电快速瞬变脉冲群干扰源及其全链路干扰耦合路径研究

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电快速瞬变脉冲群(Electrical Fast Transient,EFT)是一种瞬态突变干扰信号,会严重危害电子系统的正常运行。目前国内外学者针对EFT的研究方法,主要分为试验测试和仿真建模。本文在分析了这两种研究方法的优缺点后,决定采用仿真建模的方法对EFT的相关问题进行研究。同时,针对目前关于EFT干扰源发生器仿真研究中面临的仿真模型精度较低的问题,以及关于EFT干扰耦合途径的仿真研究中面临的难以发现潜在干扰路径的问题,提出本文的研究目标为:建立可以准确模拟EFT干扰源发生器的仿真模型,同时建立受试设备的全链路干扰仿真模型,并在此基础上实现对EFT干扰耦合途径的全链路分析。本文首先从EFT的产生机理、干扰作用机理及其基本特点等方面对EFT基本理论做了全面的阐述。并针对IEC国际标准规定的EFT干扰源发生器电路原理图,建立了对应的数学模型。同时,介绍了IEC国际标准针对EFT抗扰度试验的规定和要求,作为后续建立EFT试验仿真平台的理论指导。其次,通过对比分析IEC标准规定的EFT波形和实际EFT发生器输出波形之间的差异,指出需要建立能模拟实际EFT发生器的EFT干扰源仿真电路模型,并基于已建立的IEC标准EFT发生器数学模型,通过引入余弦函数项,实现了对实际EFT输出波形中阻尼振荡现象的描述,从而得到了更精确的EFT干扰源发生器仿真模型。通过对比仿真波形和实际EFT发生器输出波形,验证了改进后仿真模型的正确性。同时,在电磁仿真软件CST中,建立了EFT干扰源发生器的三维设备模型,并与所得仿真波形结果相结合,实现了对实际EFT干扰源发生器设备的模拟。然后,阐述了选择矩形脉冲信号源作为EFT抗扰度模拟试验中受试设备的合理性,并分别建立了该受试设备在有/无EFT干扰时的仿真电路,通过对比矩形脉冲信号源电路在两种不同情况下的输出波形,从电路级角度说明了当EFT干扰进入受试设备内部电路时,会导致设备功能发生异常。因此,为了研究EFT干扰进入受试设备内部电路的耦合途径,又建立了矩形脉冲信号源受试设备从外部设备壳体到内部PCB再到板上电路的全链路仿真模型。最后,结合已建立的多个仿真模型,搭建了EFT抗扰度试验测试仿真平台。基于此平台,对受试设备分别从壳体表面电流、内部电路元件的瞬态电流变化以及由辐射干扰产生的磁场影响等方面进行了EFT干扰耦合路径的全链路仿真分析。同时,结合现有研究的实验测试结果,对仿真结果进行了闭环印证,说明了本文中的受试设备抗EFT干扰性能较差,需要重新进行设计和整改以提高其抗扰度性能,并依据EFT干扰信号的特性给出了对应的防护装置,通过仿真对比验证了防护装置的有效性,说明了该防护装置的加入提升了受试设备的抗干扰性能。本文所建立的EFT干扰源发生器仿真模型具有更高的精度,可以模拟出EFT脉冲的阻尼振荡特性和双极性特性,更贴合仪器厂商提供的EFT发生器输出波形,将该模型应用于EFT抗扰度试验的仿真,所得仿真结果更具有可信性。以及,本文针对EFT干扰耦合路径的研究,所采用的从受试设备壳体到内部PCB再到电路元件的全链路分析方法,可以有效发现潜在的EFT干扰传播路径,对更进一步提出抑制EFT干扰措施具有重要指导意义。
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