隔離偏置變壓器寄生電容如何影響 EMI 性能

小型隔離電源為從電動汽車牽引逆變器到工廠控制模塊等應用中的隔離柵提供電力。在本電源提示中，我將研究不同的隔離式偏置電源拓撲及其電磁干擾 (EMI) 性能。正如您將看到的，隔離變壓器上的寄生電容是共模噪聲傳播的主要因素。

小型隔離電源為從電動汽車牽引逆變器到工廠控制模塊等應用中的隔離柵提供電力。在本電源提示中，我將研究不同的隔離式偏置電源拓撲及其電磁干擾 (EMI) 性能。正如您將看到的，隔離變壓器上的寄生電容是共模噪聲傳播的主要因素。
在牽引逆變器中，柵極驅動器驅動高功率開關——通常是絕緣柵雙極晶體管 (IGBT) 或碳化硅 (SiC) MOSFET——在高壓電池和電機之間轉換能量（見圖 1 ）。柵極驅動器通常是隔離的，柵極驅動器 IC 的一部分連接到低壓域（初級側），另一部分連接到高壓域（次級側）。柵極驅動控制信號來自初級側的微控制器，并傳遞到次級側以打開和關閉電源開關。

隔離式柵極驅動器的次級側需要隔離電源來驅動功率開關的開通和關斷（見圖2）。

圖 2 隔離偏置電源跨過隔離柵為隔離柵極驅動器提供電源。資料德州儀器

隔離式偏置電源的額定功率通常相當低，小于 10 W。下面的公式將其功率要求估算為：
P DRV = V DRV x Q g x F SW(1)
其中 V DRV是柵極驅動電壓，Q g是開關柵極電荷，F SW是開關的開關頻率（不是隔離偏置電源開關頻率）。柵極驅動電壓取決于您選擇的開關，但通常在正電源軌上的范圍為 +15V 至 +25V，在負電源軌上的范圍為 –8V 至 0V。
隔離式偏置電源的常見拓撲包括反激式、推挽式和電感器-電感器-電容器 (LLC)。一些完全集成的電源模塊（包括封裝中的變壓器）在初級側使用全橋配置。反激式轉換器，例如德州儀器 (TI) 的LM5180-Q1，眾所周知，提供良好的輸出電壓調節，相當高效，可以在沒有光耦合器的情況下進行設計（使用初級側調節），并且可以具有多個隔離輸出。它們的缺點是頻率范圍 (<350 kHz) 受到限制并且變壓器尺寸較大。推挽式轉換器，例如 TI 的SN6507-Q1和 LLC 轉換器，例如 TI 的UCC25800-Q1，很簡單，但沒有閉環反饋。因此，輸出電壓調節會受到影響，可能需要預調節器、后調節器或兩者都需要。集成電源模塊（例如 TI 的UCC14341-Q1）可以調節輸出電壓，并且簡單且體積小，但其缺點是功率輸出有限（通常<1.5 W）且效率比其他選項低。
您可能會遇到的一個問題是關于不同拓撲的 EMI 性能：某些拓撲對電磁兼容性結果有或多或少的影響？為了解決這些問題，我們首先檢查一下隔離變壓器。變壓器的繞組之間確實存在一些寄生電容，當牽引逆變器開關節點（V SW) 在 HV+ 和 HV– 節點之間切換。在開關轉換期間，共模電流的短脈沖對寄生電容進行充電或放電。共模電流與寄生電容和開關節點壓擺率 (dv/dt) 成正比。大電容或更快的開關節點轉換速率（正如您在氮化鎵 (GaN) 和 SiC 等寬帶隙半導體中可能看到的那樣）將導致更多的共模電流。圖 3突出顯示了該寄生電容以及用于對其充電和放電的共模電流。

圖 3當開關節點 (V SW ) 轉換時，共模電流對變壓器寄生電容充電。資料德州儀器

轉換器拓撲確實會影響變壓器設計以及由此產生的寄生電容。反激式轉換器變壓器（或耦合電感器，如果您喜歡這種命名法）設計為在初級側和次級側之間具有強耦合，以減少漏感。漏感會導致緩沖電路中出現不必要的電壓尖峰和功率損耗。低漏感設計的不幸影響是繞組間電容通常會增加，并且可能達到 20 pF 或更高。另一方面，可以將 LLC 轉換器設計為在其諧振回路中使用變壓器的漏感。因此，您無需設計變壓器即可限度地減少漏感；它們的寄生電容約為 2 pF。正如您將看到的，這有助于減少共模電流。
表 1顯示了對四種隔離偏置拓撲進行研究的一些參數，以通過實驗驗證變壓器寄生電容對共模電流的影響。所有轉換器均設計用于 15V輸入、15V輸出、1.5W 應用。每種拓撲的開關頻率均基于典型值，并相應設計變壓器。如您所見，反激式轉換器變壓器具有的漏感和的寄生電容。LLC 轉換器變壓器具有的漏感和的寄生電容。
表 1四個示例隔離偏置電源轉換器的變壓器參數。資料德州儀器
比較這些隔離式偏置電源拓撲需要執行一系列廣泛的測試：效率、負載調節、輸入和輸出紋波、熱量以及傳導和輻射 EMI。為了重點關注系統中隔離接地之間測量的共模電流，我的同事在兩個接地之間連接了一根電線，并測量了高功率開關時的共模電流（在本例中，GaN 半橋使用LMG3522R030-Q1 ) 在 400V 電壓下開啟和關閉。圖 4和圖 5分別顯示了高壓開關節點壓擺率 40V/ns 和 100V/ns 時的結果。

圖 4開關節點上 40V/ns 壓擺率下的共模電流比較。通道 1 是高壓開關節點 (200 V/div)，通道 2 是共模電流 (500 mA/div)。資料德州儀器

圖 5開關節點上 100V/ns 壓擺率下的共模電流比較。通道 1 是高壓開關節點 (200 V/div)，通道 2 是共模電流 (500 mA/div)。資料德州儀器

測量結果表明，反激變壓器的共模電流（40V/ns 和 100V/ns 壓擺率時分別為 935mA 和 1,420mA）。這是可以預料的，因為變壓器具有的寄生電容。由于 LLC 轉換器的寄生電容，因此測得的共模電流（40V/ns 和 100V/ns 壓擺率時為 197mA 和 570mA）。大的共模電流尖峰是有害的，因為它們會將噪聲從高壓域傳導到低壓域，導致接地反彈；并可能導致轉換器運行不良，包括跳過脈沖、失去調節或意外停機。
共模電流尤其難以緩解。解決共模電流問題的方法之一是首先避免產生共模電流。雖然這里討論的應用是電動汽車中的牽引逆變器，但這些原理也適用于并網轉換器和服務器電源等應用。