冰箱内部导线传导耦合原理分析

 

传导耦合是骚扰源与敏感器件之间的主要耦合途径之一，分为电容性耦合和电感耦合两种方式。由于变频冰箱的结构出现电容性耦合的概率要大于电感性耦合，本文只对电容性耦合进行分析，图1为导体间电容式耦合的简单表示方法。

 

图1 导体间电容式耦合的简单表示方法

 

由冰箱实际结构可知，骚扰源压缩机UVW线的电压为U1，被扰体电源线与地之间耦合的骚扰电压Un表示为：

 

 

式中：

C12—压缩机UVW线与电源线之间的分布电容；

C2G—电源线与地之间的电容；

R—电源线与地之间的阻抗；

f—骚扰电压的频率。

当R为高阻抗，即满足：

则，由（1）可简化为：

式（2）表明，此时骚扰的大小接近于恒定值图片，在电源线与地之间产生的电容性耦合骚扰电压与频率无关，仅C12与C2G的分压比有关，所以应设法降低C12或加大C2G。

 

从（2）中可以看出在，当被扰体与地之间距离保持不变时，即C2G保持不变，要消除耦合干扰对冰箱的影响，就必须要减小UVW线与电源线之间的分布电容C12。结合冰箱实际情况，冰箱内部导线长度远大于导线直径，则得出如下公式：

式中：

C—骚扰源与被扰体之间的线间电容；

l—冰箱内部导线实际长度；

d—骚扰源与被扰体的间距；

a—导线直径；

—常数。

 

从（3）可知：要减小骚扰源与被扰体之间的线间电容C，必须缩短导线的长度或增大导线间的距离。由于图片,所以减小两根导线之间的面积，也可以减小耦合电容，而减小接触面积就是要使UVW线与电源线不要平行走线，尽可能保持相互垂直。

 

样品选择与影响因素

 

以某风冷变频冰箱（BCD-529）为研究样本，如图2所示，实验室选择电磁屏蔽室，测试仪器采用：EMI接收机、功率吸收钳、V型人工电源网络等。

 

图2 实验用BCD-529冰箱

 

测试方法严格按照国标GB 4343.1-2018《家用电器、电动工具和类似器具的电磁兼容要求第一部分：发射》执行，骚扰电压、骚扰功率测试为空载，环境温度为25℃，冰箱箱内温度稳定以后分别进行骚扰电压、骚扰功率测试，频谱曲线如图3，骚扰功率满足、骚扰电压测试满足测试限值（火线测试情况相同）。

 

图3 运行稳定下骚扰功率、零线骚扰电压频谱曲线

 

为解决冰箱箱内传导耦合的影响，我们提出取消独立滤波器，采用从主板出线的方式，减少箱体内传导耦合的影响。去除独立滤波器会导致整个滤波电路的阻抗特性发生变化，会导致骚扰功率、骚扰电压裕量减少甚至超标，如图4数据，骚扰电压、功率数据明显变差。

 

图4 取消滤波器后骚扰功率、零线骚扰电压频谱曲线

 

01、阻性负载的影响

 

根据主控板PCB布局以及冰箱负载分析得出：箱内线性器件化霜加热器为敏感器件，箱内压缩机UVW线为干扰源，化霜加热器在箱体内的位置与压缩机UVW线的位置满足传导耦合的条件，导致干扰通过化霜加热器流入电源线中，从而导致冰箱电磁骚扰超标。

 

针对该问题，将化霜加热器取电位置改为主板滤波电路后。即把滤波电路前端取电的阻性负载（如化霜加热器、翻转梁加热器）调整至滤波电路后端取电，让干扰通过滤波电路滤波，防止出现滤波失效的问题。由图5可以看出，优化后骚扰电压裕量增加，符合标准要求。

 

图5 调整阻性负载骚扰电压频谱曲线

 

02、滤波电路器件选型的影响

 

滤波电路器件选型：由电容电感阻抗公式可知（感抗、容抗），电容阻抗随频率增大减小，电感相反。且家用电器产生的辐射骚扰一般属于高频共模骚扰，在产生共模干扰的路径上加上共模扼流圈对骚扰的抑制可以起到很好的效果。在电路中共模电感选择一大一小两种规格，由电感结构可知，当干扰经过绕组时，两个绕组的磁通方向相同，总电感量增大，对共模干扰呈现高阻抗，阻碍其通过。若电源线中差模成分较多，可人为地增加共模扼流圈的漏电感，提高差模电感量，与差模电容组成低通滤波器用来抑制电源线上存在的差模骚扰。适当增大第二个扼流圈感量，可以改善低频，从而能够有效的抑制高频和低频的电磁干扰。

 

针对于变频冰箱产品，X电容跨接在输出端，也可并联在输入端，选用陶瓷电容，常用容量范围是0.1～0.47uF；Y电容采用薄膜电容，冰箱属于Ⅰ类驻立式电动类家电产品，其泄漏电流不能超过3.5mA，其容量范围大致是1-4.7nf。

 

由容抗公式，（）：增大Y电容，导致滤波电路低频插损高，高频插损降低，低频有改善，高频处出现裕量不足。所以在电路设计初，可根据谐振频率计算公式计算出电路实际谐振频率，再根据实际需求进行元器件型号的调整。

 

优化方案

 

因此我们针对冰箱干扰特性，优化滤波电路的结构及布局，达到提高滤波效果的目的；利用电容电感的阻抗特性，提高滤波电路低频、高频电磁干扰的抑制能力，更好地解决冰箱产生的电磁骚扰。

 

通过通过对电容电感特性以及冰箱电磁干扰机理的研究分析，重新设计滤波电路，该电路主要有X电容C1-C3、Y电容C4-C5、共模电感L1、L2组成。

电路中X电容接于零火线之间，分布在两个共模电感周围，Y电容分别连接于火线与地之间、零线与地之间。阻性负载调整至滤波电路后端。由电容电感阻抗特性可知，电容阻抗随频率增大减小，电感相反。电容能将高频干扰去掉，从而达到通低频阻高频的作用。此时由变频冰箱产生的高频干扰一部分通过Y电容导入地线中，剩余部分通过感量较小的共模电感进行抑制；冰箱产生的低频干扰部分，剩余部分通过感量较大的共模电感进行抑制。避免过多的干扰直接流入电网。

 

优化后测试骚扰功率、骚扰电压数据如图6所示，均满足标准要求且具有较大余量。

 

图6 优化后骚扰功率、骚扰电压频谱曲线

 

结论

 

通过对冰箱传导耦合和针对冰箱滤波电路的研究分析，以实际冰箱为载体进行测试验证和设计改进优化，在整体结构、系统设计不更改的前提下实现抑制电磁骚扰，同时对主要影响因素提出以下解决方案：

 

传导耦合是冰箱内部线路中常见的一种干扰型式，它使骚扰源的能量通过导线耦合到被扰体，从而导致整体电磁骚扰超限值。抑制冰箱传导耦合的方法有，一是缩短箱体内部导线的长度或增大导线间的距离；二是减小两根导线之间的面积，使骚扰源与被扰体不要平行走线，尽可能保持相互垂直。 

 

1）滤波电路器件选型的影响

滤波器件选型是电路设计时的一大难点。针对变频冰箱的电路设计，滤波电路电感选择，在电路中共模电感选择一大一小两种规格，由电感结构可知，当共模干扰经过电感绕组时，两个绕组的磁通方向相同，总电感量增大，对共模干扰呈现高阻抗；电感的绕组与滤波电路中的Y电容组成低通滤波器，可抑制电路中的共模干扰。且可人为地增加共模扼流圈的漏电感，提高差模电感量，与差模电容组成低通滤波器可用来抑制电源线上存在的差模骚扰。适当增大第二个扼流圈感量，可以改善低频，从而能够有效的抑制高频和低频的电磁干扰。X电容选用陶瓷电容，常用容量范围是0.1～0.47uF；Y电容采用薄膜电容，容量范围大致是1-4.7nf。

 

2）阻性负载的影响

冰箱中阻性负载是除箱内电源线之外的另一个传导耦合的路径。针对该问题，将阻性负载取电位置改为主板滤波电路后。即把滤波电路前端取电的阻性负载（如化霜加热器、翻转梁加热器）调整至滤波电路后端取电，让干扰通过滤波电路滤波，防止出现滤波失效的问题。