隔離式DC／DC變換器的電磁兼容設(shè)計

　　引言

　　隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，開關(guān)電源模塊以其相對體積小、效率高、工作可靠等優(yōu)點而逐漸取代傳統(tǒng)整流電源。但是，由于開關(guān)電源工作頻率高，內(nèi)部會產(chǎn)生很高的電流、電壓變化率(即高dv/dt和di/df)，導(dǎo)致開關(guān)電源模塊產(chǎn)生較強的電磁干擾，并通過傳導(dǎo)、輻射和串擾等耦合途徑影響自身電路及其它電子系統(tǒng)的正常工作，當然其本身也會受到其它電子設(shè)備電磁干擾的影響，電磁干擾將造成傳輸信號畸變，影響電子設(shè)備的止常工作。對于雷電、靜電放電等高能量的電磁下擾，嚴重時會損壞電子設(shè)備。而對于某些電子設(shè)備，電磁輻射會引起重要信息的泄漏，嚴重時會威脅國家信息安全。這就是我們所討論的電磁兼容性問題。另外，國家開始對部分電子產(chǎn)品強制實行3C認證，因此，一個電子設(shè)備能否滿足電磁兼容標準，將關(guān)系到這一產(chǎn)品能否在市場上銷售，所以，進行開關(guān)電源的電磁兼容性研究顯得非常重要。

　　1 內(nèi)部噪聲干擾源分析

　　l.l 二極管廈向恢復(fù)引起的噪聲干擾

　　在開關(guān)電源中常使用工頻整流二極管、高頻整流二極管、續(xù)流二極管等，由于這些二極管都工作在開關(guān)狀態(tài)，如圖l所示，在二極管由阻斷狀態(tài)到導(dǎo)通的轉(zhuǎn)換過程中，將產(chǎn)生一個很高的電壓尖峰UFP;在二極管由導(dǎo)通狀態(tài)到阻斷的轉(zhuǎn)換過程中，存在一個反向恢復(fù)時間trr在反向恢復(fù)過程中，由于二極管封裝電感及引線電感的存在，將產(chǎn)生一個反向電壓尖峰URP由于少子的存儲與復(fù)合效應(yīng)，會產(chǎn)生瞬變的反向恢復(fù)電流尖峰IRP,這種快速的電流、電壓突變是電磁干擾產(chǎn)生的根源。

　　1.2 開關(guān)管開關(guān)時產(chǎn)生的電磁干擾

　　在正激式、推挽式、橋式變換器中，流過開關(guān)管的電流波形在阻性負載時近似矩形波，含有豐富的高頻成分，這些高頻諧波會產(chǎn)生很強的電磁干擾。在反激變換器中，流過開關(guān)管的電流波形在阻性負載時近似三角波，高次諧波成分相對較少。開關(guān)管在開通時，由于開通時間很短以及逆變回路中引線電感的存在，將產(chǎn)生很大的dv/dt和很高的尖峰電壓，在開關(guān)管關(guān)斷時，由于關(guān)斷時間很短，將產(chǎn)生很大的di/dt和很高的電流尖峰，這些電流、電壓突變將產(chǎn)生很強的電磁干擾。

　　1.3 電感、變壓器等磁性元件引起的電磁干擾

　　在開關(guān)電源中存在輸入濾波電感、功率變壓器、隔離變壓器、輸出濾波電感等磁性元件，隔離變壓器初次級之間存在寄生電容，高頻干擾信號通過寄生電容耦合到次級;功率變壓器由于繞制工藝等原因，原、次級耦合不理想而存在漏感，漏感將產(chǎn)生電磁輻射干擾，另外，功率變壓器線圈繞組流過高頻脈沖電流，在周圍形成高頻電磁場;電感線圈中流過脈動電流會產(chǎn)生電磁場輻射，而且在負載突切時，會形成電壓尖峰，同時，當它工作在飽和狀態(tài)時，將會產(chǎn)生電流突變，這些都會引起電磁干擾。

　　l.4 控制電路引起的電磁干擾

　　控制電路中周期性的高頻脈沖信號，如振蕩器產(chǎn)生的高頻脈沖信號等將產(chǎn)生高頻高次諧波，對周圍電路產(chǎn)生電磁干擾。

　　l.5 其他電磁干擾

　　電路中還會有地環(huán)路干擾、公共阻抗耦合干擾，以及控制電源噪聲干擾等。另外，不合理的布線將使電磁干擾通過線線之間的耦合電容和分布互感串擾或輻射到鄰近導(dǎo)線上，從而影響其它電路的正常工作。還有熱輻射產(chǎn)生的電磁干擾，熱輻射是以電磁波的形式進行熱交換，這種電磁干擾會影響其它電子元器件或電路的正常穩(wěn)定工作。

　　2 外界的電磁干擾

　　對于某一電子設(shè)備，外界對其產(chǎn)生影響的電磁干擾包括電網(wǎng)中的諧波干擾、雷電、太陽噪聲、靜電放電以及周圍的高頻發(fā)射設(shè)備。

　　3 開關(guān)電源的電磁兼容設(shè)計

　　進行開關(guān)電源的電磁兼容性設(shè)汁時，首先要明確系統(tǒng)需要滿足的電磁兼容標準;確定系統(tǒng)內(nèi)的關(guān)鍵電路，包括強干擾源電路、高度敏感電路;明確電源設(shè)備工作環(huán)境中的電磁于擾源及敏感設(shè)備;然后確定對電源設(shè)備所要采取的電磁兼容性措施。因此，開關(guān)電源的電磁兼容設(shè)計主要從以下3個方面入手：

　　1)減小干擾源的電磁干擾能量;

　　2)切斷干擾傳播途徑;

　　3)提高受擾設(shè)備的抗干擾能力。

　　下面以隔離式DC/DC變換器為例，討論開關(guān)電源的電磁兼容性設(shè)計。

　　3.1 DC/DC變換器輸入電路的電磁兼容設(shè)計

　　如圖2所示，F(xiàn)V1為瞬態(tài)電壓抑制二極管RV1為壓敏電阻，都具有很強的瞬變浪涌吸收能力，能很好地保護后級元器件或電路免遭浪涌電壓的破壞。Z1為直流EMI濾波器，必須良好接地接地線要短，最好直接安裝在金屬外殼上，還要保證其輸入、輸出線之間的屏蔽隔離，才能有效地切斷傳導(dǎo)干擾沿輸入線的傳播和輻射干擾沿空間的傳播。L1及C1組成低通濾波電路，當L1電感值鞍大時，還須增加如圖2所示的D1和R1，形成續(xù)流回路，吸收L1斷開時釋放的電場能量，否則，L1產(chǎn)生的電壓尖峰就會形成電磁干擾，電感L1所使用的磁芯最好為閉合磁芯，帶氣隙的開環(huán)磁芯的漏磁場會形成電磁干擾，C1的容量較大為好，這樣可以減小輸入線上的紋波電壓，從而減小在輸入導(dǎo)線周圍形成的電磁場。

　　3.2 高頻逆變電路的電磁兼容設(shè)計

　　如圖3所示，C2、C3、V2、V3組成的半橋逆變電路，V2、V3為lGBT或M0SFET等開關(guān)器件，在V2、V3開通和關(guān)斷時，由于開關(guān)時間很短以及引線電感、變壓器漏感的存在，回路會產(chǎn)生較高的di/dt、dv/dt，從而形成電磁干擾，為此，在變壓器原邊兩端增加R4、C4構(gòu)成的吸收回路，或在V2、V3兩端分別并聯(lián)電容器C5、C6，并縮短引線，減小a—b、c—d、g—h、e—f的引線電感。在設(shè)計中，G4C5、C6。一般采用低感電容，電容器容量的大小取決于引線電感量、同路中電流值以及允許的過沖電壓值的大小，由LI2/2=C△V2/2求得C的大小(L為回路電感，I為回路電流，△V為過沖電壓值)。