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多路输出反激式电源电磁兼容问题研究

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电磁兼容

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多路输出反激式电源电磁兼容问题研究

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多路输出反激式电源电磁兼容问题研究
½者:浙江大学电气工程学院 魏应冬 吴燮华
文章加入时间:2005 年 4 月 21 日
13:07:05
摘要:
系统地分析了 5kW恒流逆变器中辅助电源电磁干扰产生的来源和干扰方式以及对整个
变流器系统性½的½响。
结合工½实践给出了一系列提高电源系统电磁兼容性(EMC)的设计方法。
关键词:开关电源;电磁兼容;电磁干扰;共模;差模
引言
电磁兼容性(ElectromagneticCompatibility)是指电气设备(系统、子系统)在共同的电
磁环境中,½一起正常执行各自功½而不降½自身性½,它包括了电磁干扰(EMI)和电磁敏感
(EMS)两方面的内容。EMI是指电气设备成为电磁环境中电磁污染源,EMS则是指电气产品½在
预期的电磁环境中正常工½的½力。
开关电源中的功率半导½器件的开关频率较高(从几十kHz到数MHz),功率开关管的高速开
关动½,不可避免地导致严重的EMI。与此同时,现代开关电源的功率密度急剧提高,电源内部
的电磁环境越来越复杂,
比如在电源系统内有多个子系统的场合,
多个子系统电源之间的电磁兼
容问题就更加的突出。因此,为了提高大功率逆变器的抗干扰性及可靠性,必须重视电源系统的
电磁兼容性设计。
1 电路概述与方案介绍
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本文所分析的反激式电源用½ 5kW 恒流逆变器中的辅助电源,其输出多达 10 路,除数字地
外其它输出均要求电气隔离。电气规格见表 1。图 1 是 150W 多路输出反激式开关电源的结构框
图。
表 1 辅助电源电气规格
O1
O2
O3
O4
O5
O6½O10
电 压
18V
±15V
功率容量
15W
20W×2
PFC 控制及起动继电器电源
逆变模拟及数字控制部分电
逆变数字控制及液晶屏电源
驱动芯片 M7959L 用供电电源
单独地
数字地
±5V
20V
10W×2
15W×5
数字地
单独地
由于存在高频变压器绕制以及原边与多路副边绕组不易耦合等诸多困难,在方案选择上,
电源采取了两组反激式 DC/DC 变换器并联拓扑,双芯片电流峰值控制,以减小变压器½积。鉴于
每组变换器功率等级较½,
并考虑到充分利用反激式拓扑结构简单的特点,
实际电路采取硬开关
工½方式,开关频率为 100kHz。由于是两组高频变压器相互并联,原边共用整流桥输出直流母
线电压,因此,除考虑每组变流器原副边以及与工频电½的 EMI 问题以外,防止两组变流器相互
之间的电磁干扰也是难点之一。
2 电磁干扰分析
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高频开关电源中,由于功率半导½器件的高速开关½成的电流瞬变、电压瞬变(di/dt 和
dv/dt)是不可避免的电磁噪声源。通过对开关电源的电磁兼容分析表明:减弱噪声源,切断或削
弱 EMI 传播途径,降½易受干扰电路的电磁敏感程度是提高开关电源 EMC 的关键。
2.1 开关电源自身引起的 EMI
电流瞬变的 di/dt 和电压瞬变的 dv/dt 由于来源和干扰途径不同,
产生的噪声对电源的½响
方式也不相同,主要包括 2 个方面。
1)近区电磁场辐射耦合可分为共模(commonmode 或 CM)辐射和差模(differential mode 或
DM)辐射两部分:
——差模辐射耦合其来源主要是瞬变电流的 di/dt,耦合途径为两电路之间的寄生磁耦合电
感 M。½开关电源用于½压大电流场合,情况更为恶劣,有数据表明[2],di/dt 典型值可达
250×106A/s。而这种电流的瞬变将通过寄生耦合电感 M,以磁耦合的方式在其相邻电路上½成
一个感生电压 e。该电压的幅值和 di/dt 的幅度成正比,即
——共模辐射耦合其来源主要是瞬变电压的 dv/dt,耦合途径是两电路间的分布电容 C。与
di/dt 类似,dv/dt 要远大于开关动½水平。在开关电源应用于高压小电流场合情况更为恶劣,
dv/dt 典型值[2]可达到 10×109V/s。电压的瞬变通过寄生耦合电容在其相邻电路½成感生电流
i。也就是说,感生电流,其源是高频电场,可以为任½电气节点或者电路元器件上存在的电压
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瞬变。同样,这种节点或元器件对大地 E 之间存在寄生电容 Cd,感生出的共模电流通过 Cd 流向
大地,并最终流经电源输入端内阻½成环路。感生电流 i 幅值和 dv/dt 成正比,即
从本质上说,
由元器件或电路布线中寄生参数½成的电感性和电容性直接传导耦合均属于近
场电磁场辐射耦合,大½可½结为以上两种类型。
2)
公共阻抗传导耦合两电路(m 和 n)之间存在有公共阻抗时,回路 m 上传导电流的变化将会
引起回路 n 电压变化。
公共阻抗包括设备安全地和接地½络中的公共阻抗
(公共阻抗主要是公共
电阻以及电气连线的寄生电感)。公共阻抗耦合的本质属于直接传导耦合,干扰源是 di/dt,造
成的干扰表现为差模电压 e,即
em=Zm,ni; en=Zn,mi
(3)
2.2 外部环境对开关电源的 EMI
主要来自 2 个方面。
1)来自电½中各种高频谐波及瞬态噪声,主要以传导耦合方式进入开关电源并对电路正常
工½进行干扰,通常也被称为瞬态干扰。
瞬态干扰表现为交流电½上出现的浪涌电压、振铃电压、火花放电等瞬间干扰信号,其特点
是½用时间极短,½电压幅度高、瞬态½量大,多在时域范围内对其描述和分析。在½际电工委
员会制定的标准中,
浪涌电压和振铃电压典型值峰值[5]为 Vp=3000V。
如果耦合到输入滤波电容,
超过 MOSFET 源、漏极额定耐压值 VDS(limit),将会击穿 MOS 管或者通过变压器耦合到输出端造
成其他危害。
2)½为大功率逆变器的一个子系统,辅助电源还会受到逆变器主功率电路发出的高频电磁
噪声辐射。辐射½量很可½通过多种途径进入辅助电源,干扰电路正常工½。
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3 EMC 设计对策
在进行 EMC 设计时,考虑到反激式多路输出电源电磁干扰以及电源包括两组子系统的特点,
EMC 设计应贯穿于实验、设计、调试的始终,包括项目设计前预先考虑到的措½,实验中遇到问
题后有针对性地采取的措½,以及经过比较的其它方案。
3.1 减弱差模辐射耦合
如图 2 所示,
耦合途径为寄生磁耦合电感 M 通过干扰源产生的噪声磁场与被干扰回路发生磁
通铰链而½成。设噪声磁场的磁通密度为 B,穿过一个闭合面积为 S 的回路,则在该回路感生出
干扰电压 e,即
式中:B 和 S 均为矢量。
结合式(1)及式(4)容易推得,寄生磁耦合电感 M 与涉及的干扰回路面积 S 成正比例关系。
在图 2 中,存在有较大的 di/dt 的回路主要包括变压器输入侧环路 S0,二次侧环路 S1 和 S2 以
及驱动环路 S3。
仔细设计电路板走线,½可½减小上述回路的围绕面积。将高频去耦电容 Cd0 ½量靠近变压
器原边和 MOS 管,
Cd1 ½量靠近负½½,
以求减小围绕面积 S0 与 S2,
并且要求 Cd0 和 Cd1 是½ ESR
和½ ESL 的电容器。
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