CN110687354B - 一种在线式测量emi噪声源内阻抗的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种在线式测量EMI噪声源内阻抗的方法，首先采用传导电磁干扰测试的电流法分离差共模噪声，得到差模噪声电流和共模噪声电流；然后将已知阻抗连接在被测电子设备与线性稳定阻抗之间；接着通过EMI接收机测量差共模噪声电流频谱，分别得到共模和差模噪声源内阻抗的求解方程；最后根据求解方程分别得到差模噪声和共模噪声源内阻抗的幅值和相位。本发明使用的测量仪器少，操作简单，可以在线测量，并且精度较高。

Description

一种在线式测量EMI噪声源内阻抗的方法

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，特别是一种在线式测量EMI噪声源内阻抗的方法。

背景技术

功率变换器的小型化、高频化发展趋势，带来了严重的电磁兼容问题。电磁兼容是指：设备或系统在其电磁环境下能正常工作，并且不对该环境中的其它的电气设备构成不能承受的电磁骚扰的能力。电磁干扰分为辐射干扰和传导干扰，根据国家EMC标准GB9254规定，传导干扰噪声测试频段为150kHz-30MHz，辐射干扰噪声测试频段为30MHz-5GHz。电力电子设备的噪声主要由开关器件的快速通断引起，传导干扰比较严重，所以在开关电源中主要关注传导干扰的抑制。

根据国家电磁兼容标准的要求，应当使用线性稳定阻抗网络(LISN)来测量传导干扰幅值，以确保测量结果的一致性。传导EMI噪声按形成特性可以分为共模EMI和差模EMI，由于差共模传导噪声的形成特性不同，抑制措施也各不相同。在对传导EMI噪声进行评估时需将差共模噪声分离，并针对各自的特点采取相应的措施。

在传导频段150kHz-30MHz范围内，开关电源的传导EMI噪声幅值均应低于规定的标准。目前最常用的传导EMI噪声抑制方法是添加EMI滤波器，绝大部分的开关功率变换器要通过电磁干扰的标准均需借助于EMI滤波器的滤波功能。无源EMI滤波器的设计一般基于阻抗失配原则。在无源滤波器的设计过程中，需要先测出电力电子设备噪声源内阻抗的特性，根据内阻抗特性合理设计滤波器。

现有的噪声源内阻抗参数提取方法主要有，谐振法、插入损耗法、双电流探头法和散射参数法。谐振法实验原理简单，但是因为不知道内阻抗的大小，谐振点难以确定。插入损耗法操作简单，但噪声源内阻抗推导过程中存在约束条件，测量精度不高，而且只能测出内阻抗大小，无法得到内阻抗的相位。双电流探头法利用两个电流探头作为信号注入探头和信号检测探头，测量时需要校准测试电路等效阻抗的大小，校准过程存在误差且操作复杂，但可以得到噪声源内阻抗的幅值和相位。散射参数法与双电流探头法类似，同样需要校准测试电路，通过网络分析仪测量S参数，从而得到内阻抗的幅值和相位。但是，在线式测量时存在损坏网络分析仪的风险。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提出一种在线式测量EMI噪声源内阻抗的方法，使用的测量仪器少，操作简单，可以在线测量，并且精度较高。

本发明采用以下方案实现：本发明基于EMI接收机、线性稳定阻抗网络(LISN)、电流探头等设备实现一种在线式测量EMI噪声源内阻抗的方法，具体包括以下步骤：

采用传导电磁干扰测试的电流法分离差共模噪声，得到差模噪声电流和共模噪声电流；

将已知阻抗连接在被测电子设备与线性稳定阻抗之间；

通过EMI接收机测量差共模噪声电流频谱，分别得到共模和差模噪声源内阻抗的求解方程；

根据求解方程分别得到差模噪声和共模噪声源内阻抗的幅值和相位。

进一步地，所述通过EMI接收机测量差共模噪声电流频谱，分别得到共模和差模噪声源内阻抗的求解方程具体为：通过多次测量得到的噪声电流频谱，获得插入不同阻抗的插入损耗数值，并列写出关于被测设备噪声源内阻抗的二元二次方程组；

具体的，插入已知阻抗Z_std1，测量原始差模噪声电流i_DM1和共模噪声电流i_CM1，可以得到：

插入已知阻抗Z_std2，测量差模噪声电流i_DM2和共模噪声电流i_CM2，可以得到：

插入已知阻抗Z_std3，测量差模噪声电流i_DM3和共模噪声电流i_CM3，可以得到：

其中，V_s表示等效噪声源电压幅值，在频率固定的时候为复常数。

对上面三次测量的公式中差共模噪声电流两侧取模，可以将其简化为，差模与共模形式：

式中，Z_std1、Z_std2与Z_std3分别表示三次插入的已知阻抗，I_DM1、I_DM2与I_DM3分别表示三次插入不同的已知阻抗后分别得到的三次差模噪声电流，I_CM1、I_CM2与I_CM3分别表示三次插入不同的已知阻抗后分别得到的三次共模噪声电流，R_LISN表示线性稳定阻抗，Z_x表示被测噪声源的内阻抗。

进一步地，所述根据求解方程分别得到差模噪声和共模噪声源内阻抗的幅值和相位具体为：

将被测噪声源内阻抗Z_x表示为Z_x＝a_x+jb_x；将插入的已知阻抗Z_std表示为Z_std＝a_td+jb_td，R_LISN＝50Ω，由于受到线路的寄生参数影响及一些不可控的干扰，导致在很多频率点处方程组无解，分别把内阻抗Z_x的实部a_x和虚部b_x当作自变量和因变量，将二元二次方程组构造成两个函数，得到：

差模噪声源内阻抗求解方程：

共模噪声源内阻抗求解方程；

通过判断两个函数图像是否存在交点，筛选出方程组有解的频率点。通过求解上述方程分别得到差模噪声和共模噪声源内阻抗的幅值和相位，即能够得到被测差共模噪声源内阻抗Z_x在全频段内的幅值和相位。

进一步地，利用快速矢量匹配法对噪声源内阻抗的幅值和相位进行拟合，得到内阻抗等效的电路模型。

进一步地，所述已知阻抗为无源元器件或者无源元器件组合。

较佳的，本发明还可以通过插入幅值和相位已知的阻抗Z_std4，利用求出的噪声源内阻抗和Z_std4计算EMI噪声的频谱，验证测量方法的正确性。

较佳的，本发明还可以利用获得的噪声源内阻抗等效电路模型，在电路仿真软件中进行电路仿真，验证内阻抗等效电路模型的正确性。

与现有技术相比，本发明有以下有益效果：本发明通过几次简单的测量，使用数学方法精确地求解出噪声源内阻抗，而不需要额外的校准测量电路。然后，对求解的噪声源内阻抗值进行优化处理，利用快速矢量匹配法拟合出噪声源内阻抗曲线，得到内阻抗电路等效模型。本发明提出的噪声源内阻抗测量方法，使用的测量仪器少，操作简单，可以在线测量，并且精度较高。

附图说明

图1为本发明实施例的差共模电流流向示意图。

图2为本发明实施例的差模噪声源内阻抗测量等效电路图。

图3为本发明实施例的共模噪声源内阻抗测量等效电路图。

图4为本发明实施例的噪声源内阻抗求解函数图像。

图5为本发明实施例的矢量匹配法等效电路形式。

图6为本发明实施例的差模噪声源内阻抗幅值。

图7为本发明实施例的差模噪声源内阻抗相位。

图8为本发明实施例的共模噪声源内阻抗幅值。

图9为本发明实施例的共模噪声源内阻抗相位。

图10为本发明实施例的差共模噪声源内阻抗等效电路模型。

图11为本发明实施例的差模噪声源内阻抗求解验证。

图12为本发明实施例的共模噪声源内阻抗求解验证。

图13为本发明实施例的差模噪声源内阻抗电路模型仿真验证。

图14为本发明实施例的共模噪声源内阻抗电路模型仿真验证。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

本实施例基于EMI接收机、线性稳定阻抗网络(LISN)、电流探头等设备实现一种在线式测量EMI噪声源内阻抗的方法，具体包括以下步骤：

采用传导电磁干扰测试的电流法分离差共模噪声，得到差模噪声电流和共模噪声电流；

将已知阻抗连接在被测电子设备与线性稳定阻抗之间；

通过EMI接收机测量差共模噪声电流频谱，分别得到共模和差模噪声源内阻抗的求解方程；

根据求解方程分别得到差模噪声和共模噪声源内阻抗的幅值和相位。

在本实施例中，所述通过EMI接收机测量差共模噪声电流频谱，分别得到共模和差模噪声源内阻抗的求解方程具体为：通过多次测量得到的噪声电流频谱，获得插入不同阻抗的插入损耗数值，并列写出关于被测设备噪声源内阻抗的二元二次方程组；

具体的，插入已知阻抗Z_std1，测量原始差模噪声电流i_DM1和共模噪声电流i_CM1，可以得到：

插入已知阻抗Z_std2，测量差模噪声电流i_DM2和共模噪声电流i_CM2，可以得到：

插入已知阻抗Z_std3，测量差模噪声电流i_DM3和共模噪声电流i_CM3，可以得到：

其中，V_s表示等效噪声源电压幅值，在频率固定的时候为复常数。

对上面三次测量的公式中差共模噪声电流两侧取模，可以将其简化为，差模与共模形式：

式中，Z_std1、Z_std2与Z_std3分别表示三次插入的已知阻抗，I_DM1、I_DM2与I_DM3分别表示三次插入不同的已知阻抗后分别得到的三次差模噪声电流，I_CM1、I_CM2与I_CM3分别表示三次插入不同的已知阻抗后分别得到的三次共模噪声电流，R_LISN表示线性稳定阻抗，Z_x表示被测噪声源的内阻抗。

在本实施例中，所述根据求解方程分别得到差模噪声和共模噪声源内阻抗的幅值和相位具体为：

将被测噪声源内阻抗Z_x表示为Z_x＝a_x+jb_x；将插入的已知阻抗Z_std表示为Z_std＝a_td+jb_td，R_LISN＝50Ω，由于受到线路的寄生参数影响及一些不可控的干扰，导致在很多频率点处方程组无解，分别把内阻抗Z_x的实部a_x和虚部b_x当作自变量和因变量，将二元二次方程组构造成两个函数，得到：

差模噪声源内阻抗求解方程：

共模噪声源内阻抗求解方程；

通过判断两个函数图像是否存在交点，筛选出方程组有解的频率点。通过求解上述方程分别得到差模噪声和共模噪声源内阻抗的幅值和相位，即能够得到被测差共模噪声源内阻抗Z_x在全频段内的幅值和相位。

在本实施例中，利用快速矢量匹配法对噪声源内阻抗的幅值和相位进行拟合，得到内阻抗等效的电路模型。

在本实施例中，所述已知阻抗为无源元器件或者无源元器件组合。

较佳的，本实施例还可以通过插入幅值和相位已知的阻抗Z_std4，利用求出的噪声源内阻抗和Z_std4计算EMI噪声的频谱，验证测量方法的正确性。

较佳的，本实施例还可以利用获得的噪声源内阻抗等效电路模型，在电路仿真软件中进行电路仿真，验证内阻抗等效电路模型的正确性。

下面本实施例以插入无源器件电容为例，详细介绍噪声源内阻抗测量全过程。

根据EMI噪声测量标准，正确连接好测量电路。并利用电流法，分离差共模噪声。差模噪声电流和共模噪声电流的流向，如图1所示。

对于差模噪声电流测量，插入c_x1、c_x2、c_x3、c_x4，4个容值为0.1μF、0.2μF、0.32μF、0.47μF的X电容，用阻抗分析仪测量其阻抗值Z_dmc，分别插入L线与N线之间，等效电路图如图2。对于共模噪声电流测量，插入c_y1、c_y2、c_y3、c_y44个容值为34pF、91pF、184pF、436pF的Y电容，用阻抗分析仪测量其阻抗值Z_cmc。分别插入L线、N线与地线之间，等效电路如图3。利用插入电容c_x1、c_x2、c_x3和c_y1、c_y2、c_y3的测量结果，求解方程组⑹和⑺。

从接收机上测量得到的噪声电流值，在150kHz-30MHz范围内，有数千个频率点，通过编写循环求解程序，计算二元二次方程组的解。在求解的过程中，由于线路高频分布参数影响和一些不可控干扰等问题，会导致在一些频率点上得不到收敛解，因此需要对实验数据进行寻解操作。把噪声源阻抗Z_X的实部a_x和虚部b_x分别当作自变量和因变量，将二元二次方程组改写成函数形式。当两个函数的图像存在交点时，即方程组在此频率范围内有解。

根据图2，计算出差模噪声等效电路的负载阻抗Z_DM-load；根据图3，计算出共模噪声等效电路的负载阻抗Z_CM-load，并且将负载阻抗用实部和虚部表示。

差模噪声源阻抗的实部和虚部构造出的函数如式(10)

共模噪声源阻抗的实部和虚部构造出的函数如式(11)

函数图像如图4所示，两个函数图像存在交点时，方程组在此频率范围内有解。

通过求解方程组，得到噪声源内阻抗的实部和虚部值，从而可以得到内阻抗的幅值和相位。利用快速矢量匹配法拟合求解的噪声源内阻抗曲线，从而得到内阻抗的等效电路模型。在电网络理论中，常常用一个多项式有理函数来逼近待拟合的曲线。噪声源内阻抗Z_X的阻抗特性曲线可以用一个有理函数来逼近，如式(12)所示；

为了将网络函数转化为RLC等效电路，将有理函数改写成极点-留数形式为：

式(13)中a_n、r_n分别为极点和留数，一般为实数或共轭复数对，d、h均为实数，a_n、r_n、d、h均为未知数。若给定一组起始极点

此时只需要求解r_n、d、h三个未知数。构造辅助函数σ(s)，其零点与g(s)的极点相同，表达式如下：

将式σ(s)与g(s)相乘，可以得到：

将辅助函数代入式(15)可得到式(16)。给定初始极点

将测量的一组数据代入式(16)即可得到求解a_n、r_n、d、h的超定线性方程，表达式如(17)所示。

Ax＝b； (17)

式中，A、x、b的表达式为：

b＝(g(s₁) g(s₂) g(s₃) … g(s_P))^T；

当极点或留数为共轭复数对时，即：

则矩阵A对应元素为：

因为σ(s)的零点与g(s)的极点相同，所以g(s)的极点求解可以转化为σ(s)的零点求解。σ(s)的零点可以通过构造矩阵M，然后解矩阵的特征值获得。将求得的σ(s)的零点代替初始极点

重复式(17)的计算，直至获得满足精度要求的a_n、r_n、d、h。矩阵M的表达式如式(20)所示：

为了减少计算时间，对式(17)的计算进行QR分解，分解过程如式(21)、(22)所示。使用快速矢量匹配法可以减少计算r_n的时间，只求取用来得到新极点的留数

由此可以减少计算时间。

根据电路网络函数理论，将求出的a_n、r_n、d、h转化为等效的电路网络，得到噪声源内阻抗的等效电路模型，对应的等效电路形式如图5所示。

差模噪声源内阻抗的幅值及其拟合曲线如图6，相位图如图7；共模噪声源内阻抗的幅值如图8，相位图如图9，等效的电路模型如图10。

利用求解得到的差模噪声源内阻抗和插入的X电容c_x4，计算出差模噪声电流大小，并且与实际测量的噪声频谱对比，验证差模噪声源内阻抗测量的正确性，如图11所示。

利用求解得到的共模噪声源内阻抗和插入的Y电容c_y4，计算出共模噪声电流大小，并且与实际测量的噪声频谱对比，验证共模噪声源内阻抗测量的正确性，如图12所示。

根据内阻抗等效电路模型，利用电路仿真软件，建立仿真实验，计算噪声电流大小，与实测数据对比，验证电路模型的正确性，如图13、14所示。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容,依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (5)

1.一种在线式测量EMI噪声源内阻抗的方法，其特征在于，包括以下步骤：

采用传导电磁干扰测试的电流法分离差共模噪声，得到差模噪声电流和共模噪声电流；

将已知阻抗连接在被测电子设备与线性稳定阻抗之间；

通过EMI接收机测量差共模噪声电流频谱，分别得到共模和差模噪声源内阻抗的求解方程；

根据求解方程分别得到差模噪声和共模噪声源内阻抗的幅值和相位。

2.根据权利要求1所述的一种在线式测量EMI噪声源内阻抗的方法，其特征在于，所述通过EMI接收机测量差共模噪声电流频谱，分别得到共模和差模噪声源内阻抗的求解方程具体为：通过多次测量得到的噪声电流频谱，获得插入不同阻抗的插入损耗数值，并列写出关于被测设备噪声源内阻抗的二元二次方程组，分差模与共模形式：

式中，Z_std1、Z_std2与Z_std3分别表示三次插入的已知阻抗，I_DM1、I_DM2与I_DM3分别表示三次插入不同的已知阻抗后分别得到的三次差模噪声电流，I_CM1、I_CM2与I_CM3分别表示三次插入不同的已知阻抗后分别得到的三次共模噪声电流，R_LISN表示线性稳定阻抗，Z_x表示被测噪声源的内阻抗。

3.根据权利要求1所述的一种在线式测量EMI噪声源内阻抗的方法，其特征在于，所述根据求解方程分别得到差模噪声和共模噪声源内阻抗的幅值和相位具体为：

将被测噪声源内阻抗Z_x表示为Z_x＝a_x+jb_x；将插入的已知阻抗Z_std表示为Z_std＝a_td+jb_td，R_LISN＝50Ω，分别把内阻抗Z_x的实部a_x和虚部b_x当作自变量和因变量，将二元二次方程组构造成两个函数，得到：

差模噪声源内阻抗求解方程：

共模噪声源内阻抗求解方程；

通过求解上述方程分别得到差模噪声和共模噪声源内阻抗的幅值和相位；其中，I_DM1、I_DM2与I_DM3分别表示三次插入不同的已知阻抗后分别得到的三次差模噪声电流，I_CM1、I_CM2与I_CM3分别表示三次插入不同的已知阻抗后分别得到的三次共模噪声电流。

4.根据权利要求1所述的一种在线式测量EMI噪声源内阻抗的方法，其特征在于，还包括步骤：利用快速矢量匹配法对噪声源内阻抗的幅值和相位进行拟合，得到内阻抗等效的电路模型。

5.根据权利要求1所述的一种在线式测量EMI噪声源内阻抗的方法，其特征在于，所述已知阻抗为无源元器件或者无源元器件组合。

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