光伏电源产品传导与辐射预测试与诊断分析方法

随着光伏电源在工商业、储能等领域的广泛应用及EMC认证要求趋严，其传导发射与辐射发射测试面临挑战。本文基于光伏电源的端口特性与频谱分布，提出一种利用特殊设计的线路阻抗稳定网络（LISN）在研发场地同步完成传导与辐射预测试的方法。通过优化阻抗网络的高频阻抗稳定性、滤波性能及紧凑性，结合诊断分析工具，实现了测试结果与标准实验室的高度一致性，可有效缩短研发周期并降低成本。在此对光伏电源产品特点、预测试方法的原理、特殊阻抗网络的设计、实践应用布置方法等进行介绍，供相关工程技术人员参考。

一、 光伏电源产品的特点和频谱特点

目前市场上光伏产品形态各异：电压等级、功率容量、电源拓扑及应用场景的差异导致产品设计差异显著不同。许多光伏电源产品可以参考其他电源类产品如UPS不间断电源，逆变器，大功率充电器等进行设计，但研发设计需重点聚焦光伏电源的特有属性。

端口特点

所有光伏电源产品均包含PV（Photovoltaics）直流输入口与AC交流输出口：PV口将太阳能光伏电源板输出的直流接入到光伏电源，通过逆变输出交流对电网或负载供电。这两个端口需要进行标准传导测试，同时端口的线缆也是辐射发射的关键天线。大功率光伏电源输入采用分布式串并联结构，PV输入口数量远超其他产品（可达几十至上百个），AC交流端口与多数电源的取电功能不同，其主要功能是向电网馈电，这些特点对于EMC设计和EMC测试实验室的测试能力都构成挑战。

AC离网口、单向或双向DC电池口、低压直流口、通讯口、并机口、电能表接口甚至发电机接口等端口是光伏电源产品可能存在的扩展接口，在不同的认证测试要求下这些端口可能需要测试传导，辐射测试也会因为端口线缆复杂而导致有些特殊品类EMC设计难度增大。

光伏产品的外壳端口也是形态各异。对于桌面、壁挂、立式、柜式等不同的外壳形态、上出线下出线等不同进出线方式等都会对EMC的测试产生影响，也都需要关注。

拓扑特点

光伏电源产品首先关注的是拓扑的隔离与非隔离。功率电路中，小功率家用产品通常采用隔离拓扑以提升安全性，大功率工商业产品一般采用非隔离拓扑；所有的光伏电源内部都有大量隔离驱动电源用于驱动开关管，内部辅助电源一般也会采用隔离的反激拓扑。隔离拓扑容易产生共模干扰，非隔离的拓扑容易发生端口Y电容之间的振荡，这些是光伏电源产品中经常出现的问题。

其次是PV端口的DC-DC拓扑。PV口需要实现DC-DC升压对母线电容进行充电稳压同时进行最大功率点追踪（Maximum power point tracking，简称MPPT），大功率一般采用Boost电路，也有一些隔离拓扑应用于小功率场合。部分光伏电源配备复杂DC-DC电路，用于外部储能系统的能量存储或释放，这些拓扑也会需要关注的重要的影响点

最后是AC端口的逆变拓扑的选择。一般单相和三相、单向馈电和双向、功率等级、隔离要求、采用场景等不同电路拓扑也有很大差异。虽然逆变拓扑会有非常多的选择但大部分都是PWM控制的硬开关拓扑，逆变工作频率也是差异很小，因此对EMC的影响反而是较为确定的。

频谱特点

光伏电源类产品传导和辐射的源头主要是主功率电路的各种持续开关变换，如功率开关管主动PWM（脉宽调制）方波、二极管被动开关方波、电感三角波，LC谐振波、吸收电路的RC阻尼振荡波等。其中PWM的方波的幅值最大边沿最陡，是干扰源头中电磁发射的幅频特性最为严酷的一种。

光伏电源产品内部PWM开关波形是梯形波，因此频谱主要是由开关频率、占空比、上升下降时间决定。由于受电感磁性材料和开关器件的限制，主功率电路工作频率一般在20-100kHz，频谱主要分布在150kHz-30MHz的传导300倍频以内；开关上升下降时间在10-100ns之间，由公式

计算出二次转折频率点对应30MHz和3MHz，光伏电源的频谱在3MHz或30MHz之后以每10倍频40dB幅度快速下降，所以一般光伏电源电路300MHz以上的频段的发射很小。因此光伏电源的频谱特点是：频谱能量主要分布在30MHz以下的传导频段，在30-300MHz的辐射频段有一定分布， 300MHz以上频谱能量分布很小。实测频谱也与理论预期符合，在二次转折点3MHz之后快速衰减，最终频谱的宽度小于300MHz。

二、 光伏电源产品研发场地传导辐射预测试方法与实践

目前光伏电源产品EMC开发一般在认证阶段进行标准传导实验室和辐射半电波暗室的测试整改，这种方法进行单位时间的测试需要额外一倍的调试和场地布置时间和更高倍数的整改用时，是很大的显性成本，再考虑隐性的人力成本和上市延期成本，这种传统开发方式对光伏电源产品非常不利。

我们在工程实践中找到了一些不依赖标准传导辐射实验室资源的预测试方法可供大家参考：利用阻抗网络进行150kHz-300MHz电压法测试，利用电流探头进行150kHz-300MHz电流法测试，利用双锥天线或偶极子天线进行30M-300MHz电场测试方法等。其中特制阻抗网络进行辐射传导预测试的方法在实践中取得了非常好的实际效果，并且结合诊断分析工具能够在研发全周期进行EMC测试和诊断分析，极大提高了EMC研发预测试和设计优化效率。

研发场地利用特殊阻抗网络进行辐射传导预测试的方法

光伏电源产品的发射主要是电源端口且频谱集中150kHz-300MHz频带这两个特点决定了这个产品类别非常适合利用阻抗网络电压法进行传导辐射预测试。EMC工程实践中利用特殊设计的阻抗网络可以无视电磁环境干扰在任意光伏电源研发场地上完成了传导辐射预测试。以下是该方法的一些工程应用示例。

两个单相小型光伏电源产品只需要用较小的接地参考面就能满足PV和AC端口接入的32A阻抗网络高频阻抗稳定的要求，同时PV源、AC源、环境电磁干扰都能被阻抗网络滤除，因此可以在研发场地任意桌面工作台进行测试布置，对小型光伏电源产品研发非常友好。

中型光伏电源需要更大的接地参考面，保证系统内部对接地参考面的耦合和端口的阻抗稳定，阻抗网络的额定功率容量需适配更大功率的辅助设备（PV源、DC源和AC源），这里选择了64A的PV阻抗网络与三相100A的AC阻抗网络实现更大功率产品的测试。接地参考面可以用多块较小铜板进行拼接，多路MPPT的PV端口也可以采用多个PV阻抗网络来进行测试能力扩展，这种测试方法对于中型三相光伏电源产品也有很好的应用效果。

大型的光伏电源设备由于端口和线缆更多受电磁环境影响较大一些，建议使用带屏蔽的传导辐射预测试诊断台进行预测试和诊断，环境屏蔽效果更好同时高频阻抗特性更稳定。大型光伏电源设备端口一般比较多需要布置多个阻抗网络，因此要求阻抗网络功率密度非常高才能保证在诊断台上同时安装。这种诊断台阻抗网络容量和PV源功率能够满足30kW功率等级的长时间测试，能够用于150kW光伏产品的研发预测试，同时可以配置多台频谱仪对端口进行并行测试并利用诊断分析工具同步快速定位分析问题并验证优化方案。

以上的工程应用案例介绍了研发场地进行特殊阻抗网络预测试的安装布置和应用场景，在这些应用过程中业对这种方法与标准测试之间的相关性和一致性进行了比对。

特殊阻抗网络进行辐射传导预测试的结果与标准测试比对

我们对研发场地预测试结果与标准认证实验室的传导辐射结果进行了比对分析，测试结果展现了很好的一致性。预测试诊断台测试输出的是150kHz-300MHz频段的电源端口频谱，150kHz-30MHz对比的是标准实验室的传导测试结果，30MHz-300MHz比对的是半电波暗室辐射发射结果。

图五 测试结果比对1-传导

上图中，左图是在研发场地进行传导辐射预测试的150kHz-300MHz阻抗网络电压测试结果，右图是标准场地传导测试结果，通过对应标记点的比较可以看出两者在传导频段的测试结果一致。

图六 测试结果比对2-传导辐射

以上图六的三张测试频谱比对图中，下图是在研发场地进行150kHz-300MHz阻抗网络电压测试结果，上图是标准场地传导和辐射测试结果，两者在传导频段的测试结果一致，辐射包络、裕量一致（样品为小功率光伏产品，主要干扰来自PV端口）。

图七 测试结果比对3-传导辐射

以上图七的三张测试频谱比对图中，下图是在研发场地进行传导辐射预测试的150kHz-300MHz阻抗网络电压测试结果，上图是标准场地传导和辐射测试结果，辐射频段超标包络与超标幅度一致。当光伏电源系统有多个电源端口同时进行测试的时候，150kHz-30MHz频谱结果对应相应端口传导测试结果，30-300MHz频谱结果对应端口的辐射发射结果，所有端口中30-300MHz最差的端口频谱对应系统的辐射发射频谱结果，研发过程中需要对每个端口进行分析和设计保证全部端口预测试满足限值和裕量要求。

研发场地的传导辐射预测试的结果能够与标准测试认证实验室的测试结果形成相关性和一致性，对于研发活动中的风险识别、设计比对、整改优化等都有很好的作用。

研发场地传导辐射诊断分析的方法

工程师在研发场地上对传导辐射进行快速预测试同时还可以方便地对出现的问题进行诊断分析。

图八 典型的研发早期传导辐射预测试频谱与分析150kHz-100MHz

研发早期的测试频谱存在诸多超标现象，通过工况比较、频谱分析、滤波参数调试、电路参数优化等方式可以对测试结果进行优化。工程实践中可以利用两台频谱分析仪同步进行预测试操作和诊断分析操作。诊断分析频谱仪配合各类探头工具如近场探头、射频电流探头、射频电压探头、近场电场探头等工具就能够对问题源头和路径进行探测和分析，也就能方便地找到解决方案。

研发场地部署的传导辐射预测试和诊断分析能力能够帮助项目在研发早期发现问题点，快速优化电路设计、滤波器设计、结构设计等确保EMC研发质量和进度，提升开发效率节约大量成本。

三、 阻抗网络进行辐射传导预测试的原理与阻抗网络设计

通过以上的应用示例和数据比对我们对该方法的使用和能力有一定了解，但对于工程应用该方法还有两个关键技术细节需要补充：一是方法的基本原理和辐射发射限值的换算，二是特殊阻抗网络的设计，以下进行介绍。

阻抗网络辐射预测试原理

传导测试是阻抗网络的基本功能，而利用特制阻抗网络实现对辐射发射的评估是该方法最大特点。基本原理是利用天线发射原理推导天线电场强度与发射端口射频电压关系从实现利用端口电压来倒推辐射发射电场，以下对这部分推导进行简要介绍。

光伏电源发射模型单一，仅有电源端口作为辐射源头，我们利用简化后的偶极子天线发射公式，对端口电压相关性进行探讨。

天线的电场发射公式中，E为距离为r米出的电场强度，D为偶极子天线的固定增益系数，Pt为注入到天线端口的总功率，Pt是唯一的变量。利用射频功率公式可以对变量Pt进行进一步分解。

天线功率公式中，天线输入的总功率Pt为输入射频电压U的平方与天线阻抗Rrad的比值，因此可以得到进一步简化的公式,其中射频电压U成为唯一的变量。

由于辐射发射测试实验室采用的双锥天线、对数天线都属于半波偶极子天线，其增益和阻抗是确定值，这里我们以D=1.6，Rrad=73Ω的典型值代入，同时将10米法辐射测试Class B等级33μV/m电场限值代入公式，可以计算出相应Class B辐射发射电场限值对应的天线端口电压值为366uV。但该计算以自由空间发射为模型，与实际辐射测试标准开阔场地面存在反射有很大差异，以反射会增大信号1倍计算，相应最大电压需要降低到183μV,转换为对数形式（45.2dBμV）。

再由于使用阻抗网络进行电压测量的阻抗为50Ω，与偶极子天线阻抗73Ω之间存在差异，当使用阻抗网络测试电压限值评估辐射发射时需要进行50/73欧的转换。

因此实际最终换算Class B辐射发射的电场限值对应端口电压限值为42dBμV，即当端口电压在42dBμV以下时辐射电场将在Class B限值之下。工程实践中如果采用9KHz带宽进行辐射频段测试，限值建议降低到37dBμV以下。

从理论中得到辐射发射限值对应的端口电压限值之后工程实践还需要对阻抗网络进行特殊设计以便将30-300MHz频段端口电压测试出来。

辐射传导预测试的特殊阻抗网络设计

标准的阻抗网络在测试频带、高频阻抗、功率密度、网侧滤波能力等方面无法满足我们测试需求。150kHz-30MHz传导测试50Ω/50μH阻抗网络是最常见的标准传导测量设备，内部有50uH的空心线圈电感用于隔离网测的电源干扰和提供一个50Ω的共模阻抗，光伏电源产品的AC口测试时就使用这一经典阻抗网络，但是PV口使用的阻抗网络是150Ω的共模阻抗，如SCHWARZBECK 的PVDC 8300-DC-AMN（LISN）单路阻抗稳定网络。不同的共模阻抗可以减小测试所用阻抗网络之间的谐振，但这些标准阻抗网络在30MHz以上高频阻抗是不稳定的，同时体积过大不能在研发场地环境密集布置，对于光伏电源产品测试需要用到的各类辅助电源设备产生的背景噪声的滤除能力也较弱，因此需要针对现实应用要求进行设计。

300MHz的应用频段拓展。我们使用的阻抗网络本身设计需要满足内部的的50μH电感应当在300MHz频段内保持阻抗正常，不能出现振荡陷波点；阻抗网络的耦合能力应当能够在300MHz以下保证高效（衰减小于6dB）。同时阻抗网络进行测试的布置也需要保证测试线缆在30-300MHz的阻抗特性稳定。

连接线缆的分布电感和分布电容受传输线高度和长度的影响，但是阻抗仅受传输线在接地参考面高度参数的影响，以空气磁导率和空气相对介电常数计算线与GRP之间的5cm高度的阻抗为50Ω，因此高频阻抗网络的结构设计和应用需要保证这一高度参数。

图九 参考车标50Ω/5μH阻抗网络传导测试布置示意图

参考军标和车标的测试布置方法，阻抗网络端口到EUT线缆长度小于20cm、走线高度和端子的距离均限制在5cm以下，同时阻抗网络和传输线要以大面积的接地参考面做参考能保证300MHz频段的阻抗稳定，如果光伏电源的干扰频谱在较低的频段时，如仅在100MHz以下有发射，则测试系统的布置条件就可以相应放宽。

网侧干扰的滤波衰减能力。标准阻抗网络的电网侧滤波能力不足，需要设计更大的滤波能力来满足对现场环境下的电源干扰滤除能力。阻抗网络本身的LC参数是一个简单的无源滤波器，但电网侧的插损小于40dB，增加一级共模π型滤波之后能够获得足够的插损对网侧完全滤波。

通流能力、绝缘耐压能力、防浪涌冲击能力、交直流通用、体积控制。考虑光伏电源的特殊应用条件，电流等级设计可以以32/64A单相和100A三相四线设计并且设计为交流直流通用能够最大满足应用场景要求；绝缘耐压设计考虑PV侧的高压需要将耐压设计提升更高的等级（设计差模耐压1kV，共模耐压2kV）；考虑研发环境大量电网负载切投还需要对抗浪涌冲击能力；考虑研发场地狭小，阻抗网络的功率密度应当尽量高，体积紧凑安装方便。

实际设计的特殊阻抗网络耦合系数在150kHz-300MHz的传导辐射测试频段内满足 0-3dB，网侧滤波器插损在传导频段满足60dB,辐射频段满足20dB，能够应用于光伏电源研发现场条件下150kHz-300MHz的传导端口电压测试。阻抗网络还可以增加差模共模分离功能，以便协助EMC工程师进行传导问题的快速诊断。

特殊设计的阻抗网络对传导测试的总的不确定度的影响可以通过校准消除，因此整体对对于传导测试的不确定度影响与标准阻抗网络基本相似。考虑研发场地端口辐射预测试的电压方法与标准测试场地之间的差异，光伏电源进行研发场地传导辐射预测试的不确定度略大于3.6dB,建议需要4dB以上裕量

特殊阻抗网络应用的要求

特殊阻抗网络用于光伏电源研发现场条件下的传导辐射预测试中有以下关键点：所有的电源端口都需要通过阻抗网络进行接入；阻抗网络和接地参考面的搭接要好；被测产品要全部放置在接地参考面之内并且距离边缘有一定距离以便获得共模容性耦合；被测产品端口到阻抗网络的端口线距小于20cm且越短越好；供电电源不能超出传导class A限值过多；阻抗网络直接接入电网时，可能因对地电容漏电流过大导致上级配电端漏电保护开关跳闸。实际应用中需注意隔离措施；接收测量设备要能一次操作完成150kHz-300MHz频段扫描。

四、 小结

本文讨论了光伏电源产品的特点和对EMC的影响，介绍了在研发场地限制条件下使用的利用特殊阻抗网络进行传导辐射预测试的原理和方法并通过数据比对验证有效性，对特殊阻抗网络的参数和设计进行简要说明。应用该方法能够帮助EMC工程师在研发现场条件下直接快速完成大部分光伏电源产品传导辐射频谱测试，对于开发效率提升和开发费用节约有很大帮助，是值得推荐的一种预测试方法，在此分享出来供大家参考，也希望专家老师批评指正。