最新的工業(yè)革命正在將越來越多的智能機(jī)器和連接系統(tǒng)集成到工廠，這些數(shù)量眾多的設(shè)備需要和諧地在一起運(yùn)行，而不能產(chǎn)生可能破壞其它設(shè)備運(yùn)行的意外電磁干擾。鑒于這種系統(tǒng)及其執(zhí)行的任務(wù)日益復(fù)雜，任何故障和停機(jī)其后果可能會導(dǎo)致昂貴的維護(hù)成本和生產(chǎn)損失。

現(xiàn)有的電磁兼容性法規(guī)要求包括美國聯(lián)邦通信委員會 (FCC) 第 15 部分規(guī)則和條例，以及歐盟 EMC 指令 2014/30/EU。 FCC 將用于工業(yè)和居民住宅環(huán)境的設(shè)備分別分為 A 類和 B 類。雖然規(guī)則允許對某些類型的數(shù)字工業(yè)設(shè)備進(jìn)行豁免，但 FCC強(qiáng)烈建議制造商應(yīng)確保產(chǎn)品符合相應(yīng)技術(shù)規(guī)范。

歐洲機(jī)械指令 2006/42/EC 要求在歐盟銷售的機(jī)器設(shè)備必須帶有 CE 標(biāo)志，這要求需要符合適用的相關(guān)產(chǎn)品 EMC 法規(guī)。為確保合規(guī)，制造商需要參考標(biāo)準(zhǔn)中引用的規(guī)范，其中包括 IEC 61000-6-2 和 61000-6-4，它們分別定義了工業(yè)環(huán)境中使用的電氣和電子設(shè)備電磁抗擾度和發(fā)射要求。國際無線電干擾特別委員會 (CISPR) 制定了國際標(biāo)準(zhǔn) CISPR 11，該標(biāo)準(zhǔn)確定了工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療設(shè)備的發(fā)射限度和測量方法。歐洲規(guī)范 EN 55011 源自 CISPR 11，并在歐洲 EMC 指令中引用。

與安全相關(guān)的系統(tǒng)通常需要遵循更嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。 EN 62061 是功能安全通用標(biāo)準(zhǔn) IEC 61508 下的機(jī)械專用標(biāo)準(zhǔn)。在該組標(biāo)準(zhǔn)中，IEC 技術(shù)規(guī)范 IEC/TS 61000-1-2 和 IEC 61326-3-1 專門確定有關(guān)功能安全的 EMC 要求。

傳導(dǎo)和輻射干擾

干擾可以存在于各種頻率范圍內(nèi)，其中包括交流線路頻率的諧波噪聲，最高可達(dá) 2.5kHz，以及低頻噪聲和更高頻率的傳導(dǎo)和輻射噪聲。雖然低頻噪聲沒有受到監(jiān)管，但對發(fā)射和敏感性均設(shè)置了限制，包括 50/60Hz 至 2.5/3kHz 的諧波噪聲，9kHz 至 30MHz 的傳導(dǎo)射頻噪聲，以及30MHz 至 3GHz 的輻射噪聲。

國際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了這些頻率范圍內(nèi)的最大允許噪聲。圖 1 說明了 EN 55011/CISPR 11 中規(guī)定的 150kHz 至 30MHz 傳導(dǎo)噪聲最高限值。

開關(guān)模式電源、開關(guān)型 DC/DC 轉(zhuǎn)換器、電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器等電子模塊可以集成到機(jī)床、自動(dòng)化和搬運(yùn)系統(tǒng)和機(jī)器人等工業(yè)設(shè)備，對其功能至關(guān)重要，但通常也是電磁噪聲的主要來源。這些模塊可能由設(shè)備制造商自己設(shè)計(jì)和制造，也可能來自外部供應(yīng)商。根據(jù)歐洲法規(guī)要求，來自外部供應(yīng)商的器件可能不符合 EMC 標(biāo)準(zhǔn)。通常情況下，如果它們是供設(shè)備制造商或系統(tǒng)集成商使用，則制造商或集成商必須負(fù)責(zé)確保系統(tǒng)整體的 EMC 合規(guī)性。

適用于變頻驅(qū)動(dòng)器 (VFD) 的一些法規(guī)可能有助于說明這一點(diǎn)。EMC 產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn) IEC 61800-3 中涵蓋了工業(yè) VFD。確保 EMC 合規(guī)性的責(zé)任則取決于該設(shè)備是作為完整驅(qū)動(dòng)模塊 (CDM) 還是作為基本驅(qū)動(dòng)模塊 (BDM) 來銷售。基本驅(qū)動(dòng)模塊通常需要大量額外的工程努力才能與成品集成。在這種情況下，使用 這些BDM 的設(shè)備制造商或系統(tǒng)集成商需要進(jìn)行產(chǎn)品批準(zhǔn)程序，包括 EMC 測試和成品設(shè)備的合規(guī)性聲明。另一方面，對于缺乏實(shí)施 EMC合規(guī)專業(yè)知識的用戶而言，可以合理地要求提供完整驅(qū)動(dòng)模塊給自己使用，因此 CDM 供應(yīng)商必須對 EMC 合規(guī)性負(fù)責(zé)。

濾波器

防止設(shè)備受電磁干擾或者發(fā)出電磁干擾的常用方法是使用濾波器，用于部署在適當(dāng)位置（例如電源輸入和輸出線路）以減低那些不需要頻率的信號。這些濾波器通常包括一些無源組件，它們能夠用于在調(diào)節(jié)范圍內(nèi)的任何特定頻率上最大程度地衰減噪聲信號的幅度。

如圖 2(a) 所示，為一個(gè)三相電機(jī)和其中的驅(qū)動(dòng)設(shè)備在某些頻率范圍內(nèi)可能會產(chǎn)生過多噪聲的示例?？梢砸胍粋€(gè)高通濾波器來衰減從4MHz 頻率開始的噪聲信號，從而將發(fā)射的噪聲降低到整個(gè)頻率范圍內(nèi)規(guī)定的最大值以下，如圖 2(b) 所示。

開關(guān)模式電源通常會在與開關(guān)相關(guān)的頻率上產(chǎn)生顯著噪聲，開關(guān)頻率通常在 100kHz 至 400kHz 范圍內(nèi)，而噪聲存在于開關(guān)頻率的基波和諧波中，并且可以覆蓋從 10kHz 到 50MHz 的寬泛頻譜。開關(guān)會產(chǎn)生電流和電壓瞬態(tài)，電壓瞬態(tài)（高 dV/dt）傾向于通過電容耦合，而電流瞬態(tài)（高 di/dt）則通過磁性元件耦合。其他電源噪聲源還包括由橋式整流器引起的差分模式噪聲。

電力線濾波器通常用于防止噪聲通過主電源線進(jìn)入或離開設(shè)備。這種類型濾波器結(jié)合了 X 和 Y電容器來衰減差分和共模噪聲，以及共模電感器，如圖 3 所示。共模電感器包括兩個(gè)線圈，但纏繞在一個(gè)磁芯上，從而導(dǎo)致共模電流以相反方向流動(dòng)，以產(chǎn)生大小相等但方向相反的磁通量，從而消除共模噪聲。

X 和 Y 電容器是一種特殊類型的盒式電容器，專門設(shè)計(jì)用于市電供電設(shè)備。通常，X 電容器部署在跨線（相到相或相到中性線）位置，Y 電容器從相到地連接，如圖所示。因此，兩個(gè)電容器之間的短路，尤其是 Y 電容器，可能導(dǎo)致災(zāi)難性故障，應(yīng)不惜一切代價(jià)加以避免。這些電容器可減弱進(jìn)入設(shè)備的噪聲，并防止電源產(chǎn)生的電磁噪聲傳導(dǎo)回交流線路。

X 和 Y 電容器需要能夠承受遠(yuǎn)高于標(biāo)稱電源電壓的外加電壓，以及由雷擊等事件導(dǎo)致的高電壓、短時(shí)瞬態(tài)等。這種可承受高壓瞬態(tài)的能力使 EMI 電容器得名為：安規(guī)電容器。它們還必須能夠在高溫和高濕等惡劣環(huán)境條件下以及整個(gè)工作電壓范圍內(nèi)確保穩(wěn)定的安全性和濾波機(jī)制。聚丙烯薄膜電容器的特性使這些器件成為用作 X 和 Y 濾波電容器的上佳選項(xiàng)，它們相對較低的成本和自愈特性明顯降低了短路發(fā)生的可能性，并確保器件在較長時(shí)間內(nèi)保持其電容。

電容器選擇

KEMET 的 F862-V054 和 R52P 金屬化聚丙烯薄膜 X2 電容器以及 R41T Y 電容器能夠應(yīng)用于嚴(yán)苛環(huán)境，因此適合于工業(yè)應(yīng)用。此三款產(chǎn)品均達(dá)到 AEC–Q200汽車行業(yè)認(rèn)證要求，還符合 IEC603814-14（IIB 和 IIIB 級），完全可以確認(rèn)其在嚴(yán)苛環(huán)境條件下可靠運(yùn)行的能力。 R41T 系列可用于 Y2 和 X1“線對地”和“跨線”連接，特別適用于電容器故障可能導(dǎo)致電擊危險(xiǎn)的情況（參見圖 4）。

要選擇合適的電容器，重要的是要考慮組件隨時(shí)間的性能退化，以確保在組件在預(yù)期壽命結(jié)束時(shí)仍保持足夠的電容。組件運(yùn)行時(shí)所處的溫度、濕度和偏壓 (THB) 等影響會導(dǎo)致組件在整個(gè)使用壽命期間出現(xiàn)電容損失。僅僅通過數(shù)據(jù)表信息很難計(jì)算出這些損耗，為此，KEMET 創(chuàng)建了預(yù)期壽命模型 (K-LEM) ，以幫助客戶進(jìn)行準(zhǔn)確評估，并在 KEMET 工程中心（KEMET Engineering Center）網(wǎng)站上發(fā)布了市場首創(chuàng)的薄膜電容器壽命計(jì)算器（圖 5）。

使用扼流圈抑制傳導(dǎo)輻射

根據(jù)磁芯材料選擇合適的扼流圈將有助于微調(diào)扼流圈基于頻率的阻抗（或插入損耗），這可專門用于減少在不需要頻率下的傳導(dǎo)噪聲，或根據(jù)適用的傳導(dǎo)和輻射發(fā)射 EMI 規(guī)范，在某些頻率下，其噪聲超過設(shè)定限制值。這種扼流圈還有助于系統(tǒng)更能夠免受外部傳導(dǎo)干擾（主要是電流瞬態(tài)）影響（傳導(dǎo)抗擾度），這種外部傳導(dǎo)干擾可能會干擾并損壞內(nèi)部電子模塊。

通過扼流圈的電流將直接影響扼流圈的厚度，以及由于飽和效應(yīng)導(dǎo)致的磁芯厚度。每種磁芯材料都有自己的特征阻抗，具體取決于頻率和飽和特性以及電流。因此，多種多樣的磁性材料對于讓設(shè)計(jì)工程師選擇滿足其要求的具體解決方案非常重要。

KEMET能夠提供共模扼流圈（1、2 和 3 相）、差模扼流圈和雙模扼流圈的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品。雙模扼流圈是具有額外磁路（或磁鼻）的共模扼流圈，可產(chǎn)生足夠的寄生電感，從而在共模扼流圈內(nèi)提供差模阻抗。因此，對于某些應(yīng)用，一個(gè)雙模扼流圈可以有效地替代兩個(gè)不同的扼流圈。

此外，KEMET 還使用特殊的外殼和繞組技術(shù)，通過減少寄生電容來提高諧振頻率點(diǎn)，進(jìn)一步優(yōu)化熱性能和頻率覆蓋范圍。

抑制輻射影響

為了抑制設(shè)備接收到或者發(fā)出的較高調(diào)節(jié)頻率輻射干擾，可能還需要添加適當(dāng)放置的電磁屏蔽組件，這種屏蔽組件可以是一個(gè)磁性組件，在早期設(shè)計(jì)中集成到設(shè)備。另一方面，輻射干擾問題可能出現(xiàn)在開發(fā)的后期，而此時(shí)重新設(shè)計(jì)可能不切實(shí)際或代價(jià)太高。在這種情況下，KEMET 的 Flex Suppressor? 系列等靈活的 EMI 吸收材料可以提供快速而直接的解決方案。這些材料包括軟磁合金和聚合物粘合劑等復(fù)合材料，帶有粘合劑背襯和可選的保護(hù)涂層。這些薄片在降低GHz 頻率范圍（UHF 和 SHF 射頻范圍）內(nèi)的噪聲時(shí)特別有效。對于 VHF 和 UHF 頻率范圍，由不同磁芯材料制成的 EMI 磁芯與不同數(shù)量的導(dǎo)線匝數(shù)相結(jié)合，可以在輻射頻譜中幫助達(dá)到滿意的插入損耗。

結(jié)論

在工業(yè)領(lǐng)域，設(shè)備制造商、系統(tǒng)集成商以及電源（PSU）或驅(qū)動(dòng)器供應(yīng)商需要了解他們在 EMC 測試和產(chǎn)品一致性方面需要擔(dān)負(fù)的責(zé)任，許多已經(jīng)確定的法規(guī)詳細(xì)說明了標(biāo)準(zhǔn)和所適用的測試要求。通過在電源線等位置增加合適的濾波器，可衰減高達(dá) 30 MHz 的傳導(dǎo)噪聲，聚丙烯薄膜 X 和 Y 電容器以及磁扼流圈通常可用于這些應(yīng)用。此外，還需要能夠處理頻率高于 30MHz 輻射噪聲源的解決方案，特殊的抑制材料能夠有效吸收來自不需要頻率的能量，并且可以在開發(fā)過程中任何階段使用。