被动开关方波、电感三角波，LC谐振波、吸收电路的RC阻尼振荡波等。其中PWM的方波的幅值最大边沿最陡，是干扰源头中电磁发射的幅频特性最为严酷的一种。

 

针对新能源PWM方波干扰源进行分析。对于给定幅值A，半波周期时间t的PWM标准方波波形其时域参数和频谱分布可以由以下方程描述：

公式（1）表明PWM方波波形可以由各频率上分量叠加形成，而公式（2）表明各频率的分量会随谐波次数升高而呈指数下降。我们利用对数轴可以将这种指数下降进行线性化显示，如下图。

 

▲ 100kHz 200mV标准方波的对数频谱

 

图（1）为100kHz频率50%占空比200mV的方波采用对数频率轴和对数电压轴显示的传导150kHz-30MHz频段的频谱。受磁性材料和功率开关管的影响，新能源内部工作频率在一般在100kHz以下，因此频谱在传导频段有明显的分布。

 

对于辐射的30MHz-1GHz频段，由于频谱的宽度主要受功率管和二极管等功率器件的上升时间影响，我们以梯形波的频谱研究。

 

▲ 梯形波的频谱及包络

 

梯形波能够更好模拟实际PWM开关波形，其频谱在二次转折点即-40dB/dec频点之后快速衰减，因此该频点决定了最终频谱的宽度。二次转折频率点由波形的上升时间和下降时间的最小值来决定，利用以下公式计算：

利用公式（3）计算出300MHz转折频点对应上升时间为1ns，30MHz和3MHz对应对应10nS和100ns。新能源的PWM上升下降时间在10-100ns之间，也就决定了其频谱40dB下降转折点都在3-30MHz之间。

 

在30-300MHz会有40dB对数下降，而300MHz之后的经过40dB降低，再考虑一定的滤波器衰减，其频谱能量就非常小了，我们可以认为正常工作的新能源电路不大可能表现出300MHz以上的频段的发射。因此新能源的频谱特点是：其开关速度决定了频谱能量主要分布在30MHz以下的传导频段，在30-300MHz的辐射频段有一定分布，但在300MHz以上频谱能量分布很小。实测频谱也与理论预期符合。

 

▲ 新能源实测频谱

 

新能源的基本频谱在150kHz-300MHz，因此可以利用阻抗网络进行150kHz-300MHz电压法测试、利用电流探头进行150kHz-300MHz电流法测试、利用双锥天线或偶极子天线进行30M-300MHz电场测试，引入这些测试设备工具之后能够极大提高预测试的灵活度。

 

二、利用双锥天线进行1米法辐射测试的原理

 

CISPR16-1-4标准定义了辐射发射的原理与基本测试方法。辐射测试以10米法开阔场做为标准场地，天线与被测物距离为10米。标准测试方法考虑到了测试静区的大小与均匀度、地面反射、天线扫描高度等对辐射测试有影响的参数，在一致性和测量不确定度上有天然的优势，但是由于电磁环境越来越复杂很难寻找到合适的开阔场场地。

▲ 辐射测试原理图

 

电波暗室做为开阔场的替代场地利用吸波材料模拟开阔场特性，是目前主要的辐射测试场地。新能源一般建议在10米法暗室进行认证辐射测试，也可以采用3米法暗室。

 

▲ 新能源产品10米法暗室辐射发射的典型测试布置

 

▲ 新能源产品辐射发射的等效图

 

新能源产品线缆单一且采用垂直下进线布置，因此等效的辐射发射模型为垂直方向偶极子共模天线辐射。我们利用该简化模型来对发射进行分析。

偶极子天线发射电场公式中，Ecm为距离为r米的电场强度，l为偶极子天线的长度，Icm为线缆共模电流，θ为线缆与测量天线的夹角。该公式说明了共模电流与远场电场之间的线性相关的对应关系。同时充当天线的线缆的布置也有很大影响：当θ为90o时，即线缆与1米高度垂直极化天线互为垂直的时候得到最大的发射电场。

 

参考辐射发射的原理，在研发场地上可以用1米测试距离进行辐射预测试，对于电尺寸小于1米的产品也能获得很好的一致性。使用1米测试距离需要对辐射限值的转换：

 

即1米法测试限值为10米法限值加20dB。因此新能源辐射发射Class B的限值转换1米测试距离的限值为50dBuV/m，但由研发场地限制各类测试辅助的PV源和AC源辐射噪声不能满足背景噪声条件，因此该方法在一般小型新能源产品开发条件下不适用，但对于大型新能源产品的EMC开发，这种预测试方法是非常值得使用的。

 

三、利用电流探头进行传导辐射预测试的方法

 

我们参考传导电流法的测试可以将电流探头用于传导测试，同样可以利用电流探头对线缆进行辐射发射的预测试评估。

 

从辐射发射的原理和基本模型可以看出共模电流与远场电场之间存在对应关系，我们也可以利用公式（4）中共模电流对辐射的相关性进行研究。

 

将10米法class B 30μV/m的场强限值代入辐射远场公式（4）计算共模电流限值为2.7μA, 即8.6dBμA。但由于新能源研发场地环境电磁干扰很强，使用电流探头测试未经过滤波的线缆上耦合到的背景共模电流噪声远超出8.6dBμA水平。因此该方法在现场条件下也是受限的，但在很多条件下使用电流探头依然可以通过一次扫描完成对线缆端口的传导辐射预测试，因此也是一种值得应用的辅助方法。

 

四、阻抗网络进行辐射传导预测试的原理

 

新能源产品电源端口既是传导测量的端口又是辐射发射的天线端口，因此电源端口就是传导辐射预测试的关键。阻抗网络做为电源端口传导测试的一种基本测量设备，将其扩展应用辐射频段就能对辐射进行有效的预测试。

 

以下对阻抗网路用于辐射预测试的原理进行简要介绍：我们利用天线的发射原理能够将天线电场强度与端口射频电压联系起来，就能找到通过端口电压来预测辐射电场强度的方法。因为新能源发射模型单一，仅有电源端口做为辐射源头，我们利用简化后的偶极子天线发射公式，对端口电压相关性进行探讨。

公式（6）中，E为距离为r米出的电场强度，D为偶极子天线的固定增益系数，Pt为注入到天线端口的总功率，Pt是唯一的变量。利用射频功率公式可以对变量Pt进行进一步分解。

公式（7）中，天线输入的总功率Pt为输入射频电压U的平方与天线阻抗Rrad的比值，因此可以得到进一步简化的公式,其中射频电压U成为唯一的变量。

由于辐射发射测试实验室采用的双锥天线、对数天线都属于半波偶极子天线，其增益和阻抗是确定值，这里我们以D=1.6，Rrad=73Ω的典型值代入，同时将10米法辐射测试Class B等级33μV/m电场限值代入公式，可以计算出相应Class B辐射发射电场限值对应的天线端口电压值为366uV，

 

但该计算以自由空间发射为模型，与实际辐射测试标准开阔场地面存在反射有很大差异，以反射会增大信号1倍计算，相应最大电压需要降低到183μV, 转换为对数45.2dBμV。

 

再由于使用阻抗网络进行电压测量的阻抗为50Ω，与偶极子天线阻抗73Ω之间存在差异，因此当适用阻抗网络测试电压限值用于辐射与测试时需要进行50/73欧的转换。

因此实际最终换算Class B辐射发射的电场限值对应端口电压限值为42dBμV，即当端口电压在42dBμV以下时辐射电场将在Class B限值之下。

 

应用端口电压限值无需考虑线缆长度，可以在线缆很短的情况下进行测试，在研发现场条件下能够减小环境干扰对线缆的耦合。端口电压采用阻抗网络进行测试，特别适合研发场地干扰源众多场地局限的情况，因此是研发现场条件下进行传导辐射与测试的首选方法。

 

五、进行辐射传导预测试的特殊阻抗网络设计

 

150kHz-30MHz传导测试50Ω/50μH阻抗网络是最常见阻抗网络,在大部分IT设备、家用电器、工业电子设备的传导测试中作为标准传导测量设备，内部有50uH的空心线圈电感用于隔离网测的电源干扰和提供一个50Ω的共模阻抗。

 

▲ 传导阻抗网络简化图

 

该阻抗网络对端口端子和线缆长度要求较小，因此有大量不同型号、规格、外观的阻抗网络在标准认证实验室中使用。EMC产品类标准也针对产品实际情况衍生出了非常多的传导测试布置图。

 

▲ 新能源产品传导发射测试参考示意图

 

新能源的传导测试与大部分产品的测试布置一致，都是采用0.8米桌上型布置，测试的频率范围150kHz-30MHz。

 

150kHz-245MHz阻抗网络50Ω/5μH的阻抗网络用于车载电子零部件EMC标准CISPR25和军用电子设备标准MLT-461引用的的传导测试设备，相比其他阻抗网络能够测试更大的电流和更高的测试频段。测试布置也与普通50Ω/50uH的阻抗网络相比测试布置有较大差异。

▲  50Ω/5μH阻抗网络传导测试原理示意图

 

▲ 50Ω/5μH阻抗网络传导测试布置示意图

 

这种阻抗网络的传导电压法布置下端口线缆长度小于20cm、走线高度和端子的距离均限制在5cm以下，同时传输线以大面积的接地参考面做参考，高频下的阻抗更加稳定。

 

从50Ω/50μH和50Ω/5μH两种标准阻抗网络的对比可以看出传导测试的最高频率并不限定在30MHz，可以达到245MHz甚至更高的频率，但在更高频率下的测量时，测试方法与布置要求会有很大的不同。

 

参考这两种阻抗网络的参数和测试方法，我们可以针对性的设计阻抗网络的参数、结构以及测试布置来适用于现场条件下的辐射频段测试。由于现场条件下网电源的干扰都很大，设计用于现场条件的阻抗网络还需要考虑到网侧的滤波能力。

 

阻抗网络结构参数与端接结构、线长和与接地参考面的接线高度对阻抗的影响。可以依据传输线理论进行讨论。距离接地参考平面h的半径为r的平行传输线的对地阻抗计算如下：

 

▲ 高度h的平行传输线的阻抗计算示意图

▲ 分布电感

▲ 分布电容

▲ 特征阻抗

 

μ为导体间介质相对磁导率

ε为导体间介质相对介电常数

 

我们以公式（10）-（12）讨论30-300MHz的阻抗特性。其中分布电感和分布电容受传输线高度和长度的影响，但是阻抗仅受传输线在接地参考面高度参数的影响，因此传导测试中80cm与5cm布置高度差距对于高频阻抗影响非常明显。

 

以空气磁导率和空气相对介电常数计算线与GRP之间的5cm高度的阻抗为50Ω，因此高频阻抗网络的结构设计需要考虑这一高度参数才能保证稳定的对地阻抗。

 

标准阻抗网络的网测滤波能力不足，需要设计更大的滤波能力来满足对现场环境下的电源干扰滤除能力。结合阻抗网络本身参数可以设计一个简单的无源滤波器：

 

▲典型的π型滤波器示意图

 

▲ 该滤波器的插损由以下公式进行计算

 

根据经验采用一级π型滤波器能够获得较高的插损。

 

经过比较参考和计算，我们可以获得了150kHz-300MHz特殊阻抗网络的设计关键参数：参考50Ω/50μH标准阻抗网络的R、L、C参数进行测量端口的参数设计；参考传输线分析结果进行端口的结构参数设计；参考2滤波设计进行网电源侧滤波参数设计；考虑新能源项目EMC开发需求和研发场地限制条件，进行电流等级设计（32A单相和100A三相四线）、绝缘耐压设计（设计差模耐压1kV，共模耐压2kV）、交直流通用设计、网电源干扰的隔离滤波能力（40dB以上）等。

 

实际设计的特殊阻抗网络耦合系数在150kHz-300MHz的传导辐射测试频段内满足 0-3dB，网侧滤波器插损在传导频段满足60dB,辐射频段满足20dB，能够应用于新能源研发现场条件下150kHz-300MHz的传导端口电压测试。

 

特殊设计的阻抗网络对传导测试的总的不确定度的影响可以通过校准消除，因此整体对对于传导测试的不确定度影响与标准阻抗网络基本相似。考虑研发场地端口辐射预测试的电压方法与标准测试场地之间的差异，新能源进行研发场地传导辐射预测试的不确定度略大于3.6dB,建议需要4dB以上裕量

 

六、研发场地传导辐射预测试方法的应用

 

利用特殊设计的阻抗网络可以无视电磁环境状况在研发场地上完成了传导辐射预测试台的搭建和实地测试，同时可以进行传导辐射问题的诊断分析以及优化，在30kW功率等级之下的新能源产品开发中获得很好的应用。

 

▲ 小型设备的研发场地传导辐射预测试

▲ 大型新能源设备的研发场地传导辐射预测试

 

特殊阻抗网络用于新能源研发现场条件下的传导辐射预测试中有以下关键要点：所有的电源端口都需要通过阻抗网络进行接入；阻抗网络和接地参考面的搭接要好；被测产品要全部放置在接地参考面之内并且距离边缘有一定距离以便获得共模容性耦合；被测产品端口到阻抗网络的端口线距小于20cm且越短越好；

 

供电电源不能超出传导class A限值过多；阻抗网络直接接入电网由于对地电容的漏电流过大会引起上级配电端漏电保护空开跳闸的问题，实际中需要注意隔离；对传导辐射的150kHz-300MHz频段进行一次扫描。

 

将研发场地预测试结果与标准测试实验室和认证实验室的传导辐射结果进行了比对分析，测试结果展现了很好的一致性。

 

▲ 研发场地传导辐射预测试结果

 

▲ 标准传导实验室测试结果

▲ 认证实验室辐射测试结果

 

认证实验室传导辐射测试结果的与预测试频谱包络类似，幅度一致，裕量一致。整体而言，研发场地的传导辐射预测试的结果能够与标准测试认证实验室的测试结果形成相关性和一致性，对于研发活动中的风险识别、设计比对、整改优化等都有很好的作用。

 

总结

 

本文讨论了一些针对新能源产品EMC开发设计需求的研发场地预测试方法，详细介绍了基于新能源特性和研发场地限制条件而开发出的特殊阻抗网络传导辐射预测试的原理和方法，并且通过实测对有效性进行了验证。

 

实践证明了这种方法对于研发团队敏捷开发，费用控制，人力节约都有较大益处，对于其他类型产品的EMC开发也有一定借鉴意义。