(2)电磁干扰抑制--电磁干扰源

1、电磁干扰防护与电磁兼容设计电磁干扰防护与电磁兼容设计 电磁干扰源电磁干扰源电磁噪声电磁噪声 电磁驱动与控制研究所电磁驱动与控制研究所 目录目录 自然干扰源自然干扰源 人为干扰源人为干扰源 电磁干扰源电磁干扰源电磁噪声电磁噪声 由于构成电磁干扰有三个要素，即：由于构成电磁干扰有三个要素，即： 干扰源（噪声）干扰源（噪声） 噪声的耦合途径噪声的耦合途径 噪声接收器（被干扰设备）噪声接收器（被干扰设备） 因此，电磁兼容设计的任务概括起来说就是：因此，电磁兼容设计的任务概括起来说就是： 削弱干扰源的能量削弱干扰源的能量 隔离或减弱噪声耦合的途径隔离或减弱噪声耦合的途径 提高设备对电磁干扰的抵抗能力。提

2、高设备对电磁干扰的抵抗能力。 电磁噪声的一般分类电磁噪声的一般分类 电磁干扰源电磁干扰源-电磁噪声电磁噪声 电磁干扰源的分类电磁干扰源的分类 有意干扰有意干扰 无意干扰无意干扰 按其来源按其来源 自然干扰源自然干扰源 人为干扰源人为干扰源 干扰时域、频域干扰时域、频域 特征特征 连续干扰连续干扰 瞬态干扰瞬态干扰 耦合方式耦合方式 传导干扰传导干扰 辐射干扰辐射干扰 干扰战的重要手段干扰战的重要手段 干扰功能干扰功能 是指由于大自然现象所造成的各是指由于大自然现象所造成的各 种电磁噪声。他们主要包括大气种电磁噪声。他们主要包括大气 层噪声，如雷电，太阳异常电磁层噪声，如雷电，太阳异常电磁 辐射

3、及来自宇宙的电磁辐射噪声辐射及来自宇宙的电磁辐射噪声 等等 电磁干扰源电磁干扰源电磁噪声电磁噪声 电磁噪声的一般分类电磁噪声的一般分类 电磁干扰源电磁干扰源电磁噪声电磁噪声 有意干扰有意干扰 美国美国“徘徊者徘徊者”干扰机干扰机 干干 扰扰 功功 能能 有意干扰有意干扰 无意干扰无意干扰 干扰战的重要手段干扰战的重要手段 电磁干扰和电磁兼容主要电磁干扰和电磁兼容主要 是指无意电磁干扰和在实际工是指无意电磁干扰和在实际工 作现场的电磁兼容作现场的电磁兼容 最常见的自然电磁干扰源：大气层噪声、雷电、最常见的自然电磁干扰源：大气层噪声、雷电、 太阳异常电磁辐射以及来自宇宙的电磁辐射噪声太阳异常电磁辐

4、射以及来自宇宙的电磁辐射噪声 典型的严重雷击电流波形图典型的严重雷击电流波形图 离离100KA雷击点雷击点4公里处，平均电流和开路电压波形图公里处，平均电流和开路电压波形图 闪击电流很大，最大可达兆安培量级，电流的上升时间为微秒量级闪击电流很大，最大可达兆安培量级，电流的上升时间为微秒量级 持续时间可达几个毫秒至几秒，它所辐射的电磁场频率范围大致为持续时间可达几个毫秒至几秒，它所辐射的电磁场频率范围大致为 10HZ-300kHZ,主频在主频在数千赫兹数千赫兹。 虽然雷击直接破坏范围小只有几平方米或几虽然雷击直接破坏范围小只有几平方米或几 十平方米，但是它的电磁干扰，却能传播到十平方米，但是它的

5、电磁干扰，却能传播到 很远的地方很远的地方 甬温线特大交通事故甬温线特大交通事故 电磁干扰源电磁干扰源电磁噪声电磁噪声 自然电磁干扰自然电磁干扰 其他的自然干扰源：其他的自然干扰源： 太阳异常电磁辐射噪声太阳异常电磁辐射噪声 太阳黑子发射出的噪声和太阳黑子增加或活动激烈时产生的磁暴太阳黑子发射出的噪声和太阳黑子增加或活动激烈时产生的磁暴 其干扰信号的频谱通常在数十兆赫兹范围其干扰信号的频谱通常在数十兆赫兹范围 宇宙辐射干扰源宇宙辐射干扰源 宇宙辐射干扰源源于银河系及超远星系的高能粒子运动和银河系恒星体上宇宙辐射干扰源源于银河系及超远星系的高能粒子运动和银河系恒星体上 的爆炸现象引起的电磁噪声，

6、其干扰信号的频谱通常在数十兆赫兹到数万的爆炸现象引起的电磁噪声，其干扰信号的频谱通常在数十兆赫兹到数万 赫兹的范围赫兹的范围 基于上述这些自然电磁干扰源的特点，以上两种干基于上述这些自然电磁干扰源的特点，以上两种干 扰主要影响宇航，通讯，信息图像信号处理等有关的军扰主要影响宇航，通讯，信息图像信号处理等有关的军 用电子设备。对于工业、民用大部分电气及电力电子设用电子设备。对于工业、民用大部分电气及电力电子设 备而言，我们需要着重考虑的自然电磁干扰源应该是雷备而言，我们需要着重考虑的自然电磁干扰源应该是雷 电干扰。电干扰。 电磁干扰源电磁干扰源电磁噪声电磁噪声 自然电磁干扰自然电磁干扰 电磁干扰

7、源电磁干扰源电磁噪声电磁噪声 人为电磁干扰人为电磁干扰 人为电磁干扰源来源于各种电气设备，涉及的范围十分人为电磁干扰源来源于各种电气设备，涉及的范围十分 广泛。根据这些干扰源的物理性质，可大致分为五大类：广泛。根据这些干扰源的物理性质，可大致分为五大类： 人为干扰源人为干扰源 放电噪声放电噪声 电磁感应噪声电磁感应噪声 半导体器件开关过程和变流电路引起的噪声半导体器件开关过程和变流电路引起的噪声 元器件的固有噪声元器件的固有噪声 物理或化学噪声源物理或化学噪声源 电磁干扰源电磁干扰源电磁噪声电磁噪声 元器件的固有噪声元器件的固有噪声 元器件的固有噪声元器件的固有噪声 元器件的固有噪声元器件的固

8、有噪声 1)热噪热噪 Thernal Noise 2)散粒噪声散粒噪声 Shot Noise 3)接触噪声接触噪声 Contact Noise 4)爆米花噪声爆米花噪声 Popcorn Noise 在处理微信号为主以信号变换为主的通讯，宇航，遥感遥测，图像信息处理，生在处理微信号为主以信号变换为主的通讯，宇航，遥感遥测，图像信息处理，生 物等工程应用中，具有十分重要的影响。但在以处理能量转换的电力电子应用中，并物等工程应用中，具有十分重要的影响。但在以处理能量转换的电力电子应用中，并 不十分重要。不十分重要。 1）电阻的热噪声）电阻的热噪声 电阻热噪声源于电阻器发热而引起的电子热骚动，它又称为

9、电阻热噪声源于电阻器发热而引起的电子热骚动，它又称为 Johnson噪声。用示波器观察，它变现为包噪声噪声。用示波器观察，它变现为包噪声 电磁干扰源电磁干扰源电磁噪声电磁噪声 元器件的固有噪声元器件的固有噪声 1)电阻热噪声电阻热噪声 电阻热噪声源于电阻器发热而引起的电子热躁动。用示波器观察，它表现为白电阻热噪声源于电阻器发热而引起的电子热躁动。用示波器观察，它表现为白 噪声波形。噪声波形。 所有所有频率频率具有相同具有相同能量能量密度的随机噪声称为白噪声。密度的随机噪声称为白噪声。 电阻器上产生的开路噪声电压（有效值）为电阻器上产生的开路噪声电压（有效值）为: KTBRU4 r 其中其中 K

10、 -波尔茨曼常数波尔茨曼常数 T -绝对温度（绝对温度（K） B -被分析系统（电路）的等效噪声宽带或系统等效电压增益平方带宽被分析系统（电路）的等效噪声宽带或系统等效电压增益平方带宽 HZ R -电阻器的阻值，（电阻器的阻值，（） KJ/1038.1 23- 电磁干扰源电磁干扰源电磁噪声电磁噪声 元器件的固有噪声元器件的固有噪声 以一个低通电路为例，其实际电压增量平方特性及等效噪声宽带如图所示以一个低通电路为例，其实际电压增量平方特性及等效噪声宽带如图所示 其中：其中： 0 2 2 0 dt)f( 1 A A B 低通电路实际的及等效的噪声带宽低通电路实际的及等效的噪声带宽电阻热噪声的等效电

11、路电阻热噪声的等效电路 在电路分析中，热噪声可用电压源或电流在电路分析中，热噪声可用电压源或电流 源等效电路表示。源等效电路表示。 电磁干扰源电磁干扰源电磁噪声电磁噪声 元器件的固有噪声元器件的固有噪声 虽然电阻热噪声的有效值噪声电压具有明确的定义，但是虽然电阻热噪声的有效值噪声电压具有明确的定义，但是 由于它是随机的白噪声信号，它的瞬时值只能用几率加以定由于它是随机的白噪声信号，它的瞬时值只能用几率加以定 义。热噪声的瞬时值具有高斯分布的特征。下图是电阻热噪义。热噪声的瞬时值具有高斯分布的特征。下图是电阻热噪 声的几率密度函数分布图。声的几率密度函数分布图。 电阻热噪声的高斯正态几率密度函数

12、分布图电阻热噪声的高斯正态几率密度函数分布图 电磁干扰源电磁干扰源电磁噪声电磁噪声 元器件的固有噪声元器件的固有噪声 2）散粒噪声）散粒噪声 散粒噪声是电流流过势垒而产生的噪声。它主要存在于电子管和半导体器件中。在电子管中，散粒噪声是电流流过势垒而产生的噪声。它主要存在于电子管和半导体器件中。在电子管中， 热阴极电子发射存在着随机性。在半导体器件中，载流子越过壁垒的扩散电流和漂移电流以及在热阴极电子发射存在着随机性。在半导体器件中，载流子越过壁垒的扩散电流和漂移电流以及在 长基区中电子空穴对的产生和复合过程也是随机的。这些载流子的随机性造成了电流的随机波动长基区中电子空穴对的产生和复合过程也是

13、随机的。这些载流子的随机性造成了电流的随机波动 散粒噪声电流的有效值定义为：散粒噪声电流的有效值定义为： BII DCSH q2 其中：其中：q - 电子电荷（电子电荷（ ） -流过器件的直流电流（流过器件的直流电流（A） B -噪声带宽，（噪声带宽，（HZ） 这种噪声与前述电阻热噪声相似，它的功率密度与频率无关，其幅度呈高斯分布。从上式可得这种噪声与前述电阻热噪声相似，它的功率密度与频率无关，其幅度呈高斯分布。从上式可得 DC SH I B I 10 DC 1066.5qI2 因此，通过测量流过器件的直流电流，就可以很方便的计算出这种噪声因此，通过测量流过器件的直流电流，就可以很方便的计算出

14、这种噪声 DC I C 19- 106.1 电磁干扰源电磁干扰源电磁噪声电磁噪声 元器件的固有噪声元器件的固有噪声 3）接触噪声）接触噪声 两导体接触时，两导体接触时，接触不良造成的电导率的波动接触不良造成的电导率的波动将会造成接触噪声。很显然，它在于两块导将会造成接触噪声。很显然，它在于两块导 体相接触的任何场合，例如：继电器和开关的触头，晶体管和集成电路芯片电极引出部分，体相接触的任何场合，例如：继电器和开关的触头，晶体管和集成电路芯片电极引出部分， 合成电阻，碳质麦克风等。合成电阻，碳质麦克风等。 接触噪声，在电阻器中又称为剩余噪声（接触噪声，在电阻器中又称为剩余噪声（Excess No

15、sie），在电子管中常称为闪烁噪），在电子管中常称为闪烁噪 声（声（Flicker Noise），在半导体器件中，由于它独特的频率特性，又称为），在半导体器件中，由于它独特的频率特性，又称为1/f噪声，噪声， 或者低频噪声。因为频率很低的时候，该噪声具有下述的频率特性：或者低频噪声。因为频率很低的时候，该噪声具有下述的频率特性： f kI B I DC f 其中，其中， -通过其间直流电流的平均值（通过其间直流电流的平均值（A） f -频率，（频率，（HZ） k -与材料及电极几何形状有关的常数与材料及电极几何形状有关的常数 B -频率频率f为中心的频带，（为中心的频带，（HZ） DC I 电

16、磁干扰源电磁干扰源电磁噪声电磁噪声 元器件的固有噪声元器件的固有噪声 4）爆米花噪声）爆米花噪声 电磁干扰源电磁干扰源电磁噪声电磁噪声 物理或化学噪声物理或化学噪声 物理或化学噪声源物理或化学噪声源 1）原电池噪声）原电池噪声 众所周知，如果将两块不同的金属互相接触，并且其间隙中存在着潮气众所周知，如果将两块不同的金属互相接触，并且其间隙中存在着潮气 和水的话，则它们会构成一个化学湿电池系统。该电池的端电压大小取决于和水的话，则它们会构成一个化学湿电池系统。该电池的端电压大小取决于 两块金属材料及它们在原电池序列表中的位置。两块金属材料及它们在原电池序列表中的位置。 这里我们对原电池噪声举一个

17、例子：最不理想但又最常见到的情况，是这里我们对原电池噪声举一个例子：最不理想但又最常见到的情况，是 人们常常采用铝和铜这样的金属组合，结果是铝将会被腐蚀掉。如果在铜板人们常常采用铝和铜这样的金属组合，结果是铝将会被腐蚀掉。如果在铜板 上再涂一层铅上再涂一层铅- -锌焊料，由于铝和铅锌焊料，由于铝和铅- -锌焊料在原电池表中位置比较接近，由锌焊料在原电池表中位置比较接近，由 原电池效应造成的腐蚀将大大缓解。原电池效应造成的腐蚀将大大缓解。 常见的铝铜合金常见的铝铜合金 电磁干扰源电磁干扰源电磁噪声电磁噪声 物理或化学噪声物理或化学噪声 物理或化学噪声源物理或化学噪声源 1）原电池噪声）原电池噪声

18、 第一组第一组1 锰锰2 锌锌 3 镀锌钢镀锌钢 第二组4 铝2S 8 铁 5 镉 9 不锈钢 6 铝 17ST 10 7 钢 第三组10 铅锌焊料 13 镍（未钝化） 11 铅 14 黄铜（青铜） 12 锡 15 铜 16 黄铜 第四组17 铜-镍合金 21 不锈钢（钝化） 18 Monel19 银焊料20 镍（钝化） 第五组23 石墨24 金25 铂 原电池序列表原电池序列表 金属可分为五组，最好采用同一组的两种金属，因为两种不同的金属在表中的位置离金属可分为五组，最好采用同一组的两种金属，因为两种不同的金属在表中的位置离 开的越远，原电池产生的电压越高，原电池的效应的影响越严重开的越远，

19、原电池产生的电压越高，原电池的效应的影响越严重 。原电池效应除产生。原电池效应除产生 噪声电压外，还会带来金属的腐蚀。噪声电压外，还会带来金属的腐蚀。 电磁干扰源电磁干扰源电磁噪声电磁噪声 物理或化学噪声物理或化学噪声 2）电解噪声）电解噪声 两块相同的金属互相接触，当接触面间存在电解液，并且流过直流电流时，将产两块相同的金属互相接触，当接触面间存在电解液，并且流过直流电流时，将产 生电解反应。结果在产生电解噪声的同时，也会造成金属的腐蚀，腐蚀率则取决于流生电解反应。结果在产生电解噪声的同时，也会造成金属的腐蚀，腐蚀率则取决于流 过电流的大小和电解液的导电率。很显然，这种电解效应主要造成金属腐

20、蚀和损害，过电流的大小和电解液的导电率。很显然，这种电解效应主要造成金属腐蚀和损害， 特别在大功率电力电子装置中，由于广泛采用流过大电流的接线排，设备的工作环境特别在大功率电力电子装置中，由于广泛采用流过大电流的接线排，设备的工作环境 通常比较恶劣，上述电解效应是不容忽视的。通常比较恶劣，上述电解效应是不容忽视的。 3）摩擦及导线移动造成的噪声）摩擦及导线移动造成的噪声 通常，导线中的金属芯线与其绝缘外套不可能保持固定的紧密接触，以通常，导线中的金属芯线与其绝缘外套不可能保持固定的紧密接触，以 致当弯曲电缆线时，两者相互摩擦会产生感应电荷，造成摩擦噪声，它的表致当弯曲电缆线时，两者相互摩擦会产

21、生感应电荷，造成摩擦噪声，它的表 现形式也是随机的。减小这种噪声的方法，是避免电缆过度的弯曲或采用特现形式也是随机的。减小这种噪声的方法，是避免电缆过度的弯曲或采用特 殊的化学处理，使绝缘介质上产生电荷的可能性大大减小。殊的化学处理，使绝缘介质上产生电荷的可能性大大减小。 此外，当一根导线在磁场中移动时，因切割磁力线会在导线两端产生感应此外，当一根导线在磁场中移动时，因切割磁力线会在导线两端产生感应 电压，通常，电压，通常，电源线和大功率电力电子装置功率回路导线中常流过较大的电电源线和大功率电力电子装置功率回路导线中常流过较大的电 流，所以它的周围空间里存在着相当强的杂散磁场。如果低电平的信号

22、线移流，所以它的周围空间里存在着相当强的杂散磁场。如果低电平的信号线移 动的时候，就必然会因之产生感应干扰信号，这种干扰在存在着强烈机械震动的时候，就必然会因之产生感应干扰信号，这种干扰在存在着强烈机械震 动的装置上表现的很突出。动的装置上表现的很突出。 钻井平台，电动汽车等等钻井平台，电动汽车等等 电磁干扰源电磁干扰源电磁噪声电磁噪声 放电噪声放电噪声 放电噪声放电噪声 这类干扰源的共同特征是它们起源于放电（这类干扰源的共同特征是它们起源于放电（Discharging）过程）过程 在一个大气压的空气中，曲率半径较小的两电极之间加上电压，当电压慢慢升高时，最初在一个大气压的空气中，曲率半径较小

23、的两电极之间加上电压，当电压慢慢升高时，最初 电流很小（称之为暗流），但是，当电极的尖端因局部电场强度达到空气电离的临界值时电流很小（称之为暗流），但是，当电极的尖端因局部电场强度达到空气电离的临界值时 气体电离，满足以下气体击穿条件：气体电离，满足以下气体击穿条件： 式中，式中，d是两电极之间的距离；是两电极之间的距离； 为一个电子沿着阴极向阳极方向运动单位路程时与气体为一个电子沿着阴极向阳极方向运动单位路程时与气体 原子碰撞所产生的电离次数。原子碰撞所产生的电离次数。 为一个正离子轰击阴极表面时从阴极溢出的二次电子数。为一个正离子轰击阴极表面时从阴极溢出的二次电子数。 上式表明，阴极的一个

24、电子在飞向阳极的过程中共产生上式表明，阴极的一个电子在飞向阳极的过程中共产生 次电离碰撞，次电离碰撞， 因而产生同样数目的正离子，这些电子的数目仍为因而产生同样数目的正离子，这些电子的数目仍为1。这样就保持了放电的自持。这样就保持了放电的自持 特性。特性。 )1( 0 d dx e 0 (1)1 d dx e 电磁干扰源电磁干扰源电磁噪声电磁噪声 放电噪声放电噪声 放电噪声放电噪声 开始时，在该尖端附近产生电晕放电（正常辉光放电段开始时，在该尖端附近产生电晕放电（正常辉光放电段CD），若电压继续加高，则继而形成火），若电压继续加高，则继而形成火 花放电（异常辉光放电段花放电（异常辉光放电段DE

25、）,最后过度到弧光放电（最后过度到弧光放电（F段）。气体放电的全段）。气体放电的全V-I放电特性放电特性 一个大气压的空气中气体放电的全一个大气压的空气中气体放电的全V-I特性示意图特性示意图 在放电过程中，属于在放电过程中，属于 持续放电的有电晕放持续放电的有电晕放 电和弧光放电。属于电和弧光放电。属于 瞬态放电的有静电放瞬态放电的有静电放 电和电火花放电。伴电和电火花放电。伴 随着上述这些放电过随着上述这些放电过 程产生的放电噪声，程产生的放电噪声， 通常均会产生通常均会产生 电磁干电磁干 扰，有时对电路、装扰，有时对电路、装 置置 会造成危害。会造成危害。 电磁干扰源电磁干扰源电磁噪声电

26、磁噪声 (1)静电放电静电放电 （Electrostatic Discharge -ESD） 静电早为人们所知，并被广泛的应用于静电复印，静电除尘，静电喷涂等许多场合。可静电早为人们所知，并被广泛的应用于静电复印，静电除尘，静电喷涂等许多场合。可 是，未经过控制的静电放电是，未经过控制的静电放电ESD，自，自60年代以来，已经日益成为一个对电子工业造成危害的年代以来，已经日益成为一个对电子工业造成危害的 重要干扰源。重要干扰源。 静电的产生：两种材料相静电的产生：两种材料相 互摩擦和紧随着分离会产互摩擦和紧随着分离会产 生静电（摩擦效应）生静电（摩擦效应） 静电放电的大小不但与静电放电的大小不

27、但与 电子亲和力有关，同时电子亲和力有关，同时 也与材料表面的清洁度，也与材料表面的清洁度， 接触压力，分离时间等接触压力，分离时间等 有关系有关系 放电噪声放电噪声 按照材料电子亲和力的次序列出一些典型的材料的摩按照材料电子亲和力的次序列出一些典型的材料的摩 擦顺序列表。处于顶端的材料易于失去电子而生成正擦顺序列表。处于顶端的材料易于失去电子而生成正 电，处于底端的材料则易于获得电子而带负电。电，处于底端的材料则易于获得电子而带负电。 电磁干扰源电磁干扰源电磁噪声电磁噪声放电噪声放电噪声 典型的静电电压举例：典型的静电电压举例： 由以上的例子了解，在一块绝缘体上建立的静电电压有时可以高达几千

28、至由以上的例子了解，在一块绝缘体上建立的静电电压有时可以高达几千至 几万伏。因为它上面的电荷不能自由移动，所以不可能引起静电放电而直几万伏。因为它上面的电荷不能自由移动，所以不可能引起静电放电而直 接带来什么问题。可是，真正的危险在于该绝缘体的高电位会在附近的导接带来什么问题。可是，真正的危险在于该绝缘体的高电位会在附近的导 体（金属，碳棒，人体等）上产生感应电荷，而导致静电放电。体（金属，碳棒，人体等）上产生感应电荷，而导致静电放电。 电磁干扰源电磁干扰源电磁噪声电磁噪声放电噪声放电噪声 以主要静电感应干扰源之一，人的身体为例，图中绝缘体以主要静电感应干扰源之一，人的身体为例，图中绝缘体I可

29、以是人的衣可以是人的衣 服，鞋，袜等物体，也可以是人体的皮肤。服，鞋，袜等物体，也可以是人体的皮肤。 静电感应的过程静电感应的过程 静电感应：带电绝缘体静电感应：带电绝缘体I 产生的静电场产生的静电场 在附近的在附近的O产生感应电荷产生感应电荷正负电荷正负电荷 物体物体O瞬时接地，电子导入大地瞬时接地，电子导入大地 静电感应的结果使物体静电感应的结果使物体O上积累了一定的静电电荷上积累了一定的静电电荷 电磁干扰源电磁干扰源电磁噪声电磁噪声放电噪声放电噪声 人体的等效电容和电阻如图所人体的等效电容和电阻如图所 示，其中示，其中 为等效人体电容，为等效人体电容， 它的大小取决于人体与周围环它的大小

30、取决于人体与周围环 境条件，其值在境条件，其值在 之之 间，间， 为等效人体电阻，它与为等效人体电阻，它与 人身体产生静电放电的具体部人身体产生静电放电的具体部 位有关，其大小在位有关，其大小在 之间，等效电感用以等效放电之间，等效电感用以等效放电 电流的上升时间，通常取电流的上升时间，通常取0.1 以下，以下， 用以等效人体因静电用以等效人体因静电 感应积累的等效电荷效应，其感应积累的等效电荷效应，其 数值在数值在020kv之间。之间。 在工业部门常用的人体静电放在工业部门常用的人体静电放 电模型中，等效存储能量视具电模型中，等效存储能量视具 体情况。体情况。 人体的等效电容和电阻人体的等效

31、电容和电阻 b C pF25050 b R k10500 电磁干扰源电磁干扰源电磁噪声电磁噪声 放电噪声放电噪声 显然，如果人体接触一块电路板或电子装置的某一部分时，就可能造成静电放电。显然，如果人体接触一块电路板或电子装置的某一部分时，就可能造成静电放电。 3500V时，静电放电电流可能不一定为人们感觉到，但一些现代场控器件，甚时，静电放电电流可能不一定为人们感觉到，但一些现代场控器件，甚 至因为几百伏的静电放电就可能损坏。下表表示了一些常见半导体器件的静电放至因为几百伏的静电放电就可能损坏。下表表示了一些常见半导体器件的静电放 电损坏电压参考值，供同学们学习参考。电损坏电压参考值，供同学们

32、学习参考。 26 电力晶体管电力晶体管 n电力晶体管（Giant TransistorGTR，直译为巨型 晶体管） 。 n耐高电压、大电流的双极结型晶体管（Bipolar Junction TransistorBJT），英文有时候也称为 Power BJT。 n 应用应用 n20世纪80年代以来，在中、小功率范围内取代晶闸管 ，但目前又大多被IGBT和电力MOSFET取代。 术语用法术语用法： 电磁干扰源电磁干扰源电磁噪声电磁噪声放电噪声放电噪声 27 电力晶体管电力晶体管 1）GTR的结构和工作原理的结构和工作原理 图图1-15 GTR的结构、电气图形符号和内部载流子的流动的结构、电气图形符

33、号和内部载流子的流动 a) 内部结构断面示意图内部结构断面示意图 b) 电气图形符号电气图形符号 c) 内部载流子的流动内部载流子的流动 电磁干扰源电磁干扰源电磁噪声电磁噪声放电噪声放电噪声 电力晶体管电力晶体管 n 在应用中，GTR一般采用共发射极接法。 n 集电极电流ic与基极电流ib之比为 GTR的电流放大系数电流放大系数，反映了基极电流对集电极电流的控 制能力 。 n 当考虑到集电极和发射极间的漏电流Iceo时，ic和ib的关 系为 ic= ib +Iceo n 单管GTR的 值比小功率的晶体管小得多，通常为10 左右，采用达林顿接法可有效增大电流增益。 b c i i 空穴流空穴流

34、电电 子子 流流 c) Eb Ec ib ic= ib ie=(1+ ) )ib 1）GTR的结构和工作原理的结构和工作原理 电磁干扰源电磁干扰源电磁噪声电磁噪声放电噪声放电噪声 n 分为结型结型和绝缘栅型绝缘栅型 n 通常主要指绝缘栅型绝缘栅型中的MOSMOS型型（Metal Oxide Semiconductor FET） n 简称电力MOSFET（Power MOSFET） n 结型电力场效应晶体管一般称作静电感应晶体管（ Static Induction TransistorSIT） 特点特点用栅极电压来控制漏极电流用栅极电压来控制漏极电流 驱动电路简单，需要的驱动功率小。驱动电路简单

35、，需要的驱动功率小。 开关速度快，工作频率高。开关速度快，工作频率高。 热稳定性优于热稳定性优于GTR。 电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过10kW 的电力电子装置的电力电子装置 。 电力场效应晶体管电力场效应晶体管 电磁干扰源电磁干扰源电磁噪声电磁噪声放电噪声放电噪声 n 电力电力MOSFET的种类的种类 n 按导电沟道可分为P沟道沟道和N沟道沟道。 n 耗尽型耗尽型当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电 沟道。 n 增强型增强型对于N（P）沟道器件，栅极电压大于（小 于）零时才存在导电沟道。 n 电力MOSFET主要是N沟道增强型沟道增强型。

36、 nDATASHEET 1）电力）电力MOSFET的结构和工作原理的结构和工作原理 电磁干扰源电磁干扰源电磁噪声电磁噪声放电噪声放电噪声 n 电力电力MOSFET的结构的结构 是单极型晶体管。是单极型晶体管。 导电机理与小功率导电机理与小功率MOS管相同，但结构上有较大区别。管相同，但结构上有较大区别。 采用多元集成结构，不同的生产厂家采用了不同设计。采用多元集成结构，不同的生产厂家采用了不同设计。 N+ G S D P沟道 b) N+ N- S G D PP N+N+ N+ 沟道 a) G S D N沟道 图1-19 图图1-19 电力电力MOSFET的结构和电气图形符号的结构和电气图形符号

37、 电磁干扰源电磁干扰源电磁噪声电磁噪声放电噪声放电噪声 n 小功率MOS管是横向导电器件。 n 电力MOSFET大都采用垂直导电结构，又称为VMOSFET （Vertical MOSFET）。 n 按垂直导电结构的差异，分为利用V型槽实现垂直导电 的VVMOSFET和具有垂直导电双扩散MOS结构的 VDMOSFET（Vertical Double-diffused MOSFET）。 n 这里主要以VDMOS器件为例进行讨论。 电力电力MOSFET的结构的结构 电磁干扰源电磁干扰源电磁噪声电磁噪声放电噪声放电噪声 n截止截止：漏源极间加正电源，栅源极间电压为零。 P基区与N漂移区之间形成的PN结

38、J1反偏，漏源极之间无电 流流过。 n导电导电：在栅源极间加正电压UGS 当UGS大于UT时，P型半导体反型成N型而成为反型层反型层，该 反型层形成N沟道而使PN结J1消失，漏极和源极导电 。 N+ G S D P沟道 b) N+ N- S G D PP N+N+ N+ 沟道 a) G S D N沟道 图1-19 图图1-19 电力电力MOSFET的结构和电气图形符号的结构和电气图形符号 电力电力MOSFET的工作原理的工作原理 电磁干扰源电磁干扰源电磁噪声电磁噪声放电噪声放电噪声 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管 n 两类器件取长补短结合而成的复合器件Bi-MOS器件 n 绝缘栅双极晶体管（

39、Insulated-gate Bipolar Transistor IGBT或IGT）(DATASHEET 1 2 ) nGTR和MOSFET复合，结合二者的优点。 n1986年投入市场，是中小功率电力电子设备的主导器件。 继续提高电压和电流容量，以期再取代GTO的地位。 GTR和和GTO的特点的特点双极型，电流驱动，有电导调制效应，双极型，电流驱动，有电导调制效应， 通流能力很强，开关速度较低，所需驱动功率大，驱动电路复杂。通流能力很强，开关速度较低，所需驱动功率大，驱动电路复杂。 MOSFET的优点的优点单极型，电压驱动，开关速度快，输入阻单极型，电压驱动，开关速度快，输入阻 抗高，热稳定

40、性好，所需驱动功率小而且驱动电路简单。抗高，热稳定性好，所需驱动功率小而且驱动电路简单。 电磁干扰源电磁干扰源电磁噪声电磁噪声放电噪声放电噪声 35 1) IGBT的结构和工作原理的结构和工作原理 三端器件：栅极G、集电极C和发射极E EG C N+ N- a) P N+N+ P N+N+ P+ 发射极 栅极 集电极 注入区 缓冲区 漂移区 J3 J2 J1 G E C + - +- + - IDRN IC VJ1 IDRon b) G C c) 图图1-22 IGBT的结构、简化等效电路和电气图形符号的结构、简化等效电路和电气图形符号 a) 内部结构断面示意图内部结构断面示意图 b) 简化等

41、效电路简化等效电路 c) 电气图形符号电气图形符号 电磁干扰源电磁干扰源电磁噪声电磁噪声放电噪声放电噪声 n图1-22aN沟道VDMOSFET与GTR组合N沟道IGBT。 nIGBT比VDMOSFET多一层P+注入区，具有很强的通流能力。 n简化等效电路表明，IGBT是GTR与MOSFET组成的达林顿结构 ，一个由MOSFET驱动的厚基区PNP晶体管。 nRN为晶体管基区内的调制电阻。 EG C N+ N- a) P N+N+ P N+N+ P+ 发射极 栅极 集电极 注入区 缓冲区 漂移区 J3 J2 J1 G E C + - +- + - IDRN IC VJ1 IDRon b) G C

42、c) 图图1-22 IGBT的结构、简化等效电路和电气图形符号的结构、简化等效电路和电气图形符号 a) 内部结构断面示意图内部结构断面示意图 b) 简化等效电路简化等效电路 c) 电气图形符号电气图形符号 IGBT的结构的结构 电磁干扰源电磁干扰源电磁噪声电磁噪声放电噪声放电噪声 电磁干扰源电磁干扰源电磁噪声电磁噪声放电噪声放电噪声 (2)电晕放电噪声电晕放电噪声 电晕放电噪声主要来自高压输电线，它属于一种持续的放电电晕放电噪声主要来自高压输电线，它属于一种持续的放电 干扰源。它的放电本质是输电线附近的空气产生电离，发生干扰源。它的放电本质是输电线附近的空气产生电离，发生 辉光（电晕）放电。伴

43、随着放电过程，产生电磁波辐射干扰。辉光（电晕）放电。伴随着放电过程，产生电磁波辐射干扰。 实验数据表明，在输电线垂直方向上电晕噪声强度的衰减与实验数据表明，在输电线垂直方向上电晕噪声强度的衰减与 距离的平方成反比，而在距离的平方成反比，而在15kHZ400MHZ的频率范围内，的频率范围内， 其衰减则和频率成反比。电晕放电噪声，主要对电力线载波其衰减则和频率成反比。电晕放电噪声，主要对电力线载波 电话，低频航空无线电以及调幅广播等产生干扰，对于电池电话，低频航空无线电以及调幅广播等产生干扰，对于电池 和调频广播产生干扰不大。和调频广播产生干扰不大。 航空，航天对于电晕放电噪声十分严格航空，航天对

44、于电晕放电噪声十分严格 电磁干扰源电磁干扰源电磁噪声电磁噪声 放电噪声放电噪声 (3)辉光放电（辉光放电（GLOE Discharge） 持续的辉光放电物理现象已广泛地应用于离子管，等离子反应器和低压气体放电灯中。除持续的辉光放电物理现象已广泛地应用于离子管，等离子反应器和低压气体放电灯中。除 此以外，在人们所处的电磁环境中，还存在一些不控的辉光放电干扰源。例如，电气开关接通此以外，在人们所处的电磁环境中，还存在一些不控的辉光放电干扰源。例如，电气开关接通 （或断开）的瞬间，当开关两触头间的距离在由（或断开）的瞬间，当开关两触头间的距离在由“分开分开”（或闭合）过渡到（或闭合）过渡到“闭合闭合

45、”（或分开）（或分开） 的状态时，在一定的触头间隙内，触头之间也会产生的状态时，在一定的触头间隙内，触头之间也会产生“辉光放电辉光放电”现象。所以，辉光放电噪声现象。所以，辉光放电噪声 引起的干扰可能是持续的，也可能是瞬态的，它的特点是中压，小电流。引起的干扰可能是持续的，也可能是瞬态的，它的特点是中压，小电流。 下面重点分析开关触头接通或者断开过程中的辉光放电过程。下面重点分析开关触头接通或者断开过程中的辉光放电过程。 如前所述，当满足条件，两触头之间的空气电离如前所述，当满足条件，两触头之间的空气电离。 击穿电压（击穿电压（ ）是电极间气体，气体压）是电极间气体，气体压 力和触头之间的距离

46、的函数力和触头之间的距离的函数 z U 由图可见，当两触头之间的距离为由图可见，当两触头之间的距离为 0.0076mm时，击穿电压最低，其典型时，击穿电压最低，其典型 值值320V，而维持辉光放电的电压则略低，而维持辉光放电的电压则略低 于于320V，约为，约为300V左右。左右。 中压中压 小电流小电流 电磁干扰源电磁干扰源电磁噪声电磁噪声 放电噪声放电噪声 (4)弧光放电弧光放电 持续弧光放电的典型应用时电弧焊接和高压气体放电灯等。持续弧光放电的典型应用时电弧焊接和高压气体放电灯等。 除此之外，与辉光放电类似，当电除此之外，与辉光放电类似，当电 气开关换接时，开关两接头之间在气开关换接时，

47、开关两接头之间在 “开开”“”“关关”瞬间也会产生不控的弧光放瞬间也会产生不控的弧光放 电过程，这一过程会导致断续的电磁干扰。电过程，这一过程会导致断续的电磁干扰。 弧光放电的典型特点与辉光放电的特点相弧光放电的典型特点与辉光放电的特点相 对偶对偶-低压，大电流，它与辉光放电在低压，大电流，它与辉光放电在 物理本质上的根本区别是它源于阴极电子物理本质上的根本区别是它源于阴极电子 发射而与气体电离无关。发射而与气体电离无关。 (5)高频电火花干扰高频电火花干扰 在实际工业现场和日常生活中，除了前述哪些持续或断续在实际工业现场和日常生活中，除了前述哪些持续或断续 的辉光，弧光放电造成的电磁辐射干扰

48、以为，还有很多电的辉光，弧光放电造成的电磁辐射干扰以为，还有很多电 力电子设备（如汽车发动机点火装置，电焊机，高频电火力电子设备（如汽车发动机点火装置，电焊机，高频电火 花切割机等），更是直接的电磁干扰源，这些设备的电火花切割机等），更是直接的电磁干扰源，这些设备的电火 花能量很大，电磁干扰强度也很强。花能量很大，电磁干扰强度也很强。 低压低压 大电流大电流 电磁干扰源电磁干扰源电磁噪声电磁噪声放电噪声放电噪声 电磁波辐射噪声电磁波辐射噪声 前节所分析的各种放电噪声，是指前节所分析的各种放电噪声，是指 因放电产生的电磁波辐射噪声，对因放电产生的电磁波辐射噪声，对 电子设备和系统产生的干扰。而在

49、电子设备和系统产生的干扰。而在 这一部分讨论的则主要是指各种电这一部分讨论的则主要是指各种电 磁波辐射装置。向空间发射电磁波磁波辐射装置。向空间发射电磁波 所造成的电磁环境污染的问题。这所造成的电磁环境污染的问题。这 里所指的电磁波辐射装置，是泛指里所指的电磁波辐射装置，是泛指 所有可能辐射电磁波的电子装置，所有可能辐射电磁波的电子装置， 例如无线电电视广播，通讯，遥感，例如无线电电视广播，通讯，遥感， 遥控，遥测，雷达等各种发射机，遥控，遥测，雷达等各种发射机， 这些装置以向空间辐射电磁波为目这些装置以向空间辐射电磁波为目 的，但它们同时也会在相应的发射的，但它们同时也会在相应的发射 频率（

50、包括它们的高次谐波）范围频率（包括它们的高次谐波）范围 内对其他电子装置造成干扰。内对其他电子装置造成干扰。 此外，还有一些装置（例如中频，此外，还有一些装置（例如中频， 高频感应加热电源，高频开关电高频感应加热电源，高频开关电 源，电子镇流器，超声波发生器，源，电子镇流器，超声波发生器， 高速数字脉冲电路，核电磁脉冲高速数字脉冲电路，核电磁脉冲 等）虽然不以向空间辐射电磁波等）虽然不以向空间辐射电磁波 为目的，但是，它们也会在运行为目的，但是，它们也会在运行 时，产生很强的电磁场。这些辐时，产生很强的电磁场。这些辐 射电磁场当然也会构成对电磁环射电磁场当然也会构成对电磁环 境污染，在电力电子

51、系统中，绝境污染，在电力电子系统中，绝 大多数辐射噪声源的频率不是很大多数辐射噪声源的频率不是很 高，多属于近场辐射电磁场干扰高，多属于近场辐射电磁场干扰 源源 电磁干扰源电磁干扰源电磁噪声电磁噪声放电噪声放电噪声 电磁波辐射噪声电磁波辐射噪声 电磁干扰源电磁干扰源电磁噪声电磁噪声 半导体器件开关半导体器件开关 半导体器件开关过程和变流电路引起的噪声半导体器件开关过程和变流电路引起的噪声 随着电力电子技术的发展，利用各种现代功率半导体快速开关特性构成的各种半导体变流随着电力电子技术的发展，利用各种现代功率半导体快速开关特性构成的各种半导体变流 装置，日益广泛地应用于工业，商业，医疗，家电当中。

52、它们带来的电磁环境污染问题，装置，日益广泛地应用于工业，商业，医疗，家电当中。它们带来的电磁环境污染问题， 已经引起了人们广泛的关注。已经引起了人们广泛的关注。 功率半导体器件开关过程造成的电磁干扰功率半导体器件开关过程造成的电磁干扰 所有半导体变流装置主电路的核心部分是各类现代功率半导体器件，如功率二极管（包括所有半导体变流装置主电路的核心部分是各类现代功率半导体器件，如功率二极管（包括 快速恢复功率二极管）、大功率晶体管（快速恢复功率二极管）、大功率晶体管（BJT）、晶闸管（）、晶闸管（SCR和和GTO），复合场控功率晶体），复合场控功率晶体 管（管（IGBT）和功率场效应管（功率）和功率

53、场效应管（功率SIT和功率和功率MOSFET）等。这些装置的控制部分，常常应用）等。这些装置的控制部分，常常应用 各种大规模数字集成电路，各种大规模数字集成电路，DSP和和CPU芯片等高速集成电路。在这类电力电子装置中，无论是芯片等高速集成电路。在这类电力电子装置中，无论是 主回路还是控制回路，在器件开关过程中，都存在着很高的主回路还是控制回路，在器件开关过程中，都存在着很高的di/dt，它们通过线路或元器件的，它们通过线路或元器件的 引线电感引起瞬态电磁噪声。它们的频率可高达几十千赫兹至几百千赫兹乃至几兆赫兹，成为引线电感引起瞬态电磁噪声。它们的频率可高达几十千赫兹至几百千赫兹乃至几兆赫兹，

54、成为 不可忽视的噪声源。不可忽视的噪声源。 电磁干扰源电磁干扰源电磁噪声电磁噪声 半导体器件开关半导体器件开关 1）功率二极管开关造成的噪声）功率二极管开关造成的噪声 功率二极管开、关过程中造成瞬态噪声功率二极管开、关过程中造成瞬态噪声 12 tt 二极管长基区大量过剩的载二极管长基区大量过剩的载 流子需要一段时间才能恢复流子需要一段时间才能恢复 是一个非常窄是一个非常窄 的尖脉冲，电的尖脉冲，电 磁噪声比开通磁噪声比开通 还要强还要强 电磁干扰源电磁干扰源电磁噪声电磁噪声 半导体器件开关半导体器件开关 实际上，功率二极管反向脉冲电流的幅度、脉冲宽度，和形实际上，功率二极管反向脉冲电流的幅度、

55、脉冲宽度，和形 状，与二级管本身的特性及电路参数相关。由于反向恢复电状，与二级管本身的特性及电路参数相关。由于反向恢复电 流脉冲的幅度和流脉冲的幅度和 都很大，他们在引线电感和与其相连都很大，他们在引线电感和与其相连 的电路中，会产生很高的感应电压，从而造成很强的宽频的的电路中，会产生很高的感应电压，从而造成很强的宽频的 瞬态电磁噪声。瞬态电磁噪声。 在高频开关电源，高频在高频开关电源，高频DC/DC谐波变换器以及功率因数校谐波变换器以及功率因数校 正电路等重复开关频率较高的变流器中，都要用到快恢复二正电路等重复开关频率较高的变流器中，都要用到快恢复二 极管，它们的反向恢复时间通常在纳秒量级，

56、因此他们通过极管，它们的反向恢复时间通常在纳秒量级，因此他们通过 引线电感造成的瞬态电磁噪声是不可忽略的。引线电感造成的瞬态电磁噪声是不可忽略的。 dtdir/ 电磁干扰源电磁干扰源电磁噪声电磁噪声 2）SCR,GTO,BJT,IGBT在开关过程中产生的噪声在开关过程中产生的噪声 双极型器件双极型器件 GTO 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管 BJT 电力晶体管电力晶体管 IGBT 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管 少少 子子 半半 导导 体体 器器 件件 以以SCR为例：由于它包含为例：由于它包含3个个PN结，因此在关断后的反向恢复电流，要比二结，因此在关断后的反向恢复电流，要比二 极管小得

57、多，因此他们开通时造成的电源噪声，要比关断时大。极管小得多，因此他们开通时造成的电源噪声，要比关断时大。 （A）SCR开通时电流开通时电流 电压示意图电压示意图 （B）开通时产生的噪声）开通时产生的噪声 电压与电流的关系电压与电流的关系 SCR的开关过程造成瞬态噪声的开关过程造成瞬态噪声 半导体器件开关半导体器件开关 电磁干扰源电磁干扰源电磁噪声电磁噪声 GTO 门门 极极 可可 关关 断断 晶晶 闸闸 管管 GTO 门极可关断晶闸管开关过程中的阳极电压，电流波形及门极电压，电流波形，分别如下图所示门极可关断晶闸管开关过程中的阳极电压，电流波形及门极电压，电流波形，分别如下图所示 由于依靠门极

58、反向抽流关断，门极的低电流增益导致它在关断时，门极电流和电压也会产生陡由于依靠门极反向抽流关断，门极的低电流增益导致它在关断时，门极电流和电压也会产生陡 峭的大电流和电压脉冲，有时候还会因门极电路寄生电容和电感的影响而产生震荡。因此，门峭的大电流和电压脉冲，有时候还会因门极电路寄生电容和电感的影响而产生震荡。因此，门 极电路产生的电磁噪声，常常变成极电路产生的电磁噪声，常常变成GTO中中EMI问题的主要方面。问题的主要方面。 半导体器件开关半导体器件开关 电磁干扰源电磁干扰源电磁噪声电磁噪声 BJT的情况与的情况与GTO情况类似，只是它的开关速度比情况类似，只是它的开关速度比GTO快，快， 开

59、关时间在微妙量级，所以在它的集电极电流和电压变化开关时间在微妙量级，所以在它的集电极电流和电压变化 造成的瞬态电磁噪声要比造成的瞬态电磁噪声要比GTO严重得多。严重得多。 BJT 电力晶体管电力晶体管 IGBT 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管 IGBT属于多子少子混合器件，开关速度比属于多子少子混合器件，开关速度比BJT更快，所更快，所 以其电流变化造成的瞬态电磁噪声比以其电流变化造成的瞬态电磁噪声比BJT更大。但是由于更大。但是由于 它是电压控制器件，所以它的门极电路所造成的瞬态电磁它是电压控制器件，所以它的门极电路所造成的瞬态电磁 噪声可以忽略不计。噪声可以忽略不计。 半导体器件开关半导

60、体器件开关 电磁干扰源电磁干扰源电磁噪声电磁噪声 3）功率场效应管（）功率场效应管（MOSFET）在开关过程中造成的噪）在开关过程中造成的噪声声 功率场效应管属于多子器件，不存在反向恢复问题。但是开关过程中功率场效应管属于多子器件，不存在反向恢复问题。但是开关过程中di/dt可可 以达到很高的数值，因而作用在电路中的寄生电感（电容）上，会产生很高的以达到很高的数值，因而作用在电路中的寄生电感（电容）上，会产生很高的 瞬态电压，电流和引起震荡。所以，它与高速数字脉冲电路中所用的高速门电瞬态电压，电流和引起震荡。所以，它与高速数字脉冲电路中所用的高速门电 路一样，产生的瞬态点噪声是不容忽视的。路一