交流 AC/DC模块滥用共模电容的故障影响分析

张全华，廖龙彬，阳静，龙杭

四川长虹电源有限责任公司，四川 绵阳 621000； 中国人民解放军 93147部队，四川 绵阳 621000

摘要：随着现代能源行业技术的发展，涉及能源变换的各种模块电路得到了非常广泛的应用，其中交流AC/DC模块主要实现交流电到直流电的能量转换，但模块的电磁兼容性能往往影响着输入输出信号的品质以及功能的实现。通过差模电容、共模电容、电感等器件的合理使用才能使得交流AC/DC模块具有良好的电磁兼容性。

本文的研究是基于滥用共模电容造成交流AC/DC模块功能异常开展的，通过故障现象进行设计分析。利用现有产品进行实验验证，结果表明，交流信号通过共模电容造成地回路干扰，地回路干扰导致交流充电模块控制端异常。本文的研究提供了共模电容不合理使用造成功能电路异常的案例，通过机理分析及试验验证，有助于提高AC/DC模块的设计应用能力。

关键词：共模电容；AC/DC模块；地回路干扰导致

1. 故障情况概述

AC/DC模块电路接入115V_AC/400H_Z交流电源，无电压输出，蓄电池组负载无法正常交流充电，无充电电流，产品报充电故障。

2. 故障分析

   1. AC/DC模块电路原理分析

图1为控制器AC/DC模块电路原理图，整流电路将115V_AC/400H_Z单相交流整流为直流电源为电路供电，当逻辑控制电路检测到充电电源时，输出控制信号，驱动光电耦合器U103导通，即接通DC/DC变换器U101的控制端，开启DC/DC变换器，输出充电电流，实现限压恒流充电。逻辑控制电路根据AC/DC模块电路开通状态及充电电流对该部分功能进行判断。

图1 AC/DC模块电路原理图

1. 1. 1. “AC/DC模块电路”故障树分析

结合电路原理图，对故障现象建立故障树分析，见图2。

图2“AC/DC模块电路”故障树

按照故障树对返厂故障件进行排查，首先观察硬件电路，未发现元器件烧焦和脱焊的异常现象，同时电连接器、工艺走线、螺钉螺母均未出现松动、磨损等异常情况。通电测试逻辑电路控制电平输出正常，模块U101输入端电压为161V，正常，但模块无输出电压。

将充电控制端强制接通，万用表测得充电输出电压正常，充电端口电压正常，故充电功率回路正常。通电强制接通DC组件，测得回路中流经取样电阻的电流恒定，且通过改变取样电阻的阻值，测得回路电流及电流检测回路输出电平发生相应改变，故充电电流调节回路及检测回路正常。

经故障树分析，本次AC/DC模块电路故障由充电控制回路故障导致。模块控制端口电路见图3，当控制器输出低电平控制信号，驱动光耦U103导通，接通模块控制端，开通模块。

图3 模块控制端电路图

进一步对充电控制回路的故障模式进行分析，如图4。

图4 “充电控制回路”故障树

局部观察故障件电路，控制回路各元器件的贴片焊接工艺、导线工艺以及器件外观均无异常，将一台产品U101光耦取下，测试光耦能正常控制导通和断开，器件正常，同时将电阻及电容取下，测得电阻阻值及电容容值均在误差范围内，器件参数正常。

示波器测试模块控制端波形如图5所示，波形叠加了400Hz交流的成分，该波形电压平均值大于3V，正常电平约为0V。查询模块技术参数，不满足模块开通条件，故无输出电压。

图5 故障件模块控制端波形图

分析交流电路的工作原理，发现控制回路中存在C118和C119共模噪声抑制电容，但C119的存在对模块控制端引入了地回路干扰，存在400Hz交流成分，波形异常，去掉C119电容，控制端口波形恢复正常，无400Hz交流的成分，如图6所示。

图6 去掉C119模块控制端波形图

1. 1. 2. 故障定位

通过上述分析，“AC/DC模块电路故障”原因为地回路通过C119对交流充电模块控制端形成干扰，导致波形异常，使得控制器报故。通过去掉C119电容可切断干扰路径，即可使产品功能正常。

3. 机理分析

   1. 交流回路原理分析

通过故障分析及定位，模块控制端电路，光耦导通时，模块控制端受共模噪声抑制电容的影响，耦合了400Hz交流的成分。对模块控制端开展了交流回路分析，交流电路等效原理图见图7，图中A点为模块控制+Von/off端，B点为模块控制-Von/off端。

图7 交流回路原理示意图

如图7所示，交流输入为正半周时，功率回路如图8中红色线所示，地回路如图中蓝色线所示，此时以壳体为参考点，示波器测出B点交流正向峰值电平较低，如图10。当交流输入为负半周时，功率回路如图9中红色线所示，地回路如图中绿色线所示，此时以壳体为参考点，示波器测出B点交流负向峰值电平较高，如图11（图中幅值已衰减10倍）。

图8 交流正半周工作示意图

图9 交流负半周输入示意图

图

10 报故产品B点（模块控制-Von/off）对壳体波形图

示波器测试模块控制端波形如图16所示，波形叠加了400Hz交流的成分。

图11 报故产品模块控制端波形图

对模块控制端进行电路等效分析，如图12。

图12 模块控制端局部等效电路图

如上图所示，以壳体为参考点，当光耦处于相同导通状态时，地线回路经电容C113和C119，在模块控制端形成400Hz的叠加波形，造成干扰，且C113：C119的比值越大，模块控制端所叠加的交流成分有效值越小，即控制端波形电平有效值越小，当电容C113和电容C119容值一定时，光耦导通能力越强，同样可使得控制端波形电平有效值越小。

图13为将电容C119的容值由223更改为102的测试波形，通过波形可以看出，模块控制端波形电平有效值很小，已完全不影响模块的开启，但地线干扰回路依然存在。

图13 电容C119更改为102容值模块控制端测试图

去掉C119电容，切掉地线干扰路径，控制端口波形恢复正常，无400Hz交流的成分。

图14 去掉C119模块控制端波形图

将交流中线与壳体断开，切掉地线干扰路径，控制端口波形恢复正常，无400Hz交流的成分，如图15所示。

图15 交流中线与壳体断开模块控制端波形图

基于上述对交流回路的理论分析，地线回路经电容C113和C119，在模块控制端形成400Hz的叠加波形，造成干扰。地回路对模块控制端的干扰程度受光耦传输比以及电容C119、C113参数的影响,但元器件参数因使用时间以及环境温度而不同，不易采取改变器件参数的方法进行避免此故障，治标不治本。

形成干扰必须具备三个要素（即干扰源、传播途径、敏感设备），干扰源为115V_AC/400H_Z交流电源，无法改变，敏感设备为控制器交流充电模块，该模块实现充电功能，无法改变，故只能通过切断干扰回路的传播途径进行解决。装机使用中，中线与壳体理应连接在一起，无法取消，故通过去掉C119电容可实现切断干扰路径，使产品功能正常。

1. 2. 机理分析结果

故障的根本原因在于：地回路干扰导致交流充电模块控制端异常。地线回路经电容C113和C119，在模块控制端形成400Hz的叠加波形，造成干扰。地回路对模块控制端的干扰程度受光耦传输比以及电容C119、C113参数的影响。

当系统仅接入交流115V_AC/400H_Z交流电源时，异常的控制波形无法满足模块开通条件时，使得模块无输出电压，无法实现交流充电。

4. 改进措施

控制器经过故障定位及机理分析，故障原因为：地回路干扰导致交流充电模块控制端异常。

改进措施需针对干扰形成的三个要素（即干扰源、传播途径、敏感设备）。干扰源为115V_AC/400H_Z交流电源，无法改变，敏感设备为控制器交流充电模块，该模块实现充电功能，无法改变。

元器件参数因使用时间以及环境温度而不同，不易采取改变器件参数的方法进行避免此故障，治标不治本。

装机使用中，中线与壳体理应连接在一起，无法取消，故通过去掉C119电容可实现切断干扰路径，保证模块开通及关断的有效性，确保不会出现异常报故。

5. 去掉C119电容对电磁兼容各项要求的影响

   1. 理论分析

CE101是测试电源线25Hz～10kHz的传导发射干扰，CE102是测试电源线10kHz～10MHz的传导发射干扰，测试点为电源线，充电模块电源线和控制端的对壳电容是针对10MHz～30MHz频段的电磁干扰进行滤波，因此，去掉C119电容对CE101和CE102没有影响。

RE101是测试25Hz～100kHz磁场辐射发射干扰，由于电容两端电压不能突变，其本质上是抑制电场干扰，不能直接解决磁场干扰问题，此外，充电模块电源线和控制端的对壳电容是针对10MHz～30MHz频段的电磁干扰进行滤波，所以，去掉C119电容对RE101没有影响。

RE102是测试产品10kHz～18GHz的电场辐射发射，控制器的电磁干扰是充电模块产生的开关频率及其高次谐波，电磁干扰主要是通过充电模块输入端和输出端的电源线进行传导干扰和辐射干扰。由于控制器前端加装了滤波组件，所有与外部设备交联的回路均进行了滤波处理，且控制器整体为金属屏蔽，控制器主要干扰得到了有效控制。充电模块的控制端为弱电信号，电磁干扰能量小，且控制端与外部设备无交联关系，控制端的电磁干扰不会直接通过回路传输到控制器外，因此，去掉C119电容对RE102应无影响。

RS103是测试产品10kHz～40GHz的电场辐射敏感度，外界施加的电磁干扰通过线缆和空间进入设备。控制器整体为金属屏蔽，可以防止空间中的电磁干扰进入设备；控制器输入端加装了的滤波组件，所有回路均进行了滤波处理，耦合在线缆上的电磁干扰通过滤波组件衰减后，不会对控制器产生干扰，所以，去掉C119电容对RS103应无影响。

CS114、CS115、CS116是测试产品的传导敏感度，控制器输入端加装了滤波组件，所有回路均进行了滤波处理，线缆上注入的电磁干扰通过滤波组件衰减后，不会对控制器产生干扰，所以，去掉C119电容对CS114、CS115、CS116应无影响。

1. 2. 试验验证

在充电模块的电源线和控制端分别对壳体加装电容目的是为了抑制RE102项目中10MHz～30MHz频段的电场辐射干扰。

将产品201701001^#落实改进措施，去掉C119后，经过出厂检验合格，委托成都必控对控制器进行了RE102试验验证，未去掉C119电容的RE102测试图谱见图23、去掉C119电容的RE102测试图谱见图24。

图23 未去掉C119电容的RE102测试图谱

图24 去掉C119电容的RE102测试图谱

发现控制器去掉C119电容RE102测试图谱趋势相同，去掉C119电容前后，RE102测试图谱差异很小，进一步验证了去掉C119电容对控制器的RE102测试结果没有影响。

6. 结论

通过故障定位及机理分析，控制器的故障原因为：地回路干扰导致交流充电模块控制端异常，通过去掉C119电容可切断干扰路径。去掉C119电容，可解决该故障，且不影响其它功能性能。

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