（电机与电器专业论文）em1滤波器在开关电源中的应用研究.pdf

ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt o t o n g j iu n i v e r s i t yi nc o n f o r m i t yw i t ht h er e q u i r e m e n t sf o r t h ed e g r e eo fm a s t e ro fe n g i n e e r i n g e m if i l t e rr e s e a r c hf o rs w i t c h e dm o d ep o w e r s u p p l i e s c a n d i d a t e ： s t u d e n tn u m b e r ： s c h o o l d e p a r t m e n t ： d i s c i p l i n e ： m a j o r ： s u p e r v i s o r ： m i n g m i n f u 0 7 2 0 0 8 0 0 0 7 s c h o o lo fe l e c t r o n i ca n d 一一 一 i n 幻r m a t i o ne n g l n e e n n g 一 一 e n g l n e e n n g 一一 e l e c t r i c a lm o t o r sa n d a p p a r a t u s p r o f y i c h e n gz h a n g m a r c h ，2 0 1 0 一 8 咖2m 2m，舢2舢3删81y j 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：俐髟 2o 加年) 其| 弓日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均己在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名：舻月尾 汐 口年3 具眵b 同济大学硕士学位论文摘要 摘要 近年来燃料电池电动汽车成为发展和研究的热点，然而燃料电池作为车载能 源大都具有一个缺点，即输出电压电流特性偏软，在干扰下容易工作不稳定。故 在电动汽车中，需要在动力电池与逆变器之间增加d c d c 变换器来转换和稳定 电压，改善燃料电池的输出特性。但d c d c 变换器作为一种开关电源，其主电 路是很强的电磁干扰源，产生的干扰可能通过电源线进入到控制电路板，同时控 制电路部分也要用小功率的开关电源进行稳压，也可能产生开关噪声经电源线向 外传输，影响其它设备的正常工作。因此需要在控制电路板开关电源输入端设计 e m i ( e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ) 滤波器抑制传导干扰。 本文首先介绍了d c d c 变换器的主电路和控制电路的原理和主要构成，然后 分析了构成电磁干扰的三个要素：电磁骚扰源、受扰源和骚扰信号的传播途径， 并研究了抑制主电路电磁干扰的一些方法。 之后阐述了e m i 滤波器的原理、结构、主要技术参数、a 参数矩阵、e m i 噪声的两种类型，共模噪声和差模噪声。然后介绍了组成e m i 滤波器的基本元 器件电容、电感、铁氧体抑制元件的性能及选用，着重研究了元器件的寄生参数 对滤波器高频性能的影响，并通过仿真进行分析，然后提出改进滤波器高频性能 的一些方法。 本文重点研究了噪声源阻抗对滤波性能的影响，提出测量及估算噪声源阻抗 的方法，然后根据控制电路板电源端的实际传导发射情况及相关电磁兼容标准 ( c i s p r2 5 ) ，采用共模、差模滤波器分开设计的方法，测量噪声源阻抗，确定 所需抑制的频率范围及噪声衰减量，选择滤波器的电路拓扑及元件参数，设计出 e m i 电源滤波器，并简略介绍了印制电路板的电磁兼容性设计。然后将设计的 e m i 滤波器加入到控制电路板开关电源的输入端，进行传导发射试验，并对设计 的e m i 滤波器进行高频性能的改进，测试验证了设计的e m i 滤波器满足要求。 最后介绍了商用e m i 电源滤波器的选用及滤波器安装时需注意的事项。 关键词：e m i 滤波器，传导干扰，共模噪声，差模噪声，噪声源阻抗 t o n g j iu n i v e r s i t ym a s t e ro fe n g i n e e r i n ga b s t r a c t a b s t r a c t f u e le e l le l e c t r i cv e h i c l e sb e c o m eah o ts p o tf o rd e v e l o p m e n ta n dr e s e a r c hi n r e c e n ty e a r s ，h o w e v e r , t h eo u t p u tv o l t a g ea n dc u r r e n tc h a r a c t e r i s t i c so ft h ef u e lc e l la s ak i n do fv e h i c l ee n e r g yc a nn o tm e e tt h er e q u i r e m e n t s ，s oi ti sn e c e s s a r yt oa d d d c d cc o n v e r t e rb e t w e e nf u e lc e l la n di n v e r t e rt oi m p r o v et h eo u t p u tc h a r a c t e r i s t i c s o ff u e lc e l l t h em a i nc i r c u i ti sas t r o n ge l e c t r o m a g n e t i cn o i s es o u r c ea sab u c k c o n v e r t e r i te m i t sc o n d u c t e di n t e r f e r e n c eg o i n gt h r o u g ht h ep o w e rs u p p l yl i n ei n t o t h ec o n t r o lc i r c u i t a tt h es a m et i m e ，t h en o i s eg e n e r a t e db yt h es w i t c h e dm o d e p o w e r s u p p l yi nt h ec o n t r o ls y s t e mt r a n s m i t so u t w a r d st o o s oi ti sn e c e s s a r yt os u p p r e s st h e c o n d u c t e dn o i s ew i t he m if i l t e ri nt h ei n p u tp o r to ft h ec o n t r o ls y s t e m a tt h eb e g i n n i n g ，t h ew o r kp r i n c i p l eo ft h ed c d cc o n v e r t e ri sd i s c u s s e d ，a n d t h e nt h r e ee l e m e n t so fe l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c ea r ea n a l y z e da n ds o m em e t h o d st o s u p p r e s se l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c eo ft h em a i nc i r c u i ta r ep u tf o r w a r d t h e ns o m er e l a t e dt h e o r i e sa n dc o m p o n e n t so fe m if i l t e ra n de m in o i s e i n c l u d i n gc o m m o nm o d e ( c m ) n o i s ea n dd i f f e r e n t i a lm o d e ( d m ) n o i s ea r ei n t r o d u c e d t h ei n f l u e n c eo ft h ep a r a s i t i cp a r a m e t e r so nt h eh i g hf r e q u e n c yp e r f o r m a n c eo fe m i f i l t e ri sk e yr e s e a r c hc o n t e n ti nt h et h e s i s t h ei n f l u e n c ei sv e r i f i e db yt h es i m u l a t i o n a n ds o m ei m p r o v e m e n tm e t h o d sa r ep r o p o s e d t h ei n f l u e n c eo ft h en o i s es o u r c ei m p e d a n c eo nt h ep e r f o r m a n c eo fe m if i l t e ri s e m p h a s i z e da n dt h em e t h o dm e a s u r i n gn o i s es o u r c ei m p e d a n c ei sp r o p o s e d t h ec m a n dd mf i l t e r sa r ed e s i g n e ds e p a r a t e l ya c c o r d i n gt ot h ea c t u a li n t e r f e r e n c es i t u a t i o no f t h ee o n t r 0 1c i r c u i ta n dt h em a x i m u mo rm i n i m u mw o r s tc a s en o i s es o u r c ei m p e d a n c e 同济大学硕士学位论文目录 目录 第1 章引言1 1 1 绪论1 1 2 本课题研究的目的与意义1 1 3 本文主要内容简介3 第2 章开关电源的e m l 分析4 2 1d c d c 变换器在电动汽车中的作用4 2 2d c d c 变换器的工作原理分析5 2 3 骚扰源分析7 2 3 1 开关管z 9 2 3 2 电感l 1 0 2 3 3 二极管d 1 1 2 4 受扰源分析1 3 2 5 传播途径分析1 3 2 5 1 电导性耦合1 4 2 5 2 电阻性耦合( 共阻抗耦合) 1 6 2 5 3 电容性耦合l 8 2 5 4 电感性耦合2 0 2 5 5 辐射耦合方式2 l 2 6 抑制主电路电磁干扰的一些方法：2 1 2 6 1 采用开关管缓冲电路，2 2 2 6 2 采用功率母线技术2 2 2 7 本章小结2 4 第3 章e m i 电源滤波器的原理及元器件分析2 5 3 1e m i 电源滤波器概述2 5 3 1 1 滤波器的分类2 5 3 1 2e m i 电源滤波器的基本结构2 7 3 1 3e m i 电源滤波器的主要技术参数2 9 3 2 二端口网络及a 参数矩阵3 1 3 3 电容器：。3 4 3 3 1 实际电容器的特性3 4 3 3 2 电容器的种类及选用3 7 3 4 电感一3 9 3 4 1 实际电感的特性! 3 9 3 4 2 共模扼流圈4 l i i i 同济大学硕士学位论文目录 3 4 3 差模扼流圈4 3 3 5 铁氧体e m i 抑制元件4 4 3 6e m i 电源滤波器的仿真分析4 6 3 7 改进e m i 滤波器高频性能的方法5 0 3 7 1 铁氧体磁珠5 0 3 7 2 三端电容器5 1 3 7 3 穿心电容器5 2 3 7 4 合成扼流圈5 4 3 8 本章小结5 5 第4 章e m i 电源滤波器的设计方法5 6 4 1 原始噪声的测量5 6 4 2 噪声源阻抗对滤波性能的影响6 0 4 2 1 共模噪声源阻抗的影响6 0 4 2 2 差模噪声源阻抗的影响6 2 4 3 噪声源阻抗的测量6 5 4 3 1 共模噪声源阻抗最大、最小幅值的确定6 6 4 3 2 差模噪声源阻抗最大、最小幅值的确定6 8 4 4e m i 电源滤波器的电路拓扑及元件参数选择6 8 4 4 1 共模滤波器的设计6 8 4 4 2 差模滤波器的设计7 1 4 5 印制电路板的电磁兼容性设计7 4 4 6 本章小结7 7 第5 章e m i 电源滤波器的试验及工程应用7 8 5 1e m i 电源滤波器的试验7 8 5 2e m i 电源滤波器的工程应用8 2 5 2 1 商用滤波器的选择8 2 5 2 2e l d i 滤波器的安装。8 4 5 3 本章小结8 6 第6 章总结与展望8 7 6 1 总结8 7 6 2 今后进一步工作展望8 7 致谢8 8 参考文献8 9 个人简历、在读期间发表的学术论文与研究成果9 1 i v 第1 章引言 1 1 绪论 第1 章引言 二十世纪六十年代以来，随着汽车工业不断发展，以石油产品为动力源的车 辆所排放的废气成了影响地球气候和污染自然环境的主要因素。与此同时由于石 油储量有限，石油需求与常规石油供给之间将出现缺口。近些年来能源危机和环 境污染问题日趋严重，社会对环保节能等要求也在逐步提高。未来汽车产业在发 展新技术、提高汽车燃油经济性的同时，必须考虑车用替代燃料的发展问题【l 】。 燃料电池以其特有的燃料效率高、质量能量大、功率大、供电时间长、使用 寿命长、可靠性高、噪声低及不产生有害排放物n 0 2 等优点正在引起世界各国 的注意。与内燃机汽车相比，氢燃料电池电动汽车有害气体的排放量减少9 9 ， c 0 2 的生成量减少7 5 ，电池能量转换效率约为内燃机效率的2 5 倍。这种电池 将有可能成为继内燃机之后的汽车最佳动力源之一。 基于这种需求，近年来世界各著名汽车公司都不遗余力地开展电动汽车的研 究，上个世纪九十年代，随着燃料电池技术的发展，电动汽车迎来了一个新的发 展阶段。许多著名汽车公司，如戴姆勒克莱斯勒、丰田、通用、本田、日产、 福特等公司都开发了自己的燃料电池电动汽车( f c e v ) ，试图使其成为新世纪汽 车的发展主流。随着燃料电池关键技术的突破，从性能、效率、重量、成本等多 方面都趋于满足车载能源的要求，使得燃料电池电动汽车( f c e v ) 成为电动汽 车发展的“热点 。 我国也充分认识到发展燃料电池轿车的巨大前景和潜力，并采取了相关措施 大力推动燃料电池轿车的研究和开发。燃料电池电动汽车的研究和产业化成为能 源技术领域的新课题，是一个具有长远战略意义又有近期迫切需要的重大项目。 由国家科学技术部立项的燃料电池电动汽车重大专项已取得显著进展，整车方面 初步形成了产品开发系统、管理机制和团队组合。 1 2 本课题研究的目的与意义 随着大功率电力电子器件的发展，电力电子装置在国民经济和国防建设的诸 多领域应用越来越广泛，在对电力电子技术的研究中，人们普遍遇到的一个技术 难题就是传导干扰问题。传导干扰主要包括设备信号线传导干扰、接地线共地阻 抗干扰以及电源线传导干扰，其中电源线传导干扰的抑制非常重要而又最为薄 1 同济大学硕士学位论文e m i 滤波器在开关电源中的应用研究 弱。据i b m 公司的长期观察统计表明：严重威胁电子、电气设备安全可靠工作 的起因中，8 8 5 是来自电源中的电压瞬变和电磁脉冲。同时，由于电源线e m i 信号具有幅度大、频谱宽的特点，而且其中夹杂大量的瞬变过电压和浪涌大电流， 这些因素使电源线传导干扰的抑制较难控制。 开关电源随着电力电子技术的发展和成熟，在过去的几十年里，由于其体积 小、重量轻、效率高等优点已经广泛应用于通信、计算机、控制装置以及它们的 相关设备中。随着电力电子技术以及材料科学的发展，功率半导体器件的性能也 越来越有利于开关电源的开关频率和功率密度的不断提高。与此同时，开关电源 设计方面存在的一些问题也越来越突出，电磁干扰( e m i ) 就是其中最为棘手的 问题之一。开关电源的电磁干扰在本质上与数字通讯设备产生的电磁干扰是相同 的，但产生的机理和分布却有其自身的特点： 1 开关电源的工作频率一般为几十到几百千赫兹，因此电磁干扰以传导干扰 和近场辐射为主。 2 开关电源通常为某个装置或系统提供能量，其电压和电流值都远大于通讯 信号电路，其产生的e m i 也较严重，因此开关电源的e m i 一般会对电网及周围 的控制系统、通信系统产生影响，污染电网甚至使控制、通信系统误动作或失灵。 3 开关电源为非线性系统，随着开关器件不同的工作状态，干扰源阻抗和系 统网络阻抗也不同，而数字通信系统中两者是匹配的关系。这点使开关电源的 e m l 分析与研究更为复杂。 在电子设备及电子产品中，电磁干扰能量可通过辐射性耦合、传导性耦合进 行传输。在抗电磁干扰的辐射危害方面，屏蔽是最好的措施，在抑制e m i 信号 的传导干扰方面，e m i 滤波器是极有效的器件。 燃料电池电动汽车用d c d c 变换器作为一种开关电源，其主电路是很强的 电磁干扰源，产生的干扰可能通过电源线进入到控制电路板，同时控制电路部分 也要用小功率的开关电源进行稳压，也可能产生开关噪声经电源线向外传输，影 响其它设备的正常工作。开关电源的电磁干扰主要有传导干扰和辐射干扰，通过 正确的屏蔽和接地系统设计，一个电力电子系统的辐射干扰可以得到有效的控 制，对于传导干扰来说，加装e m i 滤波器，既可以抑制电源线传入开关电源的 干扰，也可以抑制开关电源本身向外部发出的噪声干扰，所以在电源的输入端加 滤波器是一种有效抑制传导干扰的方法，对于改善开关电源的电磁兼容性，提高 运行设备的可靠性有重大的意义，于是需要深入研究噪声的产生机理，设计合适 的e m i 滤波器，隔断控制电路与外界环境之间的电磁传导干扰，将电源线上的 e m i 信号电平抑制在相关标准规定限值内，使控制电路能正常工作，从而保证 d c d c 变换器正常、稳定地工作。 2 第1 章引言 本课题研究的是“e m i 滤波器在开关电源中的应用研究”，是燃料电池汽车 用d c d c 变换器电磁兼容性设计的重要组成部分，对我国发展汽车工业、解决 能源危机、改善环境方面等有着重要意义。 1 3 本文主要内容简介 本文主要内容包括以下几方面： 第一章，引言。 第二章，开关电源的e m l 分析，包括d c d c 变换器在电动汽车中的作用， 工作原理，电磁骚扰的骚扰源，受扰源，骚扰信号的传播途径，抑制主电路电磁 干扰的一些方法。 第三章，e m i 电源滤波器的原理及元器件分析，包括e m i 电源滤波器的基 本结构，主要技术参数，a 参数矩阵。然后介绍了组成e m i 滤波器的基本元器 件电容、电感及铁氧体抑制元件，重点分析了元器件的寄生参数对滤波器高频性 能的影响，并提出了改进滤波器高频性能的一些方法。 第四章，e m i 电源滤波器的设计方法，包括控制电路板电源端口传导噪声 的测量，噪声源阻抗对滤波性能的影响及源阻抗的测量与估算，确定e m i 滤波 器的电路拓扑及元件参数，据此设计出e m i 电源滤波器。最后简略介绍了印制 电路板的电磁兼容性设计。 第五章，e m i 电源滤波器的试验及工程应用，包括控制电路板电源端加入设 计的e m i 滤波器后的传导发射测试，并对设计的e m i 滤波器进行改进，测试验 证了设计的e m i 滤波器满足要求。最后对商用e m i 电源滤波器的选用及滤波器 安装时需注意的事项进行了介绍。 第六章，总结与展望，总结课题研究所取得的成果以及对后续工作的展望。 3 同济大学硕士学位论文e m i 滤波器在开关电源中的应用研究 第2 章开关电源的e 川分析 2 1 d c d c 变换器在电动汽车中的作用 电动汽车是用电池替代传统的汽油作为车载能源的，然而在现有的技术条件 下，动力电池的性能是电动汽车发展的主要瓶颈，其作为车载能源大都具有一个 缺点，即输出电压电流特性偏软，在干扰下容易工作不稳定【2 】。 图2 1 为燃料电池伏安特性曲线【引。由图可以看出，在燃料电池输出功率的 起始阶段，输出电压u 伽下降较快，随着输出电流i f c 的增大，输出电压下降， 下降斜率比普通电池大得多。这是因为一旦输出电流突变，电极上的电荷会产生 相应突变。另外，产生电能的化学反应还和压力、温度、反应气体组成及利用率、 杂质等外界因素有较大关系。因而燃料电池输出特性较软，且在干扰下不稳定。 u f c ( 如0 7 , 3 0 0 图2 1 燃料电池输出电压一电流特性曲线 巨簟婷章一豢薹 露 g “一。，”：砖 镕j：、；：，詈； 。 龆4 。d c a ck i 变换器 缀鬻弘)电动机， 臣事毫弗! 挎 ；：簇 图2 2 燃料电池电动汽车动力系统结构框图 图2 2 为燃料电池电动汽车动力驱动系统筒图。燃料电池为车载电源，其输 出经d c d c 变换器后输出到d c a c 逆变器，由d c a c 逆变器驱动交流电机。 由于燃料电池输出电压电流特性偏软，在干扰下容易工作不稳定。故在电动汽车 中，需要在动力电池与逆变器之间增加d c d c 变换器来转换电压和稳压，使电 池组能够与逆变器配合工作。d c d c 变换器可以优化电动机控制、提高电动汽 4 第2 章开关电源的e m l 分析 车整体的效率和性能。 2 2d c d c 变换器的工作原理分析 目前用于燃料电池大功率d c d c 变换器的主电路拓扑包括隔离和非隔离两 大类。隔离式主电路结构一般为桥式拓扑，非隔离式主电路结构一般为b u c k 和 b o o s t 电路。根据f c e v 对d c d c 变换器的输入输出要求可知，要想将燃料电 池的输出电压从3 2 0 v 一 4 8 0 v 变换到3 1 2 v ，必须采用具有降压功能的d c d c 变 换器。 b u c kd c d c 变换器的主电路如图2 3 所示，主电路由功率开关器件z 、电 感l 、电容c 和二极管d 组成，完成把输入电压圪降压到输出电压圪的功能【4 】。 图2 3b u c k 电路结构图 r v o u t 电路工作过程如下：当功率器件导通时，如图2 4 ( a ) 所示，电流f ，流过电 感线圈l ，负载电阻r 上流过的电流为l ，r 两端为输出电压圪，极性上正下负。 当 l 时，电容在充电状态，这时二极管d 承受反向电压。功率器件断开时， 如图2 4 ( b ) 所示，由于电感线圈l 中的磁场将改变电感l 两端的电压极性， 以保持其电流f ，不变。在以 u o ，故电感l 的电流不断增长。二极管d 处于断态。设闭合时间 t o n = t ，= d 1 瓦，d l 为接通时间占空比，则电感电流平均值t = i o = v o r ，电感 电流线性上升增量为 舰。= 工1 毕= 半0 = 半吼 汜1 ) t 1 乞时段，开关管s = j 二t i 时刻关断，二极管d 导通，电感通过d 续流，电 感电流不断减小，直到乞时刻开关管z 再次开通，下一个开关周期开始。设关断 时间万= t 2 一t l = d 2 乃，d 2 为断开时间占空比，电感电流增量为 瓴：= 一j ：2 挚= 一缸1 ) - _ 享蜗 ( 2 2 ) 6 第2 章开关电源的e m l 分析 由于稳态时这两个电流变化量相等，即t 。= l t ：i ，所以 。 堡手d l 五= 喜岛五= 善( 1 一d , ) r s 推得 = 圪d l ( 2 3 ) 式( 2 3 ) 表明，输出电压v o 随占空比4 变化，由于d 。 1 时，导线的电感为 三虮2 ，h ( 苦) 岬 q - 6 ) 式中，和d 的单位为n l 。 导线的总阻抗为 z = + j m l ( 2 1 7 ) l z l = 硌+ ( 础) 2 ( 2 1 8 ) ( 2 ) 条状导体带的电阻和阻抗 对于印刷电路板，连接导线为条状导体带，其直流电阻为 站：掣。 一 ( 2 1 9 ) 式中，r d c 的单位为q ；导线长度，的单位为n l l t l ；w 为导线的宽度，单位 为m m ；t 为导线的厚度，单位为m i l l 。对于铜带，仃= 5 8 x 1 0 7 s m ，直流电阻为 r o c ：_ - 1 7 2 l 衅 ( 2 2 0 ) 高频时考虑趋肤效应的射频电阻值r 肚为 = 罴o w o = 矗0 ，( 2 2 1 ) z。z 1 5 同济大学硕士学位论文e m i 滤波器在开关电源中的应用研究 当z w + t 时，条状导体带的电感为 圳力h ( 兰) 衅 眩2 2 ， 总的阻抗为 z = + j o l ( 2 2 3 ) 一般情况下，对于高频信号，l 缈三i r v c ，因此导线的阻抗主要是电 感的感抗。频率越高，感抗越大，这对于信号的传输是很不利的。因此要求负载 阻抗应和传输线的特性阻抗匹配，这样信号沿传输线传播没有反射，直至终端为 负载电阻所吸收。 2 5 2 电阻性耦合( 共阻抗耦合) 当骚扰源的输出回路和接收器的输入回路之间有一段公共阻抗时，就会产生 共阻抗耦合，例如通过公用电源内阻的耦合、通过公共接地回路的耦合和通过公 用地线的耦合等。 ( 1 ) 通过公用电源内阻的耦合 骚扰信号通过公用电源内阻耦合，如图2 1 4 ( a ) 所示，等效电路如图2 1 4 ( b ) 所示，放大器1 中产生的骚扰电流通过电源、地线构成的回路，在电源 内阻r 上产生一电压降f l r ，与电源产生的骚扰电压彰( 如交流声等) 叠加，形 成一骚扰电压职= r + 叫加在放大器2 上形成干扰。 放大器1 放大器2 (a)(b) 图2 1 4 通过公用电源内阻的耦合及等效电路 如果仅分析放大器1 中产生的骚扰电压u ，对放大器2 的影响，可得如图 2 1 4 ( b ) 所示等效电路。可以看出 = 器吣而r 2 r 。+ 心u t ， ( 2 2 4 ) 1 6 第2 章开关电源的e m l 分析 所以只要共用同一电源的任一电路中产生骚扰信号，都会通过电源内阻耦合 到其它电路中去。 ( 2 ) 通过公共接地回路的耦合 如图2 1 5 ( a ) ，bg l 的输出电流在公共接地回路的等效阻抗z c 上产生一电压 降f 1 互，作为骚扰电压加在b g 2 的输入端。图2 1 5 ( a ) 的等效电路如图2 1 5 ( b ) 所示，图中u 是骚扰电压，r ，是骚扰源的输出电阻，z c 。是干扰回路的连接线阻 抗，蜀是干扰回路的负载电阻，r ：是接收回路的输入电阻，z c ：是接收回路的 连接线阻抗，足是接收回路的负载电阻，互是公共接地回路阻抗。见两端的骚 扰电压可以写为 以： 鱼 u ： 丝兰堡 ( 2 2 5 ) 2 b 2 + z c 2 + 恐 r 2 + z c 2 + 是足l + z c l + 置+ z 其中z = 乙( 疋2 + z c ：+ 是) z c ，z 忍l + z c l + 墨，所以 n 墨 互竺! ( 2 2 6 ) 2 愿2 + z c 2 + r 足l + z c t + r 定义骚扰信号的耦合系数c c = u ，用d b 可以表示为 c c ( d b ) = 2 0 l o g 瓷= 2 0 l o g ( 志志j 2 7 ， 小i ， ；r t l 乏” r 2 1 t伊、d ，、 u 1 卜坠叫 ( b ) 图2 1 5 通过公共接地回路的耦合及等效电路 ( 3 ) 通过公用地线的耦合 如图2 1 6 所示，几台设备通过一根公用导线接地时，接地线上的电流比较 大，在接地线上将产生一电压降z c “+ 厶) ，各设备之间可能互相干扰。 1 7 同济大学硕士学位论文e m i 滤波器在开关电源中的应用研究 图2 1 6 通过公用地线的耦合 对于电阻性耦合，以上各种公共阻抗( 例如电源内阻、公共接地回路的阻抗、 公用地线的电阻) 都很小，属于分布阻抗，在电路图上都被忽略，但是在研 究干扰时，成为骚扰信号的耦合通道。对于d c d c 变换器，电阻性耦合主要出 现在d c d c 变换器的输入、输出端口、控制电路双层p c b 板走线上及传感器信 号调理部分。 如果两个电流回路或系统彼此无关，信号独立，则不应有电的连接，以免形 成电阻性耦合。应尽量减小公共导线上的阻抗，例如增大面积、减小长度、减小 接触电阻等。电路中常采用电路去耦和电位隔离的方法阻断骚扰信号的耦合。电 路去耦：不同的电流回路之间仅在一个点作电的连接，在这一点不可能流过骚扰 电流，达到两电流回路间去耦的目的。使用同一电源总线的几个电流回路之间， 可用旁路电容去耦。电位隔离：互不共用信号的电流回路或系统之间，要避免不 必要的电路耦合。电平相差悬殊的相关系统，应当采取电位隔离措施，信号相关 的电流回路或系统的电位隔离，可选用的元器件和工作原理包括继电器( 利用电 气机械原理) 、变压器( 利用电磁原理) 、光电耦合器件( 利用光电原理) 。 2 5 3 电容性耦合 频率较高时，骚扰信号可以通过导线间的分布电容从一个回路传导到另一个 回路，称为电容性耦合。如图2 1 7 表示接地板上两平行导线之间的电容耦合，c l ： 是两导线之间的耦合电容，频率越高，电容耦合越强。c l 、c 2 分别是两导线对 地的电容，等效电路如图2 1 8 ( a ) 所示，图2 1 8 ( b ) 为高频简化的等效电路。 1 8 第2 章开关电源的e m l 分析 u l u 图2 1 7 接地板上两平行导线之间的电容耦合 r l 2u l 图2 1 8 电容性耦合等效电路 ( b ) ： 主 泳 蚺 搿 频率较高时，如图2 1 8 ( b ) 所示，骚扰电压为 ：等z 2 ( 2 2 8 ) 勇l t9 2 z 1 2 + z 2 2 其中，z l ：2 而1 ，z 22 = i 1 。耦合系数为 尺， 。 u l1 + j c o c l 2 2 2 ：丝2 鱼2 ( 2 2 9 ) 1 + j c o ( c 1 2 + c 2 ) 吃2 两个电流回路的耦合部分( 例如导线、电缆) 的布置应使耦合电容尽量小， 例如应使导线尽量短、间距尽量大、尽量避免平行走线等。对于高频电路，不能 像低频电路那样将各种导线扎成一束。一些可能引起耦合的导线，例如晶体管的 c 、b 极引出线，放大器的输入、输出导线，应尽量避免过近和平行排列。可以 利用屏蔽等方法把带有骚扰电流的导线和敏感导线隔离。 同济大学硕士学位论文e m i 滤波器在开关电源中的应用研究 2 5 4 电感性耦合 骚扰信号通过导线间的分布电感或线圈和变压器的漏磁，从一个回路传到另 一个回路，称为电感性耦合。如图2 1 9 ( a ) 表示接地板上两平行导线之间的电 感耦合，等效电路如图2 1 9 ( b ) 所示，m 是互感系数，骚扰电压为 阢：塑：m 亟z ( 2 3 0 ) 。 班d f 其中m 是单位长度的互感系数，是耦合段的长度。利用复数计算= 乙， d i , d t = j c o i , e j 。 t = j c o i l ，其中乙是电流i t 的复振幅，所以 = j c o m i , t ( 2 3 1 ) 设回路l 匹配，= u 吃。，则 u ：坠r 萨鲤r ， ( 2 3 2 ) r + 吃2 “ r + 吃2 “ 设回路2 也匹配( r = 吃：) ，得 u ：j o m l u ( 2 3 3 ) 2 r l i 1 所以耦合系数 c c ：旦：j m m l ( 2 3 4 ) u 第2 章开关电源的e m l 分析 u l i l r e l m ( b ) 图2 1 9 接地板上两平行导线之间的电感耦合及等效电路 导线、电缆间的电感性耦合，可以采用使导线尽量短、间隔尽量大、尽量避 免平行走线等措施抑制。要尽量减小配线的回路面积，对电感性器件可以加以屏 蔽来抑制电感性耦合。 对于传导耦合的抑制可以通过减小干扰源幅值、抑制干扰源频率范围使其频 率范围与受扰源频率范围不相重叠、使用滤波器在干扰源端和或受扰源端进行 滤波、减小公共阻抗等来实现。 2 5 5 辐射耦合方式 通过辐射途径造成的干扰耦合称为辐射耦合。当高频电流流过导体时，在该 导体周围便产生电力线和磁力线，并发生高频变化，从而形成一种在空间传播的 电磁波。处于电磁波中的导体便会感应出相应频率的电动势。 电磁场辐射干扰是一种无规则的干扰，这种干扰很容易通过电源线传到系统 中去。处于空间中的传输线( 输入线、输出线和控制线) ，既能辐射干扰波又能 接收干扰波，这种现象称为天线效应。当传输线的长度大于或等于空间中信号频 率的四分之一波长时，天线效应尤其明显。对于辐射骚扰的抑制可以采用屏蔽、 接地等技术来实现。 2 6 抑制主电路电磁干扰的一些方法 一 由对电磁骚扰源的分析可知，开关管z 开通和关断时的电压和电流尖峰是 d c d c 变换器中干扰的主要来源。因此，抑制或消除关断时的电压尖峰是抑制 干扰发射的最好途径。 2 1 同济大学硕士学位论文e m i 滤波器在开关电源中的应用研究 2 6 1 采用开关管缓冲电路 缓冲电路，又称为吸收电路，其作用主要是抑制电力电子器件开通或关断时 的过电压或过电流。电力电子器件缓冲电路的基本结构如图2 2 0 所示。 ( a ) 串并联缓冲电路( b ) 并联缓冲电路 图2 2 0 电力电子器件缓冲电路的基本结构 图2 2 0 ( a ) 中，串联的电感厶用于抑制d i d t 的上升速度，并联的电容c 。用 于吸收器件上的过电压，即开关管z 在关断时，电容c 。通过快恢复二极管v d s 充 电，吸收器件上出现的过电压能量，由于电容电压不会跃变，限制了d u d t 的上 升速度。当开关管z 开通时，电容c 。上的能量通过电阻尺。泄放。图2 2 0 ( b ) 是图2 2 0 ( a ) 的简化形式【h ”。 缓冲电容g 和吸收电阻r 。的取值可参考有关的工程手册，或用实验方法确 定【1 1 1 。吸收二极管v d s 必须选用快恢复二极管，其额定电流应不小于主电路器件 额定电流的1 1 0 。另外，应尽量减小线路电感，且应选用内部电感小的吸收电容。 对于i g b t ，有时可以仅并联一个吸收电容。 采用此缓冲电路后可有效吸收和抑制开断过程中的过电压尖峰，从而抑制电 磁干扰。 2 6 2 采用功率母线技术 电压尖峰在电回路中的杂散电感和分布电容间多次震荡，产生电磁干扰。由 式( 2 5 ) 可知，尖峰电压大小与杂散电感和电流变化率有关，因此可以通过减 小线路杂散电感来减小尖峰电压，从而抑制电磁干扰。 根据电磁学理论，如果将连接导线做成扁平截面，在同样截面积下做得越薄 越宽，它的杂散电感就越小；相邻导体内流过相反的电流，其磁场抵消，也可减 小杂散电感u 引。因此，产生了叠层功率母线技术。 叠层功率母线【l3 1 ，是把一个电力电子装置中的所有不同电位的连接导线，以 又薄又宽的铜排形式叠放在一起，各层之间用很薄的高绝缘强度的材料粘合成一 第2 章开关电源的e m l 分析 体，基本结构如图2 2 l 所示。 图2 2 1 叠层功率母线的基本结构 膜 各层导电板都在所需要的端子位置处同其它层可靠绝缘的引出，便于把主电 路中的所有器件与之相连。叠层功率母线与器件之间的连接可用不同的端子、插 接件、螺栓等来完成的，使相连接的接触表面与母线之间的接触电阻非常小，增 大功率母线与功率模块的连接面积，可消除连接处出现的局部过热等问题。在直 流正负极板间填充一薄层介质材料，通过热、压处理使极板和介质各向一致性地 排列紧密，这种结构可以保证沿着整个配电线路上最大可能地消除互感。 电气连接线路的电感由分布在空间中的磁链与电流之比来决定。导体的电感 分内电感和外电感两部分，内电感是导体内磁链作用的结果，与电流的集肤效应 和邻近效应有关；外电感由两根载流导体的形状和空间位置决定，与电流频率无 关。根据电磁理论，假设：1 叠层功率母线的长度远大于宽度，同时宽度远大于 厚度和两块极板之间的距离，则叠层功率母线在长度方向上的磁感应强度艿相 同；2 叠层功率母线为非铁磁性物质，流过的电流为，且在两叠层母线内均匀 分布，则宽度方向的电流密度为d = i b 。叠层功率母线的电感表示为【1 4 】： 扛哇譬 马a n 。( 去) + j 1i nl2bb 1 + ( 丝b ) 2 泣謦 石li2 口j2ikji | 裆誓、 式中：电感，包括叠层功率母线的内电感和外电感；，叠层功率 母线长度；b 宽度；国厚度；口两块极板之间的距离；极板 的磁导率。 假定叠层功率母线的宽度b 远大于两块极板之间的距离a ，即当( b 2 a ) 一o o 时，式( 2 3 5 ) 可简化为： l ；一, u o l + 坐： ( 2 3 6 ) ；一十一： l z j o ， 一一1 2 b b 当叠层功率母线的两块极板无限靠近时，同时假定国与b 相比可忽略，由式 ( 2 3 6 ) 可知其电感为零。 根据电磁场理论，当导体中有电流流过时，会在空间任何一点产生磁场。设 空间某点的磁场用磁感应强度曰来衡量，空间中的磁导率可近似为真空中的磁导 率风，则b 随电流成正比变化。当叠层功率母线中通入两个大小相同、方向相 反的电流时，它们在空间某点产生的磁感应强度b 是两个方向相反电流产生的b 的矢量和。根据毕奥沙法尔定律，空间任意一点的合成口的幅值为： 同济大学硕士学位论文e m i 滤波器在开关电源中的应用研究 肚器历丽 ( 2 3 7 ) 式中：，极板中电流；正极板中心点到空间某点的距离；乞 负极板中心点到空间某点的距离；口空间某点到两极板中心点的连线的夹 角。 由式( 2 3 7 ) 可知，当叠层功率母线中极板上电流一定时，要使空间某点的 电磁干扰尽可能小，应使彳+ 譬+ 2 1 。1 2e o s o 尽可能小，即正负极板之间的中心距 + 以) 尽可能小。 叠层功率母线因其正极板和负极板呈现互重叠状态，当极板上分别施加正负 电压时，叠层功率母线相当于一个电容，且与直流回路滤波电容相并联，起到滤 波作用。叠层功率母线电容量为： c ：鱼型( 2 3 8 ) 口 式中：岛介质在真空状态下的介电常数，c o = 8 8 5 x 1 0 2 f m ；占 介质的相对介电常数；s 叠层功率母线正、负极板的重叠面积；口正、 负极板间距离。 采用叠层功率母线技术可有效地降低线路的杂散电感，减小功率模块如 i g b t 开关过程中的尖峰电压，降低电磁干扰。 另外，可以通过选择合适的栅极驱动电阻来减小d i d t ，从而减小尖峰