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2021年第1期 安全与电磁兼容
引言
CR200J 型动力车的控制电源由110 V 充电机和蓄电池共同组成，两者相互配合工作，为动力车控制电路供能，是列车安全可靠运行的技术保证[1]。随着控制电源往集成化、高频化方向发展，给设备维修带来便利的同时也引来了电磁兼容问题[2]。控制电源中包含IGBT （绝缘栅双极型晶体管）等开关功率器件，在开关动作的瞬间会产生高d u /d t 、d i /d t 信号，流过回路形成强烈的传导干扰：高d u /d t 信号通过装置与保护地之间的分布电容产生共模电流[3]；高d i /d t 信号流过电源线产生差模电流[4]。为优化控制电源的电磁兼容，研究其传导干扰特性具有现实意义。
机车内部设备在实验室测试均表现正常，考虑到现场测量不同于实验室测量，现场实车测试中被测设备的传导EMI 会受到其他工作设备影响，同时机车机械间内部空间狭小且带高压电的设备众多，测量过程中不
允许出现接线、断线情况。而常使用的LISN（线路阻抗稳定网络）测量法[5]在测试过程中需中断设备的正常工作且测试设备众多，因此在现场测试中方法简单的电流法[6]将更加适用。
本文针对CR200J 型动力车控制电源的传导干扰问题进行了分析，分别采用电压、电流探头测量控制电源
在不同工况下输出电压、电流信号和主断路器闭合工况下输出端口差模、共模电流，分析其传导干扰和输出运行特性，以给出相应的电磁兼容优化建议和方案。
1 控制电源电气结构
CR200J 型动力车控制电源采用的是110 V DC 充电机与蓄电池并联的工作方式，主断路器闭合时充电机给蓄电池和控制电路供能；主断路器断开时，蓄电池单独给控制电路供能。控制电源的电气组成可划分为四大部分，依次为电源输入、预充电回路、110 V DC 充电模
摘要
为研究CR200J 型动力车110 V 控制电源现场测试的传导干扰问题，介绍了控制电源的电气结构，现场测量了控制电源不同工况下输出电压、电流信号和主断路器闭合工况下输出端口的差模、共模电流信号，并分析了输出电压、电流的特性和输出端传导干扰的频谱。测试结果表明：不控整流产生的二次纹波传递到了输出侧；输出电压、电流纹波较大且输出电压幅值偏低；开关频率附近多个频率点的共模干扰幅值较高。最后，根据测试分析结合现有成熟的技术，给出了控制电源电磁兼容优化的建议。关键词
控制电源；传导干扰；共模电流；差模电流Abstract
In order to study the conducted interference of 110 V control power supply on CR200J locomotive, this
paper first introduces the electrical structure of the control power supply, then the output voltage and current signals of the control power supply under different working conditions and the differential mode(DM) and common mode(CM) current signals of the output port under the main circuit breaker closed working conditions are measured on site. The characteristics of output voltage and current and the spectrum of output conducted interference are analyzed, and the results indicate that: the secondary ripple generated by uncontrolled rectification is transmitted to the output side; the output voltage and current ripple are large and the output voltage amplitude is low; the CM interference amplitude of several frequency points near the switching frequency is higher. Finally, according to the analysis of the test and the existing mature technology, the scheme and suggestion of EMC optimization of control power supply are put forward.
Keywords
control power supply; conducted interference; common mode current; differential mode current
国家自然基金（52067007）
CR200J 型动力车控制电源传导干扰
现场测试与分析
Test and Analysis of Conducted Interference of Control Power Supply in CR200J Locomotive
1
中车株洲电力机车有限公司
2
华东交通大学 康明明1 李辉1 赖立1,2 袁义生1,2
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块和输出负载。1.1  充电模块结构
充电机由4个110 V DC 充电模块并联组成，模块的电路结构如图1所示，包括：电磁干扰（EMI）滤波器、三相不控整流桥，以及隔离型全桥DC/DC 变换器。输入电压V in 取自工作在定压定频模式下的辅助逆变器的三相380 V AC 输出，充电模块输出电压V o 为110 V DC，输出电流峰值点I o_peak 为37.5 A。
1.2  输出负载
输出负载包括蓄电池和控制电路两部分。蓄电池由48节2 V 的铅酸蓄电池串联，容量为170 Ah，其可在充电机停止工作时继续给控制电路提供电能。控制电路包括：整备控制电路、调速控制电路、保护控制电路、信号控制电路、照明控制电路等，控制电路稳定工作决定了动力车安全运行。
2 测试分析
2.1  测量方案
根据GB/T 24338.4-2018《轨道交通 电磁兼容 第3-2部分：机车车辆 设备》附录A 中的测试端口说明，在测试过程中可直接利用高精度探头对充电机输出端口进行数据采样，再通过示波器对所测数据做FFT 分析以研究其传导干扰特性。现场测试图如图2所示。为增加数据可靠性，每种工况下均测试三组数据。
测试场地位于CR200J 型动力车机械间内，试验时空气无凝露现象，动力车处于升弓工况，动力车网压处于正常范围22.5~29 kV。测试所采用的设备型号如表1所示，其技术参数满足GB/T 17626.7-2008《电磁兼容 试验和测量技术 供电系统及所连设备谐波、谐间波的
测量和测量仪器导则》和GB/T 6113.101-2008《无线电骚扰和抗扰度测量设备和测量方法规范 第1-1部分》。分别利用电压、电流探头测量控制电源输出端在主断路器分、合工况下输出电压、电流波形，以及稳态工况下共模、差模电流。
2.2  输出端动态波形分析
主断路器分、合过程中，受电弓保持升弓状态，控
制电源输出波形如图3所示，可得：
（1）分断路器瞬间：输出电流出现较大超调，从21 A 下跌至10 A，随后在60 ms 内恢复至21 A，调整率为47.6%；输出电压从100 V 下跌至95 V 左右，下跌值5 V，占稳态输出电压的5%，超调值较大；
（2）分断路器工况下，仅由蓄电池单独向控制电路供电。此时，输出电压缓慢下降，输出电压平均值为93.3 V，输出电流23.2 A，输出电压纹波5.6 V，电压纹波值较大；
（3）合断路器瞬间：输出电流在22~24 A（时间120 ms）之间，随后在100 ms 内稳定至20.5 A，调整率为9.1%；输出电压从93 V 上升至105 V 左右，上升12 V，占稳态输出电压的11.4%；
（4）合主断路器时，控制电路由110 V DC 充电机供能，而蓄电池也处于充电状态。控制电源输出端电压为100 V，输出电流21.9 A，输出电压纹波5.8 V，电压纹波值较大。
由于充电模块的整流环节采用的是不控整流桥，导致所产生的二次纹波传递到了输出侧，输出电流纹波较大，纹波频率为50 Hz，峰-峰值为8 A，这将会对蓄电池使用寿命造成损害。2.3  共模电流干扰分析
在主断路器闭合工况下，充电机同时向蓄电池和控制电路供电，将电流探头夹在控制电源输出线路和零线两端，共模电流将以相同的方向流出两根导线，测试三组信号，选取其中一组电流信号如图4所示，共模电流峰-峰值为450 mA 左右。对其在0~2.5 GHz 频率范
围内做FFT 分析得到图5所示的频谱图，可以得出：
（1）150 kHz 频率点处幅度最大，约为92 dBμA，并且按照n 次150 kHz 衰减(90 dBμA/300 kHz、83 dBμA/ 450 kHz、76 dBμA/600 kHz)。这是由于负载中包含一个24 V 高频开关电源，其频率为150 kHz ；
（2）在10~100 kHz 频谱范围内，在14 kHz、19 kHz、
表1 
测试设备型号
图1 
充电模块电路结构
图 2 
现场测试图
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25 kHz、30 kHz 等出现多个能量峰值点，其峰值为 72 dBμA、68 dBμA、72 dBμA、68 dBμA。14 kHz 左右处出现的能量峰值由开关工作产生的d u /d t 所致。而在频率点（19 kHz、25 kHz、30 kHz 等）也表现出高峰，这易使功率管的驱动信号受到干扰；
（3）由于电流探头的带宽为15 MHz，15 MHz 以后的数据不具有代表性。2.4  差模电流分析
为消除共模电流影响，在测量差模电流时，需将
零线以相反的方向通过电流探头，如此电流读数将是实际差模电流的两倍（高出6 dB），测试三组信号，选取其中一组信号如图6所示，差模电流峰值为4.5 A 左右，表现为高频的三角脉动电流。
图7所示为控制电源输出端差模电流的频谱。其中，频谱图分成了10 Hz~150 kHz 和150 kHz~25 MHz 两部分，从频谱图中可得出：
图 3 
主断路器分合过程控制电源输出端波形
图 4 
控制电源输出端共模电流
（a）10 Hz~150 kHz
（b）150 kHz~2.5 GHz
图 5 
控制电源输出端共模电流频谱图
图 6 
控制电源输出端差模电流 
图 7 
控制电源输出端差模电流频谱图 
（a）10 Hz~150 kHz
（b）150 kHz~25 MHz
（1）在50 Hz基波频率点处，幅值出现最大峰值，为137 dBμA左右，其原因是负载中包含逆变器负载；
（2）在频率点150 kHz、300 kHz、450 kHz、600 kHz、750 kHz、900 kHz处，能量幅值依次衰减。可见，负载中确实包含一个开关频率为150 kHz的高频开关电源；
（3）在150~500 kHz范围内，在150 kHz、300 kHz处有频谱峰值，分别为80 dBμA、76 dBμA。在500 kHz~ 25 MHz范围内，750 kHz、900 kHz处有频谱峰值，均在65 dBμA左右；
（4）在1 MHz之后，频谱的幅值维持在40 dBμA
汽车逆变器
左右，这是由于电流探头带宽不足，所导致的分辨率 不足。
3 优化建议
为了提高动力车控制电源的输出稳定性和EMC抗干扰性，结合现有成熟的插电式电动汽车充电桩方案，本文针对上述问题给出以下优化建议：
（1）从辅助逆变器取三相380 V AC经过EMI滤波后，可采用功率因数校正电路，参考EV充电机常用的三相Viena整流电路，如图8所示。该电路具有开关器件少、输入功率因数高和输入低谐波含量等优势，可用于替换机车充电模块上使用的不控整流电路，以避免低频谐波污染辅助逆变器的输出；
（2）输出端口增加差模、共模抑制装置，如X、Y 电容等器件，以降低能量尖峰；
（3）可采用增大输出电容值或者在蓄电池输出端口增加LC滤波器等策略降低输出电压、电流纹波；
（4）可在控制器中加入输出电流环，并采用恒压恒流充电模式以降低充电模式切换时的超调量和输出电流纹波，且有利于提高蓄电池寿命，如图9所示。
4 结论
本文通过高精度探头测试得到CR200J
型动力车的控制电源输出端口传导干扰的数据，分析出控制电源还
图8 三相Viena电路
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存在着输出电压和电流纹波大、输出电压偏低、装置的整体EMC 效果不佳等问题，并给出了与之对应的优化建议和具体措施。后续研究可利用文中所采用的测试方法和优化建议对动力车内部牵引变流器、辅助逆变器和列供柜等使用IGBT 开关功率器件的高压设备进行现场传导干扰测试以及优化设计。
参考文献
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图9 传导EMI 优化建议实施
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编辑：余琼 E-mail:***************