多路輸出反激式電源電磁兼容問(wèn)題研究

1、多路輸出反激式電源電磁兼容問(wèn)題研究 錄入者:天線寶寶 |時(shí)間:2009-03-18 11:09:39 | 作者: | 來(lái)源: | 瀏覽:399次 引言電磁兼容性（ElectromagneticCompatibility）是指電氣設(shè)備（系統(tǒng)、子系統(tǒng)）在共同的電磁環(huán)境中，能一起正常執(zhí)行各自功能而不降低自身性能，它包括了電磁干擾(EMI)和電磁敏感（EMS）兩方面的內(nèi)容。EMI是指電氣設(shè)備成為電磁環(huán)境中電磁污染源，EMS則是指電氣產(chǎn)品能在預(yù)期的電磁環(huán)境中正常工作的能力。開(kāi)關(guān)電源中的功率半導(dǎo)體器件的開(kāi)關(guān)頻率較高（從幾十kHz到數(shù)MHz），功率開(kāi)關(guān)管的高速開(kāi)關(guān)動(dòng)作，不可避免地導(dǎo)致嚴(yán)重的EMI。與此同時(shí)，

2、現(xiàn)代開(kāi)關(guān)電源的功率密度急劇提高，電源內(nèi)部的電磁環(huán)境越來(lái)越復(fù)雜，比如在電源系統(tǒng)內(nèi)有多個(gè)子系統(tǒng)的場(chǎng)合，多個(gè)子系統(tǒng)電源之間的電磁兼容問(wèn)題就更加的突出。因此，為了提高大功率逆變器的抗干擾性及可靠性，必須重視電源系統(tǒng)的電磁兼容性設(shè)計(jì)。1 電路概述與方案介紹本文所分析的反激式電源用作5kW恒流逆變器中的輔助電源，其輸出多達(dá)10路，除數(shù)字地外其它輸出均要求電氣隔離。電氣規(guī)格見(jiàn)表1。圖1是150W多路輸出反激式開(kāi)關(guān)電源的結(jié)構(gòu)框圖。 由于存在高頻變壓器繞制以及原邊與多路副邊繞組不易耦合等諸多困難，在方案選擇上，該電源采取了兩組反激式DC/DC變換器并聯(lián)拓?fù)?，雙芯片電流峰值控制，以減小變壓器體積。鑒于每組變換器功

3、率等級(jí)較低，并考慮到充分利用反激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，實(shí)際電路采取硬開(kāi)關(guān)工作方式，開(kāi)關(guān)頻率為100kHz。由于是兩組高頻變壓器相互并聯(lián)，原邊共用整流橋輸出直流母線電壓，因此，除考慮每組變流器原副邊以及與工頻電網(wǎng)的EMI問(wèn)題以外，防止兩組變流器相互之間的電磁干擾也是難點(diǎn)之一。1）近區(qū)電磁場(chǎng)輻射耦合可分為共模(commonmode或CM)輻射和差模（differentialmode或DM）輻射兩部分：差模輻射耦合其來(lái)源主要是瞬變電流的di/dt，耦合途徑為兩電路之間的寄生磁耦合電感M。當(dāng)開(kāi)關(guān)電源用于低壓大電流場(chǎng)合，情況更為惡劣，有數(shù)據(jù)表明2，di/dt典型值可達(dá)250106A/s。而這種電流的瞬變

4、將通過(guò)寄生耦合電感M，以磁耦合的方式在其相鄰電路上形成一個(gè)感生電壓e。該電壓的幅值和di/dt的幅度成正比，即共模輻射耦合其來(lái)源主要是瞬變電壓的dv/dt，耦合途徑是兩電路間的分布電容C。與di/dt類似，dv/dt要遠(yuǎn)大于開(kāi)關(guān)動(dòng)作水平。在開(kāi)關(guān)電源應(yīng)用于高壓小電流場(chǎng)合情況更為惡劣，dv/dt典型值2可達(dá)到10109V/s。電壓的瞬變通過(guò)寄生耦合電容在其相鄰電路形成感生電流i。也就是說(shuō)，感生電流，其源是高頻電場(chǎng)，可以為任何電氣節(jié)點(diǎn)或者電路元器件上存在的電壓瞬變。同樣，這種節(jié)點(diǎn)或元器件對(duì)大地E之間存在寄生電容Cd，感生出的共模電流通過(guò)Cd流向大地，并最終流經(jīng)電源輸入端內(nèi)阻形成環(huán)路。感生電流i幅值和

5、dv/dt成正比，即從本質(zhì)上說(shuō)，由元器件或電路布線中寄生參數(shù)形成的電感性和電容性直接傳導(dǎo)耦合均屬于近場(chǎng)電磁場(chǎng)輻射耦合，大都可歸結(jié)為以上兩種類型。2）公共阻抗傳導(dǎo)耦合兩電路(m和n)之間存在有公共阻抗時(shí)，回路m上傳導(dǎo)電流的變化將會(huì)引起回路n電壓變化。公共阻抗包括設(shè)備安全地和接地網(wǎng)絡(luò)中的公共阻抗（公共阻抗主要是公共電阻以及電氣連線的寄生電感）。公共阻抗耦合的本質(zhì)屬于直接傳導(dǎo)耦合，干擾源是di/dt，造成的干擾表現(xiàn)為差模電壓e，即em=Zm,ni；en=Zn,mi（3）2.2 外部環(huán)境對(duì)開(kāi)關(guān)電源的EMI主要來(lái)自2個(gè)方面。1）來(lái)自電網(wǎng)中各種高頻諧波及瞬態(tài)噪聲，主要以傳導(dǎo)耦合方式進(jìn)入開(kāi)關(guān)電源并對(duì)電路正常

6、工作進(jìn)行干擾，通常也被稱為瞬態(tài)干擾。瞬態(tài)干擾表現(xiàn)為交流電網(wǎng)上出現(xiàn)的浪涌電壓、振鈴電壓、火花放電等瞬間干擾信號(hào)，其特點(diǎn)是作用時(shí)間極短，但電壓幅度高、瞬態(tài)能量大，多在時(shí)域范圍內(nèi)對(duì)其描述和分析。在國(guó)際電工委員會(huì)制定的標(biāo)準(zhǔn)中，浪涌電壓和振鈴電壓典型值峰值5為Vp=3000V。如果耦合到輸入濾波電容，超過(guò)MOSFET源、漏極額定耐壓值VDS(limit)，將會(huì)擊穿MOS管或者通過(guò)變壓器耦合到輸出端造成其他危害。2）作為大功率逆變器的一個(gè)子系統(tǒng)，輔助電源還會(huì)受到逆變器主功率電路發(fā)出的高頻電磁噪聲輻射。輻射能量很可能通過(guò)多種途徑進(jìn)入輔助電源，干擾電路正常工作。3 EMC設(shè)計(jì)對(duì)策在進(jìn)行EMC設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到反激

7、式多路輸出電源電磁干擾以及電源包括兩組子系統(tǒng)的特點(diǎn)，EMC設(shè)計(jì)應(yīng)貫穿于實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)、調(diào)試的始終，包括項(xiàng)目設(shè)計(jì)前預(yù)先考慮到的措施，實(shí)驗(yàn)中遇到問(wèn)題后有針對(duì)性地采取的措施，以及經(jīng)過(guò)比較的其它方案。 3.1 減弱差模輻射耦合如圖2所示，耦合途徑為寄生磁耦合電感M通過(guò)干擾源產(chǎn)生的噪聲磁場(chǎng)與被干擾回路發(fā)生磁通鉸鏈而形成。設(shè)噪聲磁場(chǎng)的磁通密度為B，穿過(guò)一個(gè)閉合面積為S的回路，則在該回路感生出干擾電壓e，即e=(dBS)dt(4)式中：B和S均為矢量。結(jié)合式（1）及式（4）容易推得，寄生磁耦合電感M與涉及的干擾回路面積S成正比例關(guān)系。在圖2中，存在有較大的di/dt的回路主要包括變壓器輸入側(cè)環(huán)路S0，二次側(cè)環(huán)路

8、S1和S2以及驅(qū)動(dòng)環(huán)路S3。仔細(xì)設(shè)計(jì)電路板走線，盡可能減小上述回路的圍繞面積。將高頻去耦電容Cd0盡量靠近變壓器原邊和MOS管，Cd1盡量靠近負(fù)載，以求減小圍繞面積S0與S2，并且要求Cd0和Cd1是低ESR和低ESL的電容器。電源輸出端至負(fù)載的引線應(yīng)盡可能地短，而且多路輸出每一路都要使用雙絞線，因?yàn)?，相鄰絞環(huán)中在同一導(dǎo)體上產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)方向相反，相互抵消，這對(duì)電磁干擾起到較好的抑制作用。3.2 減弱共模輻射耦合參照?qǐng)D3，由式（2）可得，共模電流Icm1及Icm2的幅值與兩電氣節(jié)點(diǎn)與處dv/dt和對(duì)PE（安全地）的分布電容Cd1和Cd2的積成正比。圖中節(jié)點(diǎn)是MOS管漏極與變壓器原邊的連接點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)

9、為變壓器二次側(cè)與輸出二極管的連接點(diǎn)。共模電流輻射強(qiáng)度與共模電流圍繞回路面積有關(guān)，也就是說(shuō)，電磁輻射強(qiáng)度和電流環(huán)路面積成正比，這里環(huán)路面積用陰影面積表示。因此，減弱共模輻射耦合應(yīng)從3個(gè)方面入手，即減小dv/dt；減小分布電容；減小共模電流環(huán)路面積。節(jié)點(diǎn)及存在非常大的電壓瞬變，因而在節(jié)點(diǎn)及處布線應(yīng)當(dāng)占用盡可能小的面積，以減小分布電容值。分布電容一般為pF級(jí)，因而在低頻段（1MHz）其阻抗影響非常顯著，需要濾波器對(duì)共模電流進(jìn)行衰減，共模扼流圈電感值一般取10100mH。裝在MOS管上的散熱器由于表面積很大，其對(duì)節(jié)點(diǎn)的分布電容必須考慮。由圖4可知，采用屏蔽方法將銅箔夾在散熱器和MOS管之間，使原有分布

10、電容Ck變成相互串聯(lián)的Ck1和Ck2，從而減小了分布電容。散熱器和變壓器磁芯同樣存在電壓瞬變，將散熱器和磁芯屏蔽分別就近與節(jié)點(diǎn)及連接，用以抑制散熱器和磁芯的電壓瞬變，并縮短共模電流的耦合路徑。3.3 減弱公共阻抗傳導(dǎo)耦合減弱公共阻抗傳導(dǎo)耦合，就是仔細(xì)布線以避免兩電氣回路的公共阻抗部分。其中尤為重要的是地線的鋪設(shè)，要遵循“模擬部分地和數(shù)字部分地分開(kāi)，功率部分地和控制部分地分開(kāi)”的原則在實(shí)際鋪設(shè)中采取了“星狀地”形式，如圖5所示，避免使用環(huán)形地。所謂“星狀地”是指不同回路地單獨(dú)走線，最后匯集到一點(diǎn)O。O點(diǎn)通常是去耦電容或者濾波電容的陰極。比如在控制芯片周圍，驅(qū)動(dòng)回路的地單獨(dú)從控制芯片的去耦電容（O

11、1點(diǎn)）出發(fā)，連接到輸入端濾波電容處（O2點(diǎn)），而MOS管源極功率部分引線也直接接入O2點(diǎn)。電壓和電流反饋信號(hào)的地線均單獨(dú)接入星狀點(diǎn)O1。圖5中L1及L2分別為電壓反饋和電流反饋的地線接入端。Cd1為控制（驅(qū)動(dòng)）電路的電源去耦電容，Cd0為輸入濾波電容。 3.4 減弱外部電磁場(chǎng)干設(shè)計(jì)合理的EMI濾波器。EMI濾波器除能衰減開(kāi)關(guān)電源對(duì)電網(wǎng)的EMI之外，還能夠衰減電網(wǎng)引進(jìn)的部分瞬態(tài)干擾。需要強(qiáng)調(diào)的是，增加安全地(PE)對(duì)衰減共模電流，抑制外界瞬態(tài)干擾十分必要。如圖6所示，在交流進(jìn)線端并聯(lián)高頻CBB電容Ca（2.2nF）和壓敏電阻(VSR)對(duì)瞬態(tài)電壓進(jìn)行箝位。除了對(duì)電路采取局部屏蔽措施外，在調(diào)試過(guò)程中

12、還使用了整體屏蔽罩，以降低輔助電源子系統(tǒng)對(duì)外界的電磁輻射干擾。接入屏蔽罩的輸入、輸出引線（屏蔽線）應(yīng)當(dāng)盡量短，并且要妥善接地。3.5 減弱電壓瞬變和電流瞬變從上述分析可知，EMI的強(qiáng)度都和dv/dt和di/dt成正比。而由變壓器漏感和二極管反向恢復(fù)等引起的電壓、電流的過(guò)沖和振鈴相比開(kāi)關(guān)周期非常的窄，會(huì)造成強(qiáng)的寬頻的瞬態(tài)電磁噪聲。因此，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，有針對(duì)性地對(duì)電路各部分的電壓、電流的過(guò)沖和振鈴進(jìn)行了抑制。3.5.1 針對(duì)開(kāi)關(guān)管1）考慮減慢MOS管的開(kāi)關(guān)速度，采取增大門極驅(qū)?電阻，減小驅(qū)動(dòng)電流來(lái)實(shí)現(xiàn)。但是要注意適度，因?yàn)殚_(kāi)關(guān)速度越慢，MOS管的開(kāi)通時(shí)間、關(guān)斷時(shí)間都相應(yīng)延長(zhǎng)，開(kāi)關(guān)損耗隨之增大，會(huì)造

13、成開(kāi)關(guān)管過(guò)熱，使變流器效率降低。2）采用RCD緩沖電路，吸收變壓器原邊漏感產(chǎn)生的尖峰，減小MOS管的應(yīng)力，同時(shí)減小EMI。當(dāng)開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)，變壓器漏感能量轉(zhuǎn)移到電容C上來(lái)，然后由電阻R將這部分能量消耗。3.5.2 針對(duì)變壓器二次側(cè)續(xù)流回路在續(xù)流二極管D旁并聯(lián)RC吸收電路，同時(shí)與續(xù)流二極管D串接可飽和磁芯電感Ls，如圖8所示?？娠柡痛判揪€圈在通過(guò)正常電流時(shí)磁芯飽和，電感量很小，不會(huì)影響電路正常工作；一旦電流要反向流過(guò)時(shí)，磁芯線圈將產(chǎn)生很大的反電勢(shì)，阻止反向電流的上升，因此，將它與二極管D串聯(lián)就能有效地抑制二極管的反向浪涌電流。一種小型磁環(huán)，可以直接套在二極管的正極引線上，使用很方便。4 結(jié)語(yǔ)上述的

14、一些方法是針對(duì)一個(gè)具體的電源，從減小干擾源和切斷干擾途徑來(lái)進(jìn)行分析研究的。由于電路拓?fù)洳扇〉氖怯查_(kāi)關(guān)電路，EMI的問(wèn)題是其比較難以解決的問(wèn)題。應(yīng)當(dāng)說(shuō)明的是，盡管軟開(kāi)關(guān)工作方式較之硬開(kāi)關(guān)工作方式對(duì)減小開(kāi)關(guān)管的電流和電壓應(yīng)力效果是顯著的，但由于實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)的方式存在多種途徑，其中一些途徑引入的有源及無(wú)源元器件在特定工作狀態(tài)和本身雜散參數(shù)的影響下，亦會(huì)成為EMI源，同樣不可忽視。因而是否采用可以降低開(kāi)關(guān)應(yīng)力的軟開(kāi)關(guān)電路，尚須有關(guān)試驗(yàn)結(jié)果來(lái)證實(shí)。另外，由于該開(kāi)關(guān)電源存在兩組并聯(lián)的情況，各組之間存在未知的干擾，究竟是共模還是差模，需要在實(shí)驗(yàn)中比較檢驗(yàn)。況且控制電路沒(méi)有采用同步方式，不同步的開(kāi)關(guān)相位引起的相

15、互的干擾更加不可預(yù)料，有待進(jìn)一步研究。3.5.3 針對(duì)變壓器的漏感在反激式拓?fù)渲校蓪⒆儔浩鞯刃槔硐胱儔浩骱驮吋ご烹姼械牟⒙?lián)。為了傳送足夠的功率，變壓器必須添加氣隙，以便在磁路中儲(chǔ)存能量，因而磁漏一般都較大。在實(shí)際繞制變壓器時(shí)，采取了三明治繞法以減小漏感。以其中一組變壓器為例，最里一層為原邊繞組，第二、三層是副邊，最外一層仍是原邊。這種繞法增強(qiáng)了原副邊的耦合程度，減小了變壓器漏感，這樣可以減小開(kāi)關(guān)管上的尖峰電壓，由散熱器回路產(chǎn)生的共模干擾也會(huì)大幅度降低。三明治繞法的缺點(diǎn)是原邊繞組從內(nèi)層到外層穿越了中間的副邊繞組，在變壓器中軸端側(cè)絕緣性能大大降低，對(duì)于耐高壓實(shí)驗(yàn)是不利的，因而多用在對(duì)絕緣性能要求不高的場(chǎng)合。3.6 反饋環(huán)節(jié)的調(diào)整在電路調(diào)試中，反饋環(huán)節(jié)調(diào)整至關(guān)重要，EMI往往是造成反饋環(huán)節(jié)特性差，電路出現(xiàn)振蕩的主要原因。由于使用的是電流峰值控制，反饋包括電壓和電流反饋。比如，在電流采樣電阻端添加的RC濾波網(wǎng)絡(luò)，是一個(gè)低通濾波網(wǎng)絡(luò)，示波器觀察，添加前后，開(kāi)關(guān)管開(kāi)通瞬間的電流毛刺降低了約3/4。而電壓反饋開(kāi)始也采用了RC分壓濾波網(wǎng)絡(luò)，即在