一種新型功率變換器的電磁干擾分析及抑制

前言：

電源是一種功率變換系統(tǒng),它對于一切電子設(shè)備都是必不可少的組成部分，作為系統(tǒng)能量之源，其輸出電壓電流的質(zhì)量對其所在電子設(shè)備的穩(wěn)定性、可靠性及電磁兼容性（EMC）都起到了全局性和決定性的影響！開關(guān)電源（SMPS）已在大多數(shù)電子設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用，但電源自身產(chǎn)生的高密度、寬頻譜的電磁信號卻形成了嚴(yán)重的電磁干擾，這些干擾隨著開關(guān)頻率的提高、輸出功率的增大而明顯地增強(qiáng)，構(gòu)成了一個強(qiáng)電磁干擾（EMI）源，對電子設(shè)備的正常運(yùn)行構(gòu)成嚴(yán)重的威脅。而相對的是復(fù)雜的電磁環(huán)境卻要求電子設(shè)備具有更高的電磁兼容性，電磁兼容是指在有限的空間、時間和頻譜范圍內(nèi)，各種電氣設(shè)備共存而不引起性能的下降。電磁兼容問題已成為各領(lǐng)域乃至各國政府越來越關(guān)心的問題！因此，只有解決開關(guān)電源的電磁兼容性問題，才能保證其輸出精度、效率及穩(wěn)定性，保證其符合EMC法規(guī)指標(biāo)并為其所在電子系統(tǒng)提供安全、精良、可靠的能源。本文首先結(jié)合并聯(lián)諧振倍壓變換器對開關(guān)電源的整體EMI情況包括干擾源、耦合路徑以及敏感電路進(jìn)行了確定和分析，并同時闡述了開關(guān)電源EMI產(chǎn)生的機(jī)理，在此基礎(chǔ)上提出了開關(guān)電源EMC設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)以及在EMC設(shè)計(jì)過程中應(yīng)著重處理的技術(shù)環(huán)節(jié)，最后提出并總結(jié)了解決開關(guān)電源電磁兼容問題的方法和思路和開關(guān)電源EMI抑制技術(shù)。

圖1：SMPS的基本組成

一：SMPS的基本構(gòu)成：

如圖1所示，交流電經(jīng)整流橋進(jìn)入電源的核心部分--用以進(jìn)行功率轉(zhuǎn)換的DC/DC變換器，此外還有啟動、過流與過壓保護(hù)、噪聲濾波等電路，這些電路可統(tǒng)稱為控制電路。輸出采樣電路（R1、R2）檢測輸出電壓變化，并與基準(zhǔn)電壓Uf比較，誤差電壓經(jīng)過放大及脈寬調(diào)制（PWM）電路，再經(jīng)過驅(qū)動電路控制功率器件的占空比，從而達(dá)到調(diào)整輸出電壓大小的目的。

二：開關(guān)電源EMI的分析：

開關(guān)電源產(chǎn)生EMI的原因較多，其內(nèi)部電磁兼容問題也比較復(fù)雜，包括主電路和控制電路各自及其之間的EMC問題、主電路的EMI和控制電路的電磁敏感性（EMS）問題、主電路與電網(wǎng)、主電路與負(fù)載、電力電子設(shè)備之間的EMC問題等，其中由基本整流器產(chǎn)生的電流高次諧波干擾和變壓器型功率轉(zhuǎn)換電路產(chǎn)生的尖峰電壓干擾是主要原因。開關(guān)電源的EMI特點(diǎn)比較明顯，其電壓、電流變化率很高，電源線路內(nèi)的dv/dt、di/dt較大，產(chǎn)生很大的浪涌電壓、浪涌電流和其它雜散噪聲，同時向外輻射強(qiáng)電場和強(qiáng)磁場；干擾的主要形式為傳導(dǎo)干擾和近場干擾；干擾源主要集中在功率開關(guān)器件以及與之相連的散熱器和高頻變壓器且地線電流嚴(yán)重；PCB分布參數(shù)的提取和近場干擾預(yù)估的難度較大?，F(xiàn)結(jié)合SMPS結(jié)構(gòu)（圖1）及并聯(lián)諧振倍壓變換器（圖2）為例介紹開關(guān)電源EMI的干擾源的主要位置及干擾機(jī)理。

圖2：某DC/DC功率變換器EMI示意圖

1、輸入整流回路的噪聲：
如圖2中一次整流回路所示，基本整流器的整流過程是產(chǎn)生EMI最常見的原因。這是因?yàn)檎也娫赐ㄟ^由D1～D4組成的整流器B后變成單向脈動電流已不再是單一頻率的電流，此電流波可分解為一直流分量和一系列頻率不同的交流分量之和。實(shí)驗(yàn)表明，諧波（特別是高次諧波）會沿著輸電線路產(chǎn)生傳導(dǎo)干擾和輻射干擾，一方面使接在其前端電源線上的電流波形發(fā)生畸變，另一方面通過電源線產(chǎn)生射頻干擾。
2、開關(guān)回路的噪聲：
變壓器型功率轉(zhuǎn)換電路用以實(shí)現(xiàn)變壓、變頻以及完成輸出電壓調(diào)整，是開關(guān)穩(wěn)壓電源的核心，主要由開關(guān)管Q1、Q2和高頻變壓器T組成。它產(chǎn)生的尖峰電壓是一種有較大幅度的窄脈沖，其頻帶較寬且諧波比較豐富。產(chǎn)生這種脈沖干擾的主要原因是：
（1）開關(guān)功率晶體管感性負(fù)載是高頻變壓器或儲能電感，在開關(guān)管關(guān)斷的瞬間，變壓器T初級出現(xiàn)很大的浪涌電流，將造成尖峰噪聲。這個尖峰噪聲實(shí)際上是尖脈沖，輕者造成干擾，重者有可能擊穿開關(guān)管。
（2）由高頻變壓器產(chǎn)生的干擾：當(dāng)原來導(dǎo)通的開關(guān)管關(guān)斷時，變壓器的漏感所產(chǎn)生的反電勢：E=－Ldi/dt ，其值與集電極的電流變化率（di/dt）成正比，與漏感量成正比，疊加在關(guān)斷電壓上，形成關(guān)斷電壓尖峰，形成傳導(dǎo)性電磁干擾，既影響變壓器的初級，還會傳導(dǎo)向配電系統(tǒng)，影響其它用電設(shè)備的安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。
3、輸出整流回路的噪聲：
如圖2中二級整流回路，是由輸出整流二極管產(chǎn)生的干擾。圖2中在輸出整流二極管D6、D7截止時，有一個反向電流，它恢復(fù)到零點(diǎn)的時間與結(jié)電容等因素有關(guān)。其中能將反向電流迅速恢復(fù)到零點(diǎn)的二級管稱為硬恢復(fù)特性二極管，這種二極管在變壓器漏感和其它分布參數(shù)的影響下，將產(chǎn)生較強(qiáng)的高頻干擾，其頻率可達(dá)幾十MHz。
4、非主回路噪聲：
非主回路既是主回路以外的電路包括輸入輸出控制回路等，一般指圖1中除輸入及DC/DC變換器以外的部分，其中PWM部分的脈沖控制信號是主要的噪聲源。輸入回路易受電網(wǎng)的影響，而輸出回路易受負(fù)載的影響，也都容易將噪聲耦合到開關(guān)電源內(nèi)部。
5、各種元器件及回路的寄生分布參數(shù)引起的噪聲：
如圖3中所示，在EMI的頻率范圍內(nèi)，常用的無源器件都不能再被認(rèn)為是理想的，它們的寄生參數(shù)嚴(yán)重影響著它們的高頻特性。特別是變壓器的許多寄生參數(shù)，例如：漏感，原付邊之間的分布電容等，都必須加以考慮。圖4中，一是Co的作用。散熱片k與開關(guān)管Q的集電極間雖然有絕緣墊片，但由于其接觸面較大，絕緣墊較薄，因此兩者之間的分布電容Co在高頻時不能忽略。因此高頻電流會通過Co流到散熱片上，再流到機(jī)殼地，最終流到與機(jī)殼地相連的交流電源的保護(hù)地線de中，以產(chǎn)生共模輻射。二是C12的作用。脈沖變壓器的初、次級之間存在的分布電容C12，可能會將原邊高頻電壓直接耦合到副邊上去，在副邊用作直流輸出的兩條電源線上產(chǎn)生同相位的共模噪聲。