互感耦合电磁干扰的对消方法

U&测
=
−
U&1 jω RC
=
−
M1I& RC
（2）
图 1 互感耦合电磁干扰的对消原理
Fig.1 Schematic diagram of the cancellation method
U&g = jωMI&
（1）
式中 ω ——谐波电流角频率；
I& ——干扰源电路上流过的高次谐波电流；
M——两电路间的耦合互感，M 的大小与电
对消信号注入探头的功能是将控制调节电路的
输出电流信号转化为和干扰电压信号幅值相等、相
位相反的对消电压信号并注入弱电敏感设备回路，
抵消干扰源系统通过互感耦合引入到弱电敏感设备
回路上的干扰电压，图 4 为其原理示意图。注入探
头实际上也是一个电流互感器，当注入探头卡在弱
电设备回路上时，探头中的线圈相当于互感器的一次
导线相当于互感器的一次侧，探头中的线圈相当于
互感器的二次侧，设该互感器一次侧和二次侧之间
的互感为 M1，则被测导线上交变的谐波电流 I& 在测 量探头二次侧线圈上感应的电压为 U&1 = jωM1I& ，该
感应电压经过积分环节后变为 U&百度文库 而输出到控制调
节电路，对于图 2 所示测量探头， U&测 的大小为
涛2
摘要 采用对消方法抑制互感耦合电磁干扰，为解决互感耦合电磁干扰问题提供了一种新思 路。互感耦合电磁干扰对消方法是检测强电干扰源电源线上的电流信号，经过变换处理后注入弱 电敏感设备回路，抵消强电干扰源通过互感耦合方式耦合到弱电敏感设备的噪声电压。在分析互 感耦合电磁干扰对消方法基本原理的基础上，给出了对消方法抑制互感耦合电磁干扰的实现方式 和技术途径，制作用于抑制互感耦合电磁干扰的对消装置并进行了实验验证。实验结果表明，对 消方法能够有效抑制互感耦合电磁干扰。
关键词：互感耦合 电磁干扰 对消方法 电流互感器 中图分类号：TM93
Cancellation Method to Control Mutual-Inductance Coupling EMI
Zhao Zhihua1 Zhang Xiangming1 Li Jianxuan2 Ma Weiming1 Pan Qijun1 Tao Tao1 （1. Naval University of Engineering Wuhan 430033 China
2010 年 1 月 第 25 卷第 1 期
电工技术学报
TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY
Vol.25 No. 1 Jan. 2010
互感耦合电磁干扰的对消方法
赵治华 1 张向明 2 李建轩 3 马伟明 1 潘启军 1 陶
（1. 海军工程大学舰船综合电力国防科技重点实验室 武汉 430033 2. 海军工程大学电力电子技术研究所 武汉 430033 3. 海军电磁兼容研究检测中心 上海 200235）
侧，弱电设备回路相当于互感器的二次侧，设该互感
器一次侧和二次侧之间的互感为 M2，则输入到注入 探头线圈的电流 I&注 在弱电设备回路中感应的电压为
U&d = jω M 2 I&注
= − jω M1M 2 (40 000 / RG +1)I RS RC
（5）
图 4 注入探头原理示意图
Fig.4 Schematic diagram of injection probe
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电工技术学报
2010 年 1 月
鉴于此，采用对消方法抑制互感耦合电磁干扰，对 消方法可以克服屏蔽技术与 EMI 滤波技术的不足， 有效抑制 50Hz～100kHz 频段内的互感耦合电磁干 扰，而且可以用来消除和有用信号频率接近或相同 的干扰信号。
美国、英国等西方国家对电磁干扰对消方法的 研究起步较早，但主要集中在辐射领域。在辐射领 域，对消方法在国内外已经有成功的工程应用[6-9]， 主要是用来解决通信系统的耦合噪声问题。在传导 领域，国内外也曾有过利用对消方法抑制电磁干扰 的例子，例如文献[10]提出在 PWM 逆变器输出端增 加“有源共模抵消装置”抑制共模干扰的方案，文 献 [11] 研 究 了 高 频 开 关 电 源 的 电 磁 干 扰 问 题 并 提 出 了“共模干扰反相消除技术”和“差模干扰反相抑 制技术”。但是，这些研究的主要对象是单一的逆变 器或小功率开关电源，研究内容局限于电路级传导 电磁干扰，将对消方法应用于抑制系统级传导电磁 干扰，尤其是应用于消除和抑制互感耦合电磁干扰， 国内外还没有文献报道。
电阻 RS 上的电压为
U&S
=
⎛ ⎜2 ⎝
R1 RG
+ 1⎞⎟ U& 测 ⎠
⎛ =⎜
⎝
40000 RG
+ 1⎞⎟U& 测 ⎠
（4）
式中，R1 为 AD624 的内部电阻，R1=20kΩ。从式（4） 可以看出，电压 U&S 的大小不受负载 RL 的影响，因 此 RS 上流过的电流 I&S = U&S / RS 的大小也不受负载影
对消信号注入探头可以使用自制探头，也可以
选用市售电流注入探头，如美国 Solar 公司的 9142
2 对消方法抑制互感耦合 EMI 的基本原理
图 1 为对消方法抑制互感耦合电磁干扰的原理 示意图。一个回路中的电流会在另一个回路中产生 磁通，而磁通的变化会在另一个回路中感应出噪声 电压，这就发生了互感耦合电磁干扰。例如图 1 中 大容量电力电子变流装置工作时会在弱电敏感设备 回路中感应出噪声电压
对开关工作方式的大容量电力电子设备产生的 高次谐波电流来说，ω 和 I& 都很大，因此在弱电敏 感设备回路中产生的骚扰电压 U& 可达很高的数值， 过高的 U&g 会影响弱电敏感设备的正常工作，甚至使
弱电敏感设备出现故障。互感耦合电磁干扰对消方
法的思想是检测强电干扰源电源线上的谐波电流信
号，经过处理后注入弱电敏感设备回路，并且保证 注入弱电敏感设备回路的电压信号为 U&d = − jωMI& ， 则强电干扰源在弱电设备回路中产生的总电压为 U&总 = U&g +U&d = 0 ，从而消除强电干扰源对弱电敏感
Fig.3 Control circuit
控制调节电路和测量探头的连接方法是：若测 量探头的输出电压信号与被测电流信号的相位相 反，则 AD624 的输入端与测量探头的输出端正向连
接；若测量探头的输出电压信号与被测电流信号的
相位相同，则 AD624 的输入端与测量探头的输出端
反向连接。对于图 2 所示测量探头，输出电压信号 U&测 = −M1I& /(RC) 与被测电流信号 I& 的相位相反，因 此 AD624 的输入端与测量探头的输出端正向连接。
响。若 RS 的阻值远小于 R5（10kΩ），则 R5 上流过 的电流 I&X 远小于 I&S ，可以忽略不记，则负载 RL 上 流过的电流为 I&注 ≈ I&S = (40000 / RG +1)U&测 / RS ，即为
式（3），该电流的大小受电阻 RS 控制，而不受负载
影响。
图 3 控制调节电路
设备的影响。
3 互感耦合电磁干扰对消方法的实现
互感耦合电磁干扰对消方法主要包括三个功能
模块：干扰信号测量探头、控制调节电路以及对消
信号注入探头。
干扰信号测量探头检测干扰源系统电源线上的
谐波电流信号并使之转化为电压信号，图 2 为其原
理示意图。测量探头实际上是一个带有积分环节的
电流互感器，当测量探头卡在被测导线上时，被测
路形状、电路之间距离及电路间的介
质磁性有关。
图 2 测量探头原理示意图
Fig.2 Schematic diagram of measuring probe
干扰信号测量探头可以使用自制探头，也可以 选用市售的电流测量探头，如美国泰克公司生产的 TCP303（TCP303 的测量原理与带积分环节的电流 互感器有所不同，但功能是相同的）。无论使用自制 探头还是选用市售探头，必须保证测量探头的频响 曲线在所关心的频段内是平坦的，即测量探头的转 移阻抗 Z测 = U&测 / I& 不随被测信号的频率变化而变化。
2. EMC Research and Measurement Center of Navy Shanghai 200235 China）
Abstract The cancellation method is introduced to control mutual-inductance coupling electromagnetic interference (EMI). The cancellation method is: detecting the current of the interfere source, and injecting it into the sensitive equipment circuit after treatment, which will cancel the noise voltage that coupling to the sensitive equipment circuit by mutual-inductance. The principle of cancellation method is analyzed, and then the approach of suppressing mutual-inductance coupling EMI by cancellation method is presented. An apparatus was also produced to eliminate mutual-inductance coupling EMI. The experiment result indicates that the cancellation method is an effective way of suppressing mutual-inductance coupling EMI.
第 25 卷第 1 期
赵治华等 互感耦合电磁干扰的对消方法
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控制调节电路除具有信号放大（放大倍数可调）
功能外，还应该具有电压/电流转换功能。对于测量 探头的输出电压信号，控制调节电路进行幅值放大，
并使之转化为大小不受负载影响的电流信号（这样
可以克服弱电敏感设备回路阻抗对对消效果的影
响 ）， 然 后 输 出 到 注 入 探 头 。 图 3 是 基 于 放 大 器 AD624 设计的控制调节电路，若外接电阻 RS 远小 于 10kΩ（AD624 内部电阻 R5 的阻值），则对于测量 探头的输出电压信号 U&测 ，经过控制调节电路后变 为大小不受负载影响的电流信号
Keywords：Mutual-inductance coupling, EMI, cancellation method, current transformer
1 引言
由于空间有限，现代舰船、飞机等独立系统中 强电设备的电源线与弱电设备的电源线或信号线经 常要平行放置，而且距离非常近，因此强电线路上 电力电子设备产生的高次谐波电流会通过互感耦合 的方式，在弱电设备回路中产生干扰噪声电压，影 响弱电设备的正常工作，甚至使弱电设备出现故障， 造成严重后果[1]。为了保证系统内各种设备都能正
I&注
=
⎛ ⎜ ⎝
40 000 RG
+
1⎞⎟U& ⎠
测
RS
=
−
⎛ ⎜ ⎝
40 000 RG
+
⎞ 1⎟
⎠
M1I&
RS RC
（3）
图 3 所示电路将输入电压信号转化为大小不受
负载影响的输出电流信号的原理可以结合图中
AD624 的内部结构框图进行说明：当输入信号为
U&测 时，根据放大器的虚短和虚断原理，不难得到
国家自然科学基金资助项目（50721063，50677070）。 收稿日期 2008-12-20 改稿日期 2009-06-30
常工作，需要采取合理有效的措施抑制互感耦合电 磁干扰，提高系统的电磁兼容性。
抑制电磁干扰的策略通常有屏蔽、EMI 滤波 等[2-5]，但这些方法在抑制互感耦合电磁干扰时都有 各自的应用局限和使用缺陷。屏蔽（例如使用屏蔽 电缆）可以很好地解决高频条件下的互感耦合电磁 干扰问题，但对于 100kHz 以下的互感耦合电磁干 扰来说，屏蔽电缆几乎起不到屏蔽作用。在大功率 干扰源系统中加入 EMI 滤波器会增加系统的体积、 重量和功耗，而在弱电敏感设备中加入 EMI 滤波器 无法滤除和有用信号频率接近或相同的干扰信号。