多路輸出反激式電源電磁兼容分析

0 引言

電磁兼容性（Electromagnetic Compatibility）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。

開關(guān)電源中的功率半導(dǎo)體器件的開關(guān)頻率較高（從幾十kHz到數(shù)MHz），功率開關(guān)管的高速開關(guān)動作，不可避免地導(dǎo)致嚴重的EMI。與此同時，現(xiàn)代開關(guān)電源的功率密度急劇提高，電源內(nèi)部的電磁環(huán)境越來越復(fù)雜，比如在電源系統(tǒng)內(nèi)有多個子系統(tǒng)的場合，多個子系統(tǒng)電源之間的電磁兼容問題就更加的突出。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。

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)格見表1。圖1是150W多路輸出反激式開關(guān)電源的結(jié)構(gòu)框圖。

表1 輔助電源電氣規(guī)格

圖1 輔助電源電路方案

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)拓撲，雙芯片電流峰值控制，以減小變壓器體積。鑒于每組變換器功率等級較低，并考慮到充分利用反激式拓撲結(jié)構(gòu)簡單的特點，實際電路采取硬開關(guān)工作方式，開關(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問題以外，防止兩組變流器相互之間的電磁干擾也是難點之一。

2 電磁干擾分析

高頻開關(guān)電源中，由于功率半導(dǎo)體器件的高速開關(guān)形成的電流瞬變、電壓瞬變(di/dt和dv/dt)是不可避免的電磁噪聲源。通過對開關(guān)電源的電磁兼容分析表明：減弱噪聲源，切斷或削弱EMI傳播途徑，降低易受干擾電路的電磁敏感程度是提高開關(guān)電源EMC的關(guān)鍵。

2.1 開關(guān)電源自身引起的EMI

電流瞬變的di/dt和電壓瞬變的dv/dt由于來源和干擾途徑不同，產(chǎn)生的噪聲對電源的影響方式也不相同，主要包括2個方面。

1）近區(qū)電磁場輻射耦合可分為共模(common mode或CM)輻射和差模（differential mode或DM）輻射兩部分：

——差模輻射耦合其來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。當開關(guān)電源用于低壓大電流場合，情況更為惡劣，有數(shù)據(jù)表明[2]，di/dt典型值可達250×10⁶A/s。而這種電流的瞬變將通過寄生耦合電感M，以磁耦合的方式在其相鄰電路上形成一個感生電壓e。該電壓的幅值和di/dt的幅度成正比，即

e=M（1）

——共模輻射耦合其來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要遠大于開關(guān)動作水平。在開關(guān)電源應(yīng)用于高壓小電流場合情況更為惡劣，dv/dt典型值[2]可達到10×10⁹V/s。電壓的瞬變通過寄生耦合電容在其相鄰電路形成感生電流i。也就是說，感生電流，其源是高頻電場，可以為任何電氣節(jié)點或者電路元器件上存在的電壓瞬變。同樣，這種節(jié)點或元器件對大地E之間存在寄生電容C_d，感生出的共模電流通過C_d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dv/dt成正比，即

i=C_d（2）

從本質(zhì)上說，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)耦合均屬于近場電磁場輻射耦合，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，回路m上傳導(dǎo)電流的變化將會引起回路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

e_m=Z_m,ni；e_n=Z_n,mi（3）

2.2 外部環(huán)境對開關(guān)電源的EMI

主要來自2個方面。

1）來自電網(wǎng)中各種高頻諧波及瞬態(tài)噪聲，主要以傳導(dǎo)耦合方式進入開關(guān)電源并對電路正常工作進行干擾，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，其特點是作用時間極短，但電壓幅度高、瞬態(tài)能量大，多在時域范圍內(nèi)對其描述和分析。在國際電工委員會制定的標準中，浪涌電壓和振鈴電壓典型值峰值[5]為V_p=3000V。如果耦合到輸入濾波電容，超過MOSFET源、漏極額定耐壓值V_DS(limit)，將會擊穿MOS管或者通過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子系統(tǒng)，輔助電源還會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多種途徑進入輔助電源，干擾電路正常工作。

3 EMC設(shè)計對策

在進行EMC設(shè)計時，考慮到反激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，EMC設(shè)計應(yīng)貫穿于實驗、設(shè)計、調(diào)試的始終，包括項目設(shè)計前預(yù)先考慮到的措施，實驗中遇到問題后有針對性地采取的措施，以及經(jīng)過比較的其它方案。

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通過干擾源產(chǎn)生的噪聲磁場與被干擾回路發(fā)生磁通鉸鏈而形成。設(shè)噪聲磁場的磁通密度為B，穿過一個閉合面積為S的回路，則在該回路感生出干擾電壓e，即

e=（4）