开关电源的共模干扰抑制技术,开关电源共模电磁干扰(EMI)对策详解.doc

开关电源的共模干扰抑制技术|开关电源共模电磁干扰(EMI)对策详解0引言由于MOSFET及IGBT和软开关技术在电力电子电路中的广泛应用使得功率变换器的开关频率越来越高结构更加紧凑但亦带来许多问题如寄生元件产生的影响加剧电磁辐射加剧等所以EMI问题是目前电力电子界关注的主要问题之一。传导是电力电子装置中干扰传播的重要途径。差模干扰和共模干扰是主要的传导干扰形态。多数情况下功率变换器的传导干扰以共模干扰为主。本文介绍了一种基于补偿原理的无源共模干扰抑制技术并成功地应用于多种功率变换器拓扑中。理论和实验结果都证明了它能有效地减小电路中的高频传导共模干扰。这一方案的优越性在于它无需额外的控制电路和辅助电源不依赖于电源变换器其他部分的运行情况结构简单、紧凑。1 补偿原理共模噪声与差模噪声产生的内部机制有所不同：差模噪声主要由开关变换器的脉动电流引起；共模噪声则主要由较高的d/d与杂散参数间相互作用而产生的高频振荡引起。如图1所示。共模电流包含连线到接地面的位移电流同时由于开关器件端子上的d/d是最大的所以开关器件与散热片之间的杂散电容也将产生共模电流。图2给出了这种新型共模噪声抑制电路所依据的本质概念。开关器件的d/d通过外壳和散热片之间的寄生电容对地形成噪声电流。抑制电路通过检测器件的d/d并把它反相然后加到一个补偿电容上面从而形成补偿电流对噪声电流的抵消。即补偿电流与噪声电流等幅但相位相差180°并且也流入接地层。根据基尔霍夫电流定律这两股电流在接地点汇流为零于是50Ω的阻抗平衡网络（LISN）电阻（接测量接收机的BNC端口）上的共模噪声电压被大大减弱了。图1CM及DM噪声电流的耦合路径示意图图2提出的共模噪声消除方法2基于补偿原理的共模干扰抑制技术在开关电源中的应用本文以单端反激电路为例介绍基于补偿原理的共模干扰抑制技术在功率变换器中的应用。图3给出了典型单端反激变换器的拓扑结构并加入了新的共模噪声抑制电路。如图3所示从开关器件过来的d/d所导致的寄生电流para注入接地层附加抑制电路产生的反相噪声补偿电流comp也同时注入接地层。理想的状况就是这两股电流相加为零从而大大减少了流向LISN电阻的共模电流。利用现有电路中的电源变压器磁芯在原绕组结构上再增加一个附加绕组NC。由于该绕组只需流过由补偿电容comp产生的反向噪声电流所以它的线径相对原副方的P及S绕组显得很小（由实际装置的设计考虑决定）。附加电路中的补偿电容comp主要是用来产生和由寄生电容para引起的寄生噪声电流反相的补偿电流。comp的大小由para和绕组匝比P∶C决定。如果P∶C=1则comp的电容值取得和para相当；若P∶C≠1则comp的取值要满足comp=para·d/d。图3带无源共模抑制电路的隔离型反激变换器此外还可以通过改造诸如BuckHalf-bridge等DC/DC变换器中的电感或变压器从而形成无源补偿电路实现噪声的抑制如图4图5所示。图4带有无源共模抑制电路的半桥隔离式DC/DC变换器图5带有无源共模抑制电路的Buck变换器3实验及结果实验采用了一台5kW/50Hz艇用逆变器的单端反激辅助电源作为实验平台。交流调压器的输出经过LISN送入整流桥整流后的直流输出作为反激电路的输入。多点测得开关管集电极对实验地（机壳）的寄生电容大约为80pF鉴于实验室现有的电容元件取用了一个100pF耐压1kV的瓷片电容作为补偿电容。一接地铝板作为实验桌面LISN及待测反激电源的外壳均良好接地。图6是补偿绕组电压和原方绕组电压波形。补偿绕组精确的反相重现了原方绕组的波形。图7是流过补偿电容的电流和开关管散热器对地寄生电流的波形。从图7可以看出补偿电流和寄生电流波形相位相差180°在一些波形尖刺方面也较好地吻合。但是由于开关管的金属外壳为集电极且与散热器相通散热器形状的不规则导致了开关管寄生电容测量的不确定性。由图7可见补偿电流的幅值大于实际寄生电流说明补偿电容的取值与寄生电容的逼近程度不够好取值略偏大。图8给出了补偿电路加入前后流入LISN接地线的共模电流波形比较。经过共模抑制电路的电流平衡后共模电流的尖峰得到了很好的抑制实验数据表明最大的抑制量大约有14mA左右。图6补偿绕组电压和原方绕组电压波形图7补偿电容电流和对地寄生电流波形图8补偿前后流入LISN地的共模电流波形（电流卡钳系数：100mV/A）图9是用AgilentE4402B频谱分析仪测得的共模电流的频谱波形。可见100kHz到2MH