К сильным радиопомехам относятся такие радиопомехи при которых

Воздействия внешних электромагнитных полей на компьютеры Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Соколов Евгений Глебович, Морозов Борис Николаевич

Возрастает число насыщенных компьютерами корпоративных сетей. Однако одновременно возрастает и число влияющих источников. Основными источниками внешних полей для компьютеров являются соединительные и подводящие провода, грозовые разряды, аварии и переключения в сети питания (сопровождающиеся резким возрастанием переходных токов в более высокочастотной области), рост амплитуды и спектра высокочастотной мобильной связи, электростатические разряды. Напряжённость электрических полей вне здания может составлять величину в десятки кВ/м, а магнитных полей сотни и даже тысячи А/м. Спектр внешних воздействий достигает десятков ГГц. В этих условиях внутри здания возникают помехи, воздействующие на установленную аппаратуру и компьютеры. Буквально в последние годы В.Раковым (университет Флориды) и др. проанализирован механизм ещё одного вида грозовых разрядов внутриоблачных (по американской терминологии CID compact introcloud discharges), ответственных за излучения в спектре до 30 МГц. Известно, что корона на проводах ЛЭП является сильным источником высокочастотных помех. Негладкость проводов, их загрязнение и влажность приводят к возникновению электрического разряда с поверхности провода. Очаги разрядов возникают в отдельных местах вдоль провода, а также на арматуре крепления проводов у гирлянд изоляторов, распорках на расщеплённой фазе и других местах. Отмечено возникновение короны на арматуре крепления оптических кабелей, подвешенных на опорах контактных сетей электрифицированных железных дорог и опорах высоковольтных ЛЭП. Распространение современных методов отделки помещений, широкое применение синтетических покрытий полов, стен, использование пластмассы и т.п. привели к увеличению внутри помещений числа электростатических разрядов (ЭСтР), непосредственное действие которых, а также их электромагнитное поле оказывает существенное воздействие на персонал и аппаратуру, установленную в помещении. Если учесть продолжающуюся тенденцию к микроминиатюризации элементов устройств, то воздействие электростатических разрядов становится опасным не только для людей, но и для установленной аппаратуры. Особенно чувствительны к электростатическим разрядам полупроводниковые устройства типа p-n. Отдельные блоки и узлы аппаратуры связи, микропроцессоры, а также портативные электронные устройства, такие как карманные компьютеры, электронные записные книжки, словари и т.п. становятся всё меньше по размеру, более высокочастотными и чувствительными к внешним электромагнитным воздействиям. Рассматриваются конкретные воздействия действующих полей, их некоторые характеристики и возможные меры защиты.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Текст научной работы на тему «Воздействия внешних электромагнитных полей на компьютеры»

ВОЗДЕЙСТВИЯ ВНЕШНИХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ

Соколов Евгений Глебович,

МТУСИ, Москва, Россия

Морозов Борис Николаевич,

МТУСИ, Москва, Россия, mes@mtuci.ru

Ключевые слова: напряжённость электрического поля, внутриоблачные разряды, система контроля, электростатические разряды, излучение компьютера.

Известно, что корона на проводах ЛЭП является сильным источником высокочастотных помех. Негладкость проводов, их загрязнение и влажность приводят к возникновению электрического разряда с поверхности провода. Очаги разрядов возникают в отдельных местах вдоль провода, а также на арматуре крепления проводов у гирлянд изоляторов, распорках на расщеплённой фазе и других местах. Отмечено возникновение короны на арматуре крепления оптических кабелей, подвешенных на опорах контактных сетей электрифицированных железных дорог и опорах высоковольтных ЛЭП. Распространение современных методов отделки помещений, широкое применение синтетических покрытий полов, стен, использование пластмассы и т.п. привели к увеличению внутри помещений числа электростатических разрядов (ЭСтР), непосредственное действие которых, а также их электромагнитное поле оказывает существенное воздействие на персонал и аппаратуру, установленную в помещении.

Если учесть продолжающуюся тенденцию к микроминиатюризации элементов устройств, то воздействие электростатических разрядов становится опасным не только для людей, но и для установленной аппаратуры. Особенно чувствительны к электростатическим разрядам полупроводниковые устройства типа p-n. Отдельные блоки и узлы аппаратуры связи, микропроцессоры, а также портативные электронные устройства, такие как карманные компьютеры, электронные записные книжки, словари и т.п. становятся всё меньше по размеру, более высокочастотными и чувствительными к внешним электромагнитным воздействиям. Рассматриваются конкретные воздействия действующих полей, их некоторые характеристики и возможные меры защиты.

Информация об авторах:

Соколов Евгений Глебович, аспирант Московского технического университета связи (МТУСИ), Москва, Россия

Морозов Борис Николаевич, к.т.н., доцент, Московский технический университет связи и информатики (МТУСИ),

Соколов Е.Г., Морозов Б.Н. Воздействия внешних электромагнитных полей на компьютеры // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. 2017. Том 11. №11. С. 52-56.

Sokolov Y.G., Morozov B.N. (2017). The electromagnetic fields influence upon computers. T-Comm, vol. 11, no.11, рр. 52-56. (in Russian)

Корпоративные сети получают всё большее распространение, и их насыщенность компьютерами и сложной аппаратурой возрастает. Одновременно возрастает число влияющих источников, расположенных как снаружи, так и внутри здания с установленной аппаратурой. В частности влияниям подвергаются компьютеры, которые в свою очередь также являются источниками излучений, воздействующими на окружающее пространство.

Основными источниками внешних полей для компьютеров являются соединительные и подводящие провода, грозовые разряды, аварии и переключения в сети питания (сопровождающиеся резким возрастанием переходных токов в более высокочастотной области), рост амплитуды и спектра высокочастотной мобильной связи, электростатические разряды, Напряжённость электрических полей вне здания может составлять величину в десятки кВ/м, а магнитных полей сотни и даже тысячи А/м. Спектр внешних воздействий достигает десятков ГГц. В этих условиях внутри здания возникают помехи, воздействующие на установленную аппаратуру и компьютеры. Вокруг заземляющих проводников и металлических конструкций, проводящих переходные токи, возникают магнитные поля, амплитуды которых могут достигать сотен и даже тысяч Л/м. С помощью экранов влияние можно уменьшить, однако защититься от магнитного поля значительно труднее чем от электрического. Особенно плохо металлы защищают от повторяющегося импульсного или от пульсирующего полей, так как ферромагнетики имеют свойство насыщения. Если период магнитных биений больше, чем время затухания вихревого тока, возникает переход от магнитной непрозрачности к полной магнитной прозрачности и проникновению неослабленного магнитного поля к защищаемым элементам. Проникающее поле может разрушить чувствительные элементы в электронных устройствах и даже перемагнитить память. Если компьютер находится в небольшом объёме со сторонами примерно 1 м, и вблизи протекает ток с амплитудой порядка от 1 до 2,5 кЛ двойной экспоненциальной формы, то нормальная работа компьютера прекращается при значениях полей от 0,2 до 2,5 мТ в зависимости от наличия стенок на системном блоке и формы волны влияющего импульса. Величина 1,2 мТ является пороговой величиной, при которой происходит нарушение работы компьютера даже при наличии защитных стенок при волне с фронтом 1,2-1,5 мксек. Разрушение пульта и мыши происходит при электрическом поле порядка 30 кВ/м и магнитном поле 2,9 мТ [1].

Низшим уровнем контроля за системой компьютеров является система DDC, которая контролирует работу мониторов, состояние работающих систем и соединяется с компьютерным уровнем через определённые интервалы. Сердцем DDC является вид микроэлектронного контроллера, работающего при низком напряжении. К сожалению, часто поблизости находятся и устройства высокого напряжения и устройства с большими протекающими токами. Вдобавок контроллер часто связан с уровнем компьютеров длинными проводами, которые подвержены помехам различного происхождения вплоть до статических разрядов. Абсолютная защита этих проводов невозможна. Однако существует несколько возможностей, таких как оптические изоляторы, изолирующие трансформаторы и т.д. С появлением так называемых «интеллигентных» зданий вместо традиционного

централизованного контроля компьютерных систем получает распространение система распределённого контроля за компьютерами DCCS (distributed computer control system), которая работает на уровне файлов и по сравнению с системой централизованного контроля работает в более усложнённых условиях.

Если длина соединительной витой пары составляет 30 см, то при напряжённости импульсного электрического поля Е = 12 кВ/м и длительности импульса около 1 мсек максимальное наведённое

напряжение на нагрузке составит примерно 3 вольта. Обычно размеры системы DDC малы, и наводки в цепях DDC» также невелики. Чтобы надёжно обезопасить их от помех, проникающих через кабели, входящие и выходящие экранированные кабели теоретически могут быть снабжены фильтрами, но на практике фильтры являются сложными устройствами и стоят дорого. Эффективную защиту обеспечивает заключение кабеля в металлическую трубу.

Буквально в последние годы В.Раковым (университет Флориды) и др. проанализирован механизм ещё одного вида грозовых разрядов — внутри облачных (по американской терминологии CID — compact introcloud discharges), ответственных за излучения в спектре до 30 МГц. Как выяснили В.Раков и др.12], механизм этих разрядов таков. Они случаются в грозовых облаках, расположенных на большой высоте (10-15 км) от поверхности земли, где величина поля недостаточна для пробоя к земле. Как известно, облака в нижней своей части, как правило, заряжены отрицательно. При достижении критической величины напряжённости электрического поля в отдельных местах начинается разряд из нижней части облака к заряженной положительно верхней части. Разряд обычно движется со скоростью порядка 200 м/мке (две трети от скорости свега), и, если толщина облака небольшая (на такой высоте не больше нескольких сот метров), за доли микросекунды начало разряда достигает верхней части облака. Здесь пришедший заряд частично поглощается, частично отражается в обратном направлении. Возникает так называемая подпрыгивающая волна — «bouncing wave». Этому словосочетанию лучше всего соответствуют в русском языке понятие «пульсирующая волна». Путём экспериментальных исследований, в том числе на моделях, В.Ракову удалось выяснить, что коэффициент отражения заключён в пределах от 0 до -0,5. Далее импульс тока движется вниз, и в конце пути внизу облака происходит новое отражение. Полная волна тока имеет длительность порядка нескольких десятков микросекунд, и она много больше времени прохождения отражённых волн вверх-вниз. Основная волна продолжает развиваться, на неё периодически накладываются отражения начала импульса от концов канала. Волна приобретает вид импульса, на который наложены многочисленные скачки, связанные с наложением отражённых волн. Расстояние между скачками соответствуют времени обхода канала туда-обратно, то есть порядка долей мкс. График крутизны поля (dE/dt) показан на рис. 1.

Электрическое поле внутриоблачного разряда у поверхности земли имеет индукционную, статическую и радиационную составляющие. Па расстоянии 2 км (по горизонтали) превалирует индукционная составляющая, так что поле по форме практически совпадает с основной волной тока.

T-Comm Vol. 11. #11-2017

На расстоянии 200 км поле представляет собой радиационную составляющую и измеренная величина достигала амплитуды 1,5 В/м (при токе около 50 кА).

•2 0 2 4 6 8 10 12 14

Рис. 1. График изменения крутизны поля «прыгающего» разряда.

Расстояние между скачками соответствует времени прохождения импульсом тока толщины облака

Вспышка излучения имеет спектр до 30 МГц, так что эти воздействия опасны для спутников и других летающих объектов, например, для безлицензионных беспроводных технологий, таких как так называемая аэростатная связь. «Скачущая» или «пульсирующая» волна ответственна за вспышки излучения, которые происходят примерно каждые At = 1 / v = 100 m / 200 (m/цз) = 0.5 мкс (при толщине облака 100 м), когда прыгающая волна достигает конца канала. Амплитуда отражённой волны увеличивается, если условия на конце канала приближаются к «холостому ходу».

Пробои и рассеивание энергии при отражениях на концах канала делают процесс нелинейным и затрагивают электронные оболочки атомов. Отражения и скачки крутизны при отражении сопровождаются вспышками высокочастотного излучения. Полная амплитуда тока может достигать величины в несколько десятков килоампер, так что энергия излучения достаточно велика. Явления при отражениях от концов подобны явлениям, происходящим при короне на проводах высоковольтных линий электропередачи. Внутри-облачные разряды CID вполне могут быть ответственны за сбои в работе высотных систем связи, а также радиорелейных линий, наряду с коронными разрядами высоковольтных линий электропередачи и тиристорными системами управления.

Известно, что корона на проводах ЛЭП является сильным источником высокочастотных помех [3]. Не гладкость проводов, их загрязнение и влажность приводят к возникновению электрического разряда с поверхности провода. При повышении напряжения коронный разряд переходит в стри-мерную форму. Развитие стримера сопровождается протеканием импульса тока с фронтом порядка 0,1 мкс и полной длительностью а десятые доли микросекунды, что соответствует частотам порядка нескольких мегагерц. Очаги разрядов возникают в отдельных местах вдоль провода, на которых имеется повышенная напряжённость поля вследствие загрязнения и повреждений. Они могут появиться также на арматуре крепления проводов у гирлянд изоляторов, распорках на расщеплённой фазе и других местах. Отмечено возникновение короны на арматуре крепления оптических кабелей, подвешенных на опорах контактных сетей элек-

трифицированных железных дорог [4] и опорах высоковольтных ЛЭП. Метеорологические условия оказывают существенное влияние па развитие коронного разряда на проводах линий. Осадки (дождь, снег, изморозь) значительно увеличивают число очагов короны. Ионы от провода могут удаляться на расстояние до 60 см. Уход электронов из стримера на провод вызывает импульс тока. Число импульсов тока в одном очаге может изменяться от десятков до нескольких сотен в секунду. Среднее значение длины фронта импульсов составляет 0,08 мксек, а длина на уровне половины амплитуды 0,21 мксек. Спектр электромагнитных волн, распространяющихся вдоль линии, определяется интегральным эффектом от всех очагов короны. Он чрезвычайно широк — от сотен килогерц до сотен мегагерц. Время фронта может составлять десятые доли наносекунды, при этом основная энергия заключена в спектре от 500 до 600 МГц, амплитуда наведённых на проводах соседней линии сигналов — от нескольких вольт до нескольких десятков вольт. Время фронта положительной короны порядка 2 не, отрицательной — 0,8 не, амплитуда токов отрицательной короны больше, чем положительной. Корона на арматуре крепления оптических кабелей может вызывать оплавления и повреждения оболочки кабеля.

Излучение радиопомех при работе высоковольтных линий электропередачи производится расщеплёнными проводами, коронными разрядами, утечками через изоляторы, в моменты включения и выключения при плохих контактах, при резких изменениях нагрузки, при воздушных искровых разрядах и т.д. Часто эти явления имеют прямую связь с погодой. В 80% случаев в течение года эти излучения не превышают допустимого уровня, но иногда эти влияния очень велики.

При удалённых разрядах электрическое поле вблизи кабеля очень мало. Магнитное поле удалённых грозовых разрядов в среднем можно оценить величиной порядка 15 мА/м.

К серьёзным источникам электромагнитного воздействия на линии и аппаратуру связи, установленные в здании, относятся также статические разряды [5].

Распространение современных методов отделки помещений, широкое применение синтетических покрытий полов, стен, использование пластмассы и т.п. привели к увеличению внутри помещений числа электростатических разрядов (ЭСтР), непосредственное действие которых, а также их электромагнитное поле оказывает существенное воздействие на персонал и аппаратуру, установленную в помещении. Если учесть продолжающуюся тенденцию к микроминиатюризации элементов устройств, то воздействие электростатических разрядов становится опасным не только для людей, но и для установленной аппаратуры. Особенно чувствительны к электростатическим разрядам полупроводниковые устройства типа р-п. Их чувствительность зависит от геометрии и размеров устройства, наличия и расположения металлических деталей, наличия примесей, собственной ёмкости, теплового сопротивления, токов обратной утечки и пробивного напряжения. У транзисторов наибольшей чувствительностью обладает переход эмиттер-база. Согласно некоторым исследованиям наиболее чувствительными являются биполярные транзисторы. Отдельные блоки и узлы аппаратуры связи, микропроцессоры, а также портативные электронные

T-Comm Том 11. #11-20 17

устройства, такие как карманные компьютеры, электронные записные книжки, словари и тл. становятся всё меньше по размеру, более высокочастотными и чувствительными к внешним электромагнитным воздействиям.

Более подробные исследования позволили установить, что для высокочастотных транзисторов очень чувствительным к электростатическим разрядам является также переход коллектор-база. По мере увеличения мощности пороги чувствительности увеличиваются.

Электростатический разряд возникает в виде внезапного обмена зарядами между объектами с различным электростатическим потенциалом. Этот разряд может причинить вред человеку, повредить схему и изменить электрические характеристики полупроводниковых устройств, вызвать их разрушение или деградацию параметров как посредством напряжения и тока, так и воздействием связанного с ними электромагнитного поля. Стандарт МЭК устанавливает уровень контактного напряжения в 8 кВ, однако последние измерения показали, что его величина может достигать 20 кВ, а ток разряда — десят ков мА.

Типичная форма разрядов имеет крутой всплеск с фронтом порядка 1 мке и даже менее, затем такое же быстрое уменьшение примерно до половины амплитуды с последующим медленным небольшим подъёмом и спадом до нуля за несколько десятков микросекунд. Измерения показывают, что спектр наводок от электростатических разрядов чрезвычайно широк и может достигать 2 ГГц, но большая часть энергии выделяется в низкочастотной части спектра до 0,2 ГГц. Мощность излучения при этом уменьшается в спектре до 0,2 ГГц на 4 порядка, а от 0,2 до 2,0 ГТц ещё на 4-5 порядков. Изменения электрического тока проводимости вызывают изменения электрического и магнитного поля и большие токи смещения в устройствах связи. Крутизна тока, в соответствии со стандартом МЭК, может достигать величины 4,2 ГА/с, но согласно отдельным измерениям может быть даже на порядок выше (45 ГА/с), что характеризует скорость изменения поля и величину токов смещения. ЭСтР генерирует не только ток проводимости, но и производит ток смещения, который возникает из энергии, запасённой электромагнитным полем в пространстве между заряженными объектами.

1 — ток проводимости; 2 — ток смещения

Амплитуда тока смещения может быть даже больше амплитуды тока проводимости, В отличие от тока проводимости ток смешения имеет большой всплеск в самом начале, который за 1,5-2 мке падает до нуля, переходя в колебательный разряд малой амплитуды (рис. 2).

Оказалось также, что на амплитуду тока разряда и его крутизну влияет скорость сближения объектов. Коэффициент корреляции возрастает при увеличении скорости сближения от 1 до 50 см/с. 11охоже, что реальное воздействие ЭСтР несколько больше предполагавшегося рамками Рекомендаций МЭК. Для исследования электростатических разрядов разработаны специальные имитаторы, которые повторяют рекомендуемую форму импульсов.

Хорошо известно, что все компоненты компьютера излучают, и теоретически возможно перехватить команды. Силовые и заземляющие линии, кабели связи, периферийное и другое оборудование в компьютерной системе являются источниками излучения. Среди них самым мощным источником эмиссии является видеодисплей. Следующие характеристики излучения получены из экспериментальных данных:

1) Основной шум сосредоточен в низкочастотной области менее 10 кГц и около 100 МГц.

2) Энергия излучения от видеодисплея концентрируется на частоте между 10 кГц и 100 МГц, а также вблизи 150 МГц.

3) Излучение системного блока компьютера может быть найдено на частоте ниже 450 МГц, где имеется несколько пиков амплитуды, в том числе на частоте 200 МГц, и несколько гармонических компонент.

4) Сканирование в спектре частот до 1,8 ГГц показало, что на расстоянии от 0,5 до 2 м от компьютера напряжённость поля составляет величину до 75 мкВ.

5) Разные типы компьютеров имеют сходные излучения.

Выпущенное Международным Союзом электросвязи

Руководство по заземлениям рекомендует проектирование и оборудование заземлений начинать до строительства самого здания. Точно также предварительный учёт возможных помех и мер защиты позволяет существенно сэкономить средства на оборудование защиты.

1. Соколов Е.Г. I 1скоторые вопросы электромагнитной совместимости в корпоративных сетях. РАН. Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения. Материалы Международной научно-технической конференции «Intermatic-2011», 14-17 ноября 2011 г., часть 3, Москва-2011. С. 167-169.

2. A. Nag, V.A.Rakov. D.Tsalikis. New experimental data on lightning events producing intence VHK radiation bursts. EOS trans. AGU vol.89, №53.

3. Michel Ianoz. Power network Disturbances due to the Presence of FACTS. Proceedings. Asia-Pacific Conference on Environmental Electromagnetics CEEM’2009. Pp. 1-4.

4. Филиппов Ю.И. и др. Электротермическая деградация оптического кабеля // Lightwave. Русское издание. №3 и №4,2006.

5. Соколов С.А. Воздействие электростатических разрядов на устройства связи / Международный форум информатизации (МФИ-2006). Международный конгресс «Коммуникационные технологии и ссти» (CTN-2006). Труды конференции «Телекоммуникационные и вычислительные системы», Москва, 29 ноября 2006.

THE ELECTROMAGNETIC FIELDS INFLUENCE UPON COMPUTERS

Yevgeny G. Sokolov, Moscow technical university of communications and informatics, Moscow, Russia Boris N. Morozov, Moscow technical university of communications and informatics, Moscow, Russia, mes@mtici.ru

The number of corporate networks with numerous computers increases. The number of influencing sources increases too. The main sources of external fields for computers are connective and joining leading conductors, lightning discharges, damages and switching in power networks (which is accompanied by growth of transient currents), growth of amplitude and spectrum of mobile communication, electrostatic discharges. External fields intensity can have outside building tens kV/m and magnetic fields can come to hundreds and thousands A/m. The external influences spectrum reaches some tens GHz. On these conditions disturbances rise inside the building and influence upon established devices and computers. Meanwhile investigations, that were conducted last years by Rakov (Florida university) have showed that there is one more mechanism of lightning discharges: CID — compact introcloud discharges, that are responsible for radiation banding up to 30 MHz MHz. Inside cloud upstairs it is possible appearance of bouncing wave, that can have some V/m even distantly 200 km. It is known too, that corona on power line is very strong source of high-frequency disturbances. Absence of smoothness, dirtying and humidity put to electrical discharge rise from surface of conductor. Discharges centers are rising in some places along conductor and its mount armature near insulators, in spreader of split phase and other places. Modern finishing apartments methods, the wide spreading of synthetic floor and wall covering has brought to electrostatic discharges indoor (ESD), which direct action and its electromagnetic field exerts essential influence upon staff and devices that are installed indoor.

The tendency to microminiaturization in components of devices is lasting and electrostatic influence comes dangerous for staff and for installed equipment. Semiconducting devices of p-n type are particularly sensible to electrostatic discharges. Individual blocks and units, microprocessors, portable electronic devices, pocket computers, alphabetic directories, dictionaries are standing very small, more sensitive to high frequency and electromagnetic influences. It is well known that all the computer components radiate and it is possible to intercept its commands. In this paper some concrete influences of acting fields are examined, some their characteristics and possible protective actions.

Keywords: electric field intensity, intracloud discharge, control system, electrostatic discharge, computer radiation. References

1. Sokolov Y.G. (2011). Some subjects of electromagnetic compatibility in corporate networks. Proceedings of international conference «Intermatic-2011», 14-17 November, part 3, Moscow, pp.167-169. (in Russian)

2. Nag A., Rakov V.A., Tsalikis D. New experimental data on lightning events producing intence VHF radiation bursts. EOS trans. AGU vol. 89, № 53.

3. Michel lanoz. (2009). Power network Disturbances due to the Presence of FACTS. Proceedings. Asia-Pacific Conference on Environmental Electromagnetics CEEM’2009, pp. 1-4.

4. Philippov J.I. et al. (2006). Electrothermal degradation of optical cable. Lightwave, Russian edition, no.3 and no. 4. (in Russian)

5. Sokolov S.A. (2006). Electrostatic influence upon communication devices. Proceedings of CTN-2006. (in Russian)

Information about authors:

Sokolov Yevgeny Glebovich, Post-graduate student, Moscow technical university of communications and informatics, Moscow, Russia

Morozov Boris Nikolaevich, Candidate of technical science, docent, Moscow technical university of communications and informatics, dean’s office of SISS,

EMI и EMC — проблемы силовой электроники

Опубликовано в журнале «Вестник Электроники» №3 (63) 2018

Для соединения силовых полупроводниковых ключей и пассивных компонентов используются дорожки на печатных платах, а также медные или алюминиевые кабели и шины в зависимости от уровней рабочих токов и напряжений. Кроме общих технических требований, важной проблемой является обеспечение электромагнитной совместимости (EMC) приборов, коммутирующих большие токи с высокой скоростью. В этой связи особое значение приобретают характеристики цепей переключения, обладающих паразитными индуктивностями и емкостями и оказывающих решающее влияние на общее поведение системы. Современные быстрые силовые ключи (MOSFET, IGBT, SiC) неизбежно становятся источником электромагнитных помех (EMI — Electro Magnetic Interference). В данной статье описаны механизмы возникновения EMI и пути решения проблемы электромагнитной совместимости.

В импульсных преобразователях средней и высокой мощности чаще всего используются IGBT-транзисторы — «рабочая лошадка» современной силовой электроники. Высокая блокирующая способность, большая плотность тока, хорошее сочетание статических и динамических параметров — вот основные преимущества IGBT, делающие эти компоненты незаменимыми в таких применениях, как источники питания, частотные преобразователи, промышленные привода и т. д. Как правило, в данных схемах силовые ключи работают в режиме «жесткого переключения» на частоте коммутации до 20 кГц. Стремление к обеспечению оптимальных динамических характеристик и снижению уровня потерь требует увеличения скорости переключения по напряжению до 15 кВ/мкс и току — до 2 кА/мкс. Соответственно возрастает и уровень электромагнитных помех (EMI), причем наибольшее влияние на работу электронных устройств оказывают т. н. кондуктивные помехи, возникающие при коммутации тока.

Импульсные процессы, происходящие в мощных преобразователях, неизбежно приводят к возникновению высокочастотных шумов. Их диапазон простирается от несущей частоты ШИМ (5…20 кГц) до радиочастот (30 МГц). Низкочастотные помехи проникают в питающую сеть, высокочастотные составляющие создают мощные радиопомехи. Сетевые помехи обычно характеризуются дискретными гармониками на частотах примерно до 2 кГц. Гармонические составляющие с частотами выше 10 кГц, уровень которых измеряется в дБ/мкВ, называются радиочастотными шумами. Эквивалентная схема, объясняющая механизм их возникновения, и спектральный анализ периодического импульсного сигнала представлены на рис 1.

EMI и EMC

Рис. 1. Эквивалентная схема и спектральный анализ периодического импульсного сигнала а) временная диаграмма, b) линейная частотная характеристика, с) ЛАХ

Кондуктивные помехи в зависимости от их характера и происхождения могут быть симметричными и несимметричными, а также дифференциальными и синфазными. Основные европейские стандарты, регламентирующие уровень радиопомех, а также производственные стандарты EMI приведены в таблицах 1 и 2.

Паразитные индуктивности и емкости

Для анализа индивидуального и взаимного влияния паразитных индуктивностей и емкостей на работу импульсного преобразователя используется эквивалентная схема полумостового каскада IGBT (рис. 2). Она содержит звено постоянного тока C_d с напряжением V_d (соответствующим напряжению коммутации V_K), основные паразитные компоненты, а также два транзистора Т1 и Т2 с драйверами и антипараллельными диодами. Ток i_L проходит из цепи коммутации в нагрузку.

Рис. 2. Эквивалентная схема полумоста с распределенными индуктивностями и емкостями

Влияние паразитных элементов на процесс переключения

Индуктивность цепи коммутации

Общая индуктивность цепи коммутации ключей Т1 и Т2 образована элементами L₁₁, L₆₁, L₃₁, L₄₁, L₇₂, L₅₂ и L₁₂. Аналогично сумма L₁₁, L₇₁, L₅₁, L₆₂, L₃₂, L₄₂ и L₁₂ участвует в работе цепи, содержащей D1 и T2.

При открывании IGBT T1 или T2 наличие паразитной индуктивности снижает потери мощности включения (E_on). Однако во время выключения Т1 и Т2, а также в процессе обратного восстановления диодов D1 и D2 влияние паразитной индуктивности выражается в появлении перенапряжений, генерируемых транзисторами и диодами из-за высокой скорости коммутации тока. Это увеличивает потери выключения E_off и создает дополнительную нагрузку на силовые полупроводники. Данный эффект особенно критичен при перегрузках и отключении токов короткого замыкания из-за очень высоких значений di/dt. Кроме того, наличие паразитных элементов приводит к генерации нежелательных высокочастотных колебаний в мегагерцовом диапазоне.

В преобразователях, работающих в режиме жесткого переключения, необходимо свести к минимуму паразитные распределенные элементы в цепях коммутации. За исключением L₁₁ и L₁₂, они входят в состав силовых ключей и не могут быть изменены пользователем. Поэтому производители модулей ведут непрерывную работу по минимизации внутренних индуктивностей L_CE за счет улучшения конструкций и технологий корпусирования.

В технических спецификациях SEMIKRON указывается величина L_CE, измеренная на выходных терминалах модуля (например, SKM300GB12T4: L_CE = typ. 15 нГн; SEMiX252GB126HDs: L_CE = typ. 18 нГн). Соединение одиночных ключей в полумостовом каскаде должно выполняться шинами минимальной длины, имеющими низкую паразитную индуктивность L_S цепи коммутации.

Особенно важно уменьшить до предела значение L_S в звене постоянного тока (DC-шине). Лучшим решением является использование ламинированных шин (единая конструкция с запрессованными токопроводящими слоями и изоляторами), адаптированных к дизайну преобразователя. Такие копланарные конструкции, получившие широкое распространение на практике, имеют индуктивность в диапазоне 20…50 нГн.

Влияние элементов L₁₁ + L₁₂ может быть снижено путем подключения С-, RC- или RCD-снабберных цепей непосредственно к DC-терминалам силовых модулей [1]. В большинстве случаев для этой цели используется простой снаббер на основе пленочного конденсатора 0,1…2 мкФ [2]. В низковольтных сильноточных приложениях более эффективно работают RC-цепи.

Индуктивности эмиттера/истока (L₃₁ или L₃₂) влияют на работу силовой цепи в такой же степени, как и пассивные элементы схемы управления затвором. Высокая скорость изменения тока транзистора di/dt создает перепады напряжения на паразитных элементах, что эквивалентно эффекту обратной связи в цепи драйвера (отрицательная обратная связь по эмиттеру/истоку). В результате замедляется процесс заряда эмиттерной емкости при включении или процесс ее разряда при отключении, что увеличивает время коммутации и динамические потери. Эффект отрицательной обратной связи по эмиттеру может быть использован для ограничения di/dt в случае короткого замыкания вблизи модуля. Для минимизации влияния L₃₁ и L₃₂ силовые модули, как правило, имеют отдельные сигнальные выводы эмиттера.

Если несколько драйверов нижнего плеча (BOT) питаются от общего источника питания, связанного с шиной DC-, наличие паразитных индуктивностей между цепью заземления платы управления и отрицательным потенциалом звена постоянного тока может вызвать нежелательные осцилляции в контуре заземления. Эта проблема решается за счет высокочастотной стабилизации напряжения питания выходного каскада драйвера или, в мощных преобразователях, путем гальванической развязки плат управления каскадами ВОТ IGBT.

Индуктивности L₂₁ и L₂₂ находятся в цепи затвора IGBT. Помимо увеличения импеданса выходной цепи драйвера, их наличие может привести к паразитным осцилляциям на входной емкости транзистора. Для исключения этого эффекта связь между драйвером и IGBT должна иметь минимальную длину и быть низкоиндуктивной (например, выполняться витой парой). Увеличение сопротивления затвора позволяет демпфировать колебания, однако это приводит к увеличению динамических потерь в транзисторе. Более подробную информацию можно найти в [3].

Емкости CХХ (нелинейные, зависящие от напряжения), показанные на рисунке 1, являются паразитными компонентами силовых полупроводников, поэтому не могут быть изменены пользователем. Они определяют минимальную емкость коммутации CK и обеспечивают некоторое снижение рассеиваемой мощности при выключении.

Дополнительные потери генерируются в процессе включения из-за перезарядки паразитных емкостей; при использовании высокочастотных MOSFET-транзисторов этот факт необходимо учитывать на частотах свыше 100 кГц. Емкости С₁₁ и С₁₂ формируют т. н. эффект Миллера и динамическую dv/dt обратную связь «коллектор – затвор», являющуюся причиной образования «плато Миллера» и замедляющую процесс переключения.

Преобразователь следует проектировать таким образом, чтобы исключить сильные емкостные связи между цепями затвора и коллектора (стока), а также затвора и эмиттера (истока) вне модуля, которые способны создать высокочастотные паразитные колебания. Этот аспект является наиболее важным при использовании быстрых высоковольтных ключей MOSFET и SiC-MOSFET.

Проблемы EMI. Энергетические процессы в преобразователях

Процессы, происходящие в импульсных преобразовательных системах, обеспечивают передачу энергии под контролем устройства управления и одновременно создают нежелательные шумы при коммутации силовых полупроводников (рис. 3).

EMI и EMC

Рис. 3. Энергетические процессы в конвертерах [4]

Эти процессы можно разделить на высокоэнергетические, способные генерировать помехи в питающей сети и нагрузке в диапазоне частот от основной до ~9 кГц, и низкоэнергетические на частотах от 9 кГц до 30 МГц, где происходит формирование и распространение шумов и непроводящих токов. В низкочастотном диапазоне такие эффекты можно назвать обратной связью «конвертер – сеть», они характеризуются дискретными гармоническими колебаниями тока на частотах примерно до 2 кГц. В ВЧ-диапазоне эти осцилляции создают радиочастотные помехи, их спектр измеряется в дБ/мВ.

Такие понятия, как нулевой ток, ток утечки или несимметричное напряжение помех, отличаются только с точки зрения их влияния в разных частотных диапазонах и по их зависимости от динамических характеристик ключей.

Причины возникновения шумовых токов

Компания SEMIKRON уделяет большое внимание проблемам обеспечения электромагнитной совместимости. Для анализа процесса генерации и распространения помех используется эквивалентная схема, приведенная на рис. 4, где ключи S₁ и S₂ имитируют работу транзисторов полумостового каскада. В режиме «жесткого переключения» на индуктивную нагрузку, когда значения LK (индуктивность шин питания) и С_K (эквивалентные коммутационные емкости) минимальны, ток полумоста коммутируется со скоростью di/dt, определяемой характеристиками силовых транзисторов. При открывании одного из ключей происходит обратное восстановление оппозитного диода, который до этого был в состоянии проводимости. В этот момент кроме тока нагрузки I_L через транзистор течет ток обратного восстановления iRR, скорость изменения которого di_RR/dt зависит от характеристик диода, а также значений I_L, V_K и C_K.

Рис. 4. Эквивалентная схема для анализа шумовых характеристик полумостового каскада

Общая эффективная емкость включает в себя все составляющие СΣ, расположенные относительно нейтрали. В процессе генерации шумов участвуют импедансы цепей между точками коммутации напряжения и нулевым потенциалом, а также параллельные импедансы емкостей.

Переключение транзистора S₁ приводит к появлению симметричного (дифференциального) тока i_dm в параллельном ему контуре питания (Сеть 1). При завершении коммутационного цикла процесс обратного восстановления диода ключа S₂ создает перенапряжение dv/dt на индуктивности шины L_K, амплитуда которого пропорциональна скорости восстановления di_RR/dt и величине L_K. Результирующий синфазный ток i_cm асимметрично протекает через шину заземления и цепи, параллельные коммутационным емкостям C_K.

Использование режима «мягкого включения» ZСS (Zero Current Switch — коммутация при нулевом токе) за счет увеличения L_K позволяет снизить значение di/dt и, следовательно, уровень помех, вызываемых дифференциальными токами. В то же время с ростом индуктивности будут возрастать перенапряжения, асимметричные токи и создаваемые ими синфазные помехи.

В начале процесса коммутации величина dv/dt определяется динамическими характеристиками транзистора S₁. Скачок напряжения в конце цикла переключения зависит от параметров обратного восстановления диода S₂. Использование режима ZCS уменьшает симметричный ток помехи и изменяет диапазон частот асимметричных токов без значительного их снижения.

Коммутация емкости C_K начинается после активного выключения S₁. Закрывание ключа S₂ приводит к появлению «емкостного» переходного процесса. В режиме «жесткого переключения» ток синфазной помехи определяется параметрами S₁ и импедансами цепей, связанных с земляной шиной и параллельных коммутационным емкостям C_K. Характер переходного процесса и, соответственно, уровень шумовых токов в данном случае зависят от характеристик выключения S₁ и включения S₂.

Для обеспечения режима «мягкого выключения», или ZVS (Zero Voltage Switch — коммутация при нулевом напряжении), необходимо увеличить значение CK. Замедление процесса нарастания напряжения dv/dt уменьшает уровень асимметричных токов.

После завершения цикла процесс начинается с начальной стадии включения тока со скоростью di/dt, определяемой свойствами S1 при пониженном напряжении. Задержка фронта dv/dt позволяет снизить уровень асимметричных токов при коммутации напряжения. Пассивное включение S2 определяет значение dv/dt во второй фазе переключения тока.

Асимметричная токовая помеха снижается в режиме ZVS без заметного изменения симметричного тока. Тем не менее увеличение CK приведет к уменьшению симметричного тока в контуре питания (Сеть 1) пропорционально соотношению емкостей, образующих токовый делитель. Таким образом, инвертор, работающий с «мягкой коммутацией» и контролем фазового сдвига при включении или выключении (резонансный или квазирезонансный), имеет низкий уровень дифференциальных или синфазных помех в зависимости от того, какой режим используется (коммутация при нулевом напряжении ZVS или нулевом токе ZCS).

В преобразователях с «дополнительными» импульсными каскадами, где режимы ZVS и ZCS включаются поочередно, токи помех не будут заметно снижаться по сравнению с вариантом «жесткой коммутации», поскольку высокие значения di/dt и dv/dt присутствуют в системе в течение рабочего цикла.

Пути распространения помех

Измерение уровней радиопомех, излучаемых конвертером в сеть, производится на сетевых клеммах относительно шины заземления. Для анализа спектра токов помех SEMIKRON использует более сложную эквивалентную схему, приведенную на рис. 5.

Рис. 5. Эквивалентная схема понижающего DC DC-конвертера

На схеме (функционально это понижающий DC/DC-конвертер) источник питания представлен в виде узла LISN (Line Impedance Stabilization Network — цепь стабилизации импеданса сети), а контур нагрузки заменен эквивалентной схемой «Нагрузка». Цепь LISN используется при проведении стандартных тестов EMI/EMC, ее структура определена Международной электротехнической комиссией IEC. Она представляет собой НЧ-фильтр, как правило размещаемый между AC- или DC-источником и тестируемым оборудованием и имеющий заданный импеданс, необходимый для измерения уровня радиочастотных шумов. Узел LISN изолирует нежелательные RF-сигналы от источника питания, кроме того, он может использоваться для прогнозирования уровня кондуктивных помех при диагностике и предварительной проверке соответствия требованиям стандартов.

Паразитные параметры силового модуля имитируются эквивалентной RLC-схемой «Модуль». Источники помех заданы генератором импульсного тока I_S для дифференциальных токов помех и генератором импульсного напряжения V_S (в его состав также входит полумост IGBT) для синфазных токов помех. Характеристики полупроводниковых приборов являются времязависимыми, типовые кривые переключения IGBT представлены на рис. 6. Параметры эквивалентных RLC-цепей подобраны таким образом, чтобы отобразить частотные свойства компонентов схемы.

Рис. 6. Типовые кривые переключения IGBT напряжение (В, сверху), ток (А, снизу) [5]

Детектирование сигналов радиопомех производится путем селективных измерений флуктуаций напряжения на клеммах подключения сети к инвертору и выводах заземления.

Все низкочастотные импульсные элементы имеют распределенные индуктивности, сопротивления и емкости, которые при моделировании показывают четкую частотную зависимость. Для анализа процесса образования асимметричных помех были разработаны специальные SPICE-модели силовых ключей и антипараллельных диодов, особое внимание в которых уделялось корректному отображению временных характеристик тока коллектора и напряжения «коллектор – эмиттер». Подобные модели достоверно имитируют процессы включения и выключения транзисторов с учетом эффектов обратного восстановления оппозитного диода и токового «хвоста» IGBT-транзистора.

Данные, полученные при моделировании эквивалентной схемы, показывают практически полное совпадение с результатами измерений, проведенных на реальных устройствах.

На рис. 7 показаны спектры сигналов помех, полученные при моделировании эквивалентной схемы. Исследования производились при следующих условиях: напряжение питания 450 В, выходной ток 20 А, частота коммутации 5 кГц. При анализе использовались усовершенствованные модели NPT IGBT-кристаллов, применяемых в полумостовом модуле SKM75GB125.

Рис. 7. Результаты моделирования режимов работы модуля NPT IGBT (50 А, 1200 В)

Эквивалентная схема, позволяющая исследовать пути возникновения и распространения помех, дает возможность оптимизировать конструкцию модуля с точки зрения снижения EMI. Задача состоит в повышении импеданса контуров, в которых наводятся токи помех, или создании короткозамкнутых цепей для источников шумов с помощью селективных подавляющих фильтров.

Дифференциальные токи помех замыкаются через емкости источника питания и коммутационные емкости. Идеальные конденсаторы, подключенные к транзисторам S1 и S2, могли бы создать требуемые короткозамкнутые контуры. Синфазные токи проходят через шину заземления и паразитные емкости заземления. Соответственно, для их подавления необходимо обеспечить высокий импеданс во всех коммутируемых цепях, имеющих значительные перепады напряжения относительно корпуса. На схеме, приведенной на рисунке 4, снижение уровня помех может достигаться за счет уменьшения распределенных емкостей, связывающих силовой модуль с базовой платой и радиатором.

Одним из путей подавления паразитных элементов является гальваническая изоляция источника питания схемы управления затворами. Если драйвер не связан по питанию с нулевой шиной, то в модуле не возникают дополнительные токи смещения, являющиеся источником синфазных шумов. Излучение, вызванное токами, проходящими через паразитные емкости заземления, может быть снижено за счет применения специальных изолирующих и экранирующих материалов. Пути распространения помех по энергетическим и сигнальным цепям устройств управления IGBT рассмотрены в [4].

Другие источники EMI

Циклические режимы работы силовых полупроводниковых приборов с крутыми фронтами, а также высокие частоты переключения тока и напряжения рассматриваются как основные причины возникновения электромагнитных помех. Кроме этого, в [9] анализируются дополнительные компоненты и паразитные колебания, которые определены в качестве причин электромагнитных помех, не связанных с работой схемы (частоты в диапазоне 100 Гц – 30 МГц):

Колебания, возникающие при переключении силовых полупроводниковых приборов (транзисторов IGBT, MOSFET-транзисторов, диодов).

Причина: возбуждение резонансных контуров, состоящих из нелинейных полупроводниковых емкостей и паразитных элементов (L, С). Диапазон частот: 10–100 МГц.

Контрмеры: оптимизация топологии схемы, уменьшение скорости переключения, ограничение di/dt, dv/dt с помощью внешних цепей.

Осцилляции между параллельно или последовательно соединенными чипами или модулями IGBT/MOSFET/FWD.

Причина: разброс параметров чипов; асимметрия параллельных/последовательных цепей (относится к кристаллам и модулям). Диапазон частот: 10–30 МГц

Контрмеры: оптимизация топологии схемы (балансировка цепей), выбор резисторов затворов, оптимизация топологии размещения чипов, снижение скорости коммутации, ограничение di/dt, dv/dt с помощью внешних цепей.

Осцилляции при переносе заряда

PETT-осцилляции (Plasma Extraction Transit Time).

Причина: колебания возникают в фазе «хвостового» тока при выключении «биполярной составляющей» IGBT и диодов с плавным восстановлением; зона пространственного заряда сталкивается с массой свободных носителей заряда, в результате формируется «хвост» тока. PETT-колебания проявляются в виде излучаемых электромагнитных помех, диапазон частот: 200–800 МГц.

Контрмеры: подавление в конструкции модуля LC колебательных контуров с резонансными частотами в диапазоне PETT.

IMPATT-осцилляции (Impact Ionisation (Avalanche) Transit Time).

Причина: динамический процесс при выключении диода; электрическое поле взаимодействует с остаточной массой свободных носителей заряда; диод динамически переходит в состояние лавинного пробоя (электронная ударная ионизация). IMPATT-колебания проявляются в форме высокоэнергетических излучаемых электромагнитных помех, диапазон частот: 200–900 МГц.

Контрмеры: оптимизация конструкции чипа.

Способы подавления EMI

Обычные способы подавления кондуктивных помех основаны на использовании специализированных или стандартных EMI-фильтров, которые устанавливаются в цепях питания и нагрузки. В соответствии с заданными ограничениями характеристик для определенного типа устройств или приложений (определяются в терминах стойкости к EMI национальными и международными стандартами для кондуктивных и излучаемых электромагнитных помех), используются различные типы фильтров. Они должны обеспечивать стабилизацию импеданса в системе, включающей сеть и стандартизированную тестовую сборку, и гарантировать работу в пределах заданных лимитов во всех частотных диапазонах.

При подобном эмпирическом подходе используемые фильтры часто оказываются сложными и дорогостоящими. Независимо от того, было ли использовано моделирование для оптимизации электромагнитной совместимости всей системы или нет, показатели EMC должны быть проверены индивидуально для каждого приложения, поскольку генерирование модели и параметризация процессов занимают довольно много времени. Т. о. при проектировании системы следует с самого начала анализировать возможное воздействие электромагнитных помех и оптимизировать пути их распространения, начиная от источников EMI с учетом доступных точек контроля. Оптимизация подразумевает либо обеспечение высокоимпедансных путей распространения шумовых токов за счет избирательно блокирующих цепей, либо создание низкоимпедансных цепей короткого замыкания шумовых токов с помощью селективных фильтрующих цепей.

Некоторые методы подавления помех описаны ниже применительно к рисунку 4. Симметричные шумовые токи должны шунтироваться емкостью коммутируемого источника напряжения. Для создания цепей короткого замыкания этих токов к транзисторам 1 и 2 подключаются идеальные емкости, при этом отсутствует влияние импедансов любых цепей.

Радиопомехи с измеряемым уровнем напряжения, обусловленные емкостными пульсациями напряжения, приводят к образованию токов в параллельных цепях. Поэтому все меры, которые принимаются для уменьшения симметричных токов, направлены на выбор соответствующих фильтров, подключаемых параллельно линиям коммутируемого напряжения. Чем ближе находятся идеальные емкости (с низким внутренним сопротивлением и индуктивностью) и чем ближе фильтрующая цепь подсоединяется к выводам силовых ключей, тем выше эффективность подавления EMI.

Асимметричные токи помех преимущественно передаются через линии заземления. Для подавления шумов очень важно обеспечить высокий импеданс во всех точках, где наблюдаются крутые перепады напряжения относительно земли, что позволяет одновременно ограничить потенциальные всплески и в недоступных узлах коммутации. В примере с эквивалентной схемой на рисунке 4 подавление помех изначально реализовано за счет снижения паразитных емкостей изолированных компонентов драйверов, а также емкостей силовых модулей относительно базовой платы и радиатора.

Если отсутствует информация о паразитных коммутационных параметрах драйвера или дополнительной энергии относительно потенциала нейтрали, это значит, что токи смещения не проходят в цепь заземления, т. е. она замкнута внутри устройства. Соответственно, отсутствуют и асимметричные токи помех. Поскольку в силовых модулях они распространяются через базовую плату, то уровень помех может быть уменьшен путем оптимизации компоновки модуля и соответствующего выбора материалов [5].

Меры подавления EMI, реализуемые вблизи полупроводниковых чипов, могут значительно улучшить ситуацию, как показано на рис. 8 на примере модифицированного модуля IGBT SEMIKRON [5]. Уровень генерируемых им электромагнитных помех на 15…25 дБ ниже, чем у стандартного силового ключа. Несколько образцов модифицированных модулей были испытаны в составе резонансного преобразователя в режиме ZVC (Zero Voltage Commutation — режим переключения при нулевом напряжении). Отсутствие влияния токов обратного восстановления и меньший уровень dv/dt, свойственные данным применениям, приводят к значительному снижению излучения помех, что видно из рис. 9б. Дополнительного улучшения спектрального состава удается достичь при использовании снабберных конденсаторов.

Рис. 8. Спектр помех стандартного и оптимизированного модуля IGBT [38], Режим измерения

Рекомендация по подключению к сети 2 через дроссель, как показано на рис. 4, остается в силе. Снижение величины паразитной емкости достигается только за счет уменьшения длины соединения до минимума. В идеале LC-фильтр должен быть подключен непосредственно к точкам с динамически меняющимся напряжением: благодаря индуктивности фильтра потенциальные скачки ослабляются до такой степени, что все другие связанные емкости в сети 2 не смогут создавать заметных асимметричных шумовых токов. Если сеть 2 рассматривается как точка подключения источника питания, где производятся стандартные измерения LISN, то это абсолютно необходимо, то есть LC-цепь должна быть частью EMI-фильтра. В дополнение к фильтрации электромагнитных помех, на практике используются дополнительные меры по заземлению и экранированию, улучшающие ситуацию с EMI.

Рис. 9. Изменение спектрального состава EMI при наличии снабберного конденсатора (а), заземлении теплоотвода (б), использовании различных изоляционных материалов (в)

На частотах выше 200 кГц рост электромагнитного излучения дифференциальных помех обусловлен, прежде всего, влиянием паразитной индуктивности конденсаторов DC-шины. Графики, показанные на рис. 9, демонстрируют эффект от применения снабберных конденсаторов CS, устанавливаемых непосредственно на DC-терминалах модуля. Причиной снижения уровня EMI является шунтирующее действие снаббера по отношению к высокочастотному сигналу помехи. Резонанс, наблюдаемый на графике в районе 400 кГц (рис. 9а), вызывается параллельным контуром, состоящим из C_S и паразитной индуктивности шин и конденсаторов звена постоянного тока. Выше этой точки уровень излучения падает, характер кривой при наличии C_S определяется собственной индуктивностью и сопротивлением снабберного конденсатора на частотах свыше 2 МГц.

На рис. 9б приведены спектры помех, полученные при заземленном и незаземленном радиаторе. В условиях заземленного теплоотвода уровень EMI возрастает с 75 дБ/мкВ до примерно 92 дБ/мкВ в диапазоне частот 0,2–8 МГц. В данном случае речь идет о синфазных помехах, наводимых высокочастотными токами, текущими через паразитные емкости заземления C_P. Эти емкости образуются изолирующими материалами, находящимися между коллекторами IGBT (или катодами антипараллельных диодов) и теплоотводом. Величина C_P зависит от площади А, толщины d и диэлектрической проницаемости ε изолирующего материала: C_P = εA/d.

Как видно из графиков 9в, параметры изолирующего слоя сильнее всего влияют на спектр синфазных помех на частотах 0,5–8 МГц, их уровень изменяется в диапазоне 72–88 дБ/мкВ. Худшая ситуация наблюдается при использовании в качестве изолятора кремнийорганического (силиконового) каучука. Керамические материалы, такие как оксид алюминия Al₂O₃, позволяют получить лучшие результаты, однако минимальный уровень помех обеспечивается при использовании силиконового каучука с медным экранирующим слоем, соединенным с одним из выводов DC-шины.

Спектральный состав EMI практически не зависит от температуры, с ее ростом незначительно увеличивается уровень излучения, что связано с изменением характера обратного восстановления диодов.

Заключение

Чтобы наметить лучшие способы борьбы с помехами и обеспечить требуемый уровень электромагнитной совместимости (EMC), следует проанализировать источники и пути распространения электромагнитного излучения. Основными факторами, влияющими на уровень дифференциальных помех, являются ток обратного восстановления антипараллельных диодов и наличие распределенных индуктивностей у конденсаторов и соединительных цепей, участвующих в процессе коммутации мощных токов. Паразитные компоненты схемы образуют контуры, инициирующие появление резонансных пиков. Соответственно, для снижения уровня EMI необходимо уменьшать токи обратного восстановления диодов и паразитные индуктивности элементов звена постоянного тока.

Литература

AN-7006: IGBT Peak Voltage Measurement and Snubber Capacitor Specification; www.semikron.com
Колпаков А.И. «Снабберы и перенапряжения». Компоненты и Технологии №5, 2006.
AN-7002: Connection of Gate Drivers; www.semikron.com
Zverev, I.: «Untersuchungen energiearmer Prozesse in Stromrichtern», diss., University of Rostock, 1999, ISLE Verlag, Ilmenau, 1999, ISBN 3-932633-39-3
Klotz, F.: «Leitungsgebundene elektrische Storemissionen von Leistungshalbleitertopologien», diss. TU Ilmenau 1997; ISLE Verlag, ISBN 3-932633-00-8
Ralph Annacker, Markus Hermwille. 1200V Modules with Optimised IGBT and Diode Chips. Semikron Elektronik GmbH.
Application Manual Power Modules. Semikron International.
Experimental and Simulative Investigations of Conducted EMI Performance of IGBTs for 5-10kVA Converters. EUPEC Application Hints.
Lutz, J.: «Halbleiter-Leistungsbaulemente: Physik, Eigenschaften, Zuverlassigkeit», Springer Verlag Berlin Heidelberg 2006, ISBN 3-540-34206-0
Колпаков А.И. «Проблемы электромагнитной совместимости мощных импульсных преобразователей». Силовая электроника, №2, 2006.

Главное меню

семейство фторфосфорорганических отравляющих веществ нервно-паралитического действия. По своем составу «Новичок» может быть жидкостью, аэрозолем или газом. Отравление этим ядом приводит к параличу всех мышц и тяжелому поражению нервной системы. Смерть происходит от остановки дыхания или сердца. Если летальный исход наступает не сразу, человеку грозит инвалидное состояние. Признаки отравления могут проявиться через несколько недель.

«Ядерная зима»

предполагаемая глобальная экологическая катастрофа, состояние биосферы Земли, которое может возникнуть вследствие массового применения ядерного оружия

А

Аварийная ситуация (АС)

опасная ситуация, при которой избежать происшествия невозможно.

Аварийная среда

среда, образованная действием разрушительных сил (факторов) на объекты в зоне ЧС.

Аварийно химически опасные вещества (АХОВ)

химически опасные вещества или их соединения, которые при попадании в окружающую среду способны вызвать чрезвычайную ситуацию: заразить воздух, воду, почву, привести к отравлению и гибели людей, животных, растений.

Аварийно-восстановительные работы (АВР)

первоочередные работы в зоне ЧС по локализации отдельных очагов разрушений и повышенной опасности, устранению аварий и повреждений на сетях и линиях коммунальных и производственных коммуникаций, созданию минимально необходимых условий для жизнеобеспечения населения, а также работы по санитарной очистке и обеззараживанию территорий.

Аварийно-спасательная операция

совокупность согласованных и взаимосвязанных по цели, месту и времени мероприятий (работ), проводимых разнородными силами и средствами организаций, органов местного самоуправления, органов исполнительной власти субъектов РФ, на территории которых сложилась ЧС, одновременно и последовательно по единому замыслу и плану по локализации и тушению пожаров, аварийному отключению источников поступления жидкого топлива, газа, электроэнергии и воды в очаг поражения, по поиску и спасению людей, оказанию пораженным первой медицинской помощи и их эвакуации в случае необходимости в загородные зоны.

Аварийно-спасательная служба (АСС)

это совокупность органов управления, сил и средств, предназначенных для решения задач по предупреждению и ликвидации чрезвычайных ситуаций, функционально объединенных в единую систему, основу которой составляют аварийно-спасательные формирования.

Аварийно-спасательное формирование (АСФ)

это самостоятельная или входящая в состав аварийно-спасательной службы структура, предназначенная для проведения аварийно-спасательных работ, основу которой составляют подразделения спасателей, оснащенные специальными техникой, оборудованием, снаряжением, инструментами и материалами.

Аварийно-спасательные и другие неотложные работы (АСДНР)

совокупность первоочередных работ в зоне ЧС (зоне поражения), заключающихся в спасении и оказании помощи людям, локализации и подавлении очагов поражающих воздействий, предотвращении возникновения вторичных поражающих факторов, защите и спасении материальных и культурных ценностей, восстановлении минимально необходимого жизнеобеспечения.

ГОСТ 14777-76 «Радиопомехи индустриальные. Термины и определения»

Настоящий стандарт устанавливает применяемые в науке, технике и производстве термины и определения основных понятий в области индустриальных радиопомех.

Термины, установленные настоящим стандартом, обязательны для применения в документации всех видов, учебниках, учебных пособиях, технической и справочной литературе. Приведенные определения можно, при необходимости, изменять по форме изложения, не допуская нарушения границ понятий.

Для каждого понятия установлен один стандартизованный термин. Применение терминов-синонимов стандартизованного термина запрещается. Недопустимый к применению термин-синоним приведен в стандарте в качестве справочного и обозначен «Ндп».

В стандарте приведены в качестве справочных иностранные эквиваленты стандартизованных терминов на немецком (D), английском (Е) и французском (F) языках.

В стандарте приведены алфавитные указатели содержащихся терминов на русском языке и их иностранных эквивалентов.

Стандартизованные термины набраны полужирным шрифтом.

Стандарт полностью соответствует СТ СЭВ 1116-78.

(Измененная редакция, Изм. № 1).

ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ

1 . Индустриальная радиопомеха

D . Industrielle Funkst ö rung

E. Man-made noise

F. Parasite industriel

Радиопомеха, которая создается электрическими или электронными устройствами.

1 . Под радиопомехой понимается электромагнитная помеха в диапазоне радиочастот.

2. К индустриальным радиопомехам не относятся излучения, создаваемые ВЧ трактами радиопередатчиков

(Измененная редакция, Изм. № 1)

2. (Исключен, Изм. № 1).

3 . Кратковременная индустриальная радиопомеха

Индустриальная радиопомеха, длительность которой, измеренная в регламентированных условиях, не более 0,2 с.

4 . Длительная индустриальная радиопомеха

D . Dauer — Funkst ö rung

E. Long-lasting disturbance

F. Perturbation de long durée

Индустриальная радиопомеха, длительность которой, измеренная в регламентированных условиях, не менее 1 с

3 , 4. (Измененная редакция, Изм. № 1)

4 a . Непродолжительная индустриальная радиопомеха

(Введен дополнительно, Изм. № 1)

Индустриальная радиопомеха, длительность которой, измеренная в регламентированных условиях, не более 1 с.

Примечание к терминам 3, 4, 4а. Условия измерения приведены в стандартах или нормах по радиопомехам

АППАРАТУРА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ИНДУСТРИАЛЬНЫХ РАДИОПОМЕХ

5 . Измеритель индустриальных радиопомех

D . Funkst ö- Meβger ä t

E. Radio-noise meter

F. Mesureur des perturbations