（电力电子与电力传动专业论文）全桥开关型变换器电磁干扰模型分析与研究.pdf

全桥开关型变换器电磁干扰模型分析与研究 a b s t r a c t a c c o r d i n g t ot h ec h a r a c t e r i s t i c so f p o w e r e l e c t r o n i c sc o n v e r s i o nt e c h n o l o g y , d e t a i l e d a n a l y s i s a n ds t u d ya r em a d eo nt h ee m ca n de m io ff u l l b r i d g es w i t c h i n g - m o d e c o n v e r t e r s b a s e d0 nt h ea n a l y s i so fw o r k i n gp r i n c i p l e so ff u l l b r i d g es w i t c h i n g m o d e c o n v e r t e r s ，t h ee m ip a r a m e t e rm o d e l so ft h e p r o p o s e d c i r c u i t s m a i nd e v i c e sa r e e s t a b l i s h e d w i t ht h es o f t w a r e c a d e n c e m o d e l e s t a b l i s h m e n ta n d p a r a s i t i c p a r a m e t e re x t r a c t i o na r em a d e o nt h em a i np c bl i n e so ft h ep r o p o s e dc i r c u i t s e q u i v a l e n t c i r c u i tm o d e l so fc o m m o nm o d ec o m b i n e dw i t hd i f f e r e n t i a l m o d ec u r r e n ta n dn o i s e s i m u l a t i o nm o d e l sa r ea l s oe s t a b l i s h e do nf u l lb r i d g es w i t c h i n g m o d e c o n v e r t e r s s t u d yo n t h es i m u l a t i o no fc o n d u c t e di n t e r f e r e n c en o i s ei sm a d ew i t ht h es o f t w a r es a b e ra n dt h e e f f e c t so nt h ec i r c u i t s n o i s eb yt h em a i n p a r a s i t i cp a r a m e t e r sa r ea l s oa n a l y z e d i nt h ee n d ， p r i n c i p l e sa n dm e t h o d so fo p t i m a ld e s i g no ft h ee m co nf u i lb r i d g es w i t c h i n g m o d e c o n v e r t e r sa r ea n a l y z e d t h ea n a l y s i sa n d s t u d y i nt h i sp a p e r l a yag o o db a s ef o rt h ef u r t h e r s t u d y o nt h ee m c o f s w i t c h i n g m o d e c o n v e r t e r s k e y w o r d s ：e m cm o d e lb u i l d i n g p a r a m e t e re x t r a c t i o nc o n d u c t e di n t e r f e r e n c e s i m u l a t i o n s w i t c h i n g m o d e c o n v e n e r s 童室堕窒堕墨奎堂堡主差堡堡兰一 第一章绪论 1 - 1电磁兼容性问题的提出 随着电力电子技术的不断发展，体积小、重量轻、高效率、高可靠性的“绿色电 源”已成为下一代电源产品的发展趋势。然而功率密度的增大导致了电源内部电磁环 境越来越复杂，产生的干扰对电源本身及周围电子设备的正常工作都造成威胁。同时 随着国际电磁兼容法规的日益严格，产品的电磁兼容性能指标要求越来越高。为了减 小电气设备间的相互干扰，营造良好的电磁工作环境，世界各国都制定了各自的电磁 兼容标准供电气厂商参考，以利于相互间的工作协调。如国际电工委员会的i e c 6 1 0 0 0 及c i s p r 系列标准、欧共体的e n 系列标准、美国联邦通信委员会的f c c 系列标准 等等。我国现行的g b t 1 3 9 2 6 系列电磁兼容标准主要是参照c i s p r 修订的。所以说， 电磁兼容问题的研究是十分必要的。 一般来说，电磁兼容性( e m c ) 包括两方面的含义： ( 1 ) 电子设备或系统内部( 包括部件和子系统) 在自己所产生的电磁环境及在它们所 处的外界电磁环境中，能按原设计要求正常运行。也就是说，它们应具有一定的 电磁敏感度，以保证它们对电磁干扰具有一定的抗扰性。 ( 2 ) 设备或系统自己产生的电磁噪声必须限制在一定的电平，电磁干扰不对周围的电 磁环境造成严重的污染和影响其它设备或系统的正常运行。 电磁干扰的构成有三个要素，即：干扰源( 噪声源) 、噪声的耦合路径及噪声接 收器( 被干扰设备) 。因此，电磁兼容要解决的主要问题就是：削弱干扰源的能量， 隔离或减弱噪声耦合途径及提高设备对电磁干扰的抵抗能力。为了针对具体的现场工 作情况和用户要求采用最有效、简单和低成本的电磁兼容设计方案来设计一个好的产 品，首先要熟悉在系统工作现场各种可能的电磁干扰源和电磁噪声耦合路径，然后才 有可能提出有针对性的电磁兼容设计方案。 为了保证一个电子设备或系统具有良好的电磁兼容性，电磁兼容措施一定要尽早 考虑，在新产品的设计阶段就应当首先进行电磁兼容设计，考虑得越早，问题越简单， 解决问题所需要的成本也越低。这是因为对一个设计工程师来说，在新产品的全开发 过程( 设计一试验一批量生产) 中，越是到后面阶段，供他可以用来抑制噪声、防止 受干扰的手段越少，因而为此所付出的代价也越高。这一关系可以用图1 1 来形象的 说明1 4 】。通常，电磁兼容设计( 包括事先采用的抑制电磁干扰的必要措施) 成本在总 开发成本中所占的比例很小，如果人们在产品设计初期就进行电磁兼容设计的话，只 要适当的选择元部件和材料，在每台售出设备上因之附加的元件成本通常很少，在批 量生产的情况下，甚至可以忽略不计。所以，任何电子产品在设计初期，首先进行电 1 全堑堑羞型銮垫堡皇燮王垫堡型坌堑皇婴墨 磁兼容性设计是十分必要的。 在解决 噪声问 题中现 有技术 与成本 开发的时间 图1 - 1电磁兼容性设计成本和可采用的技术手段在开发过程各阶段的关系 目前，对产品进行电磁兼容性设计有两个方法：测试修改法和系统设计法。 ( 1 ) 测试修改法：在设计阶段几乎不考虑电磁兼容性，样机完成以后，在对样机进行 测试的过程中发现问题，然后进行修改，再测试，再修改，直到样机满足要求。 可以想象得出，这种方法的设计盲目性很强。在最后阶段往往要花费大量的时间 来测试修改( 调试) 样机，最终解决方案一般不是最佳( 成本最低) 的。 ( 2 ) 系统设计法：在产品的设计过程中仔细预测各种可能发生的电磁兼容问题( 可用 电磁兼容预测软件进行辅助分析) ，并从设计的一丌始就采取各种措施，避免电 磁兼容问题。由于是在设计阶段，因此可以采取电路与结构相结合的电磁兼容技 术措施。采取这种方法通常能在正式产品完成之前解决9 0 的电磁兼容问题。 测试修改法和系统设计法具有各自的优缺点。测试修改法可以节省在设计阶段专 业电磁兼容支持所增加的成本，不过采用这种方法在产品的最后阶段解决电磁兼容问 题不仅困难大，而且成本很高。系统设计法则正好相反，它成功率高，节省开发时间， 可以使设计达到最优化( 产品成本低) ，不过它对设计人员电磁兼容水平的要求高， 有时需要专门的电磁兼容技术支持，因而增加设计成本。所以，测试修改法适合于比 较简单的设备，而系统设计法适合于复杂的设备。 1 = 2 国内外的研究情况 由于使用尝试性方法来解决开关型变换器的电磁干扰问题具有很大的盲目性和 局限性，而其高频化的发展又使得电磁干扰问题日益突出，因此寻求一种有效的解决 途径成为必然。因此，目前已经有许多研究人员致力于开关型变换器电磁兼容性的研 究。主要可分为对开关型变换器电磁兼容性的计算机辅助设计研究和对电路干扰抑制 技术的研究。 为了能实现印刷线路板的元件布置和布线的计算机辅助设计，必须完成以下四个 方面的工作： ( 1 ) 印刷电路板走线和安装在板上的元器件本身的e m i 高频建模； ( 2 ) 印刷电路板走线之间和安装在板上的元器件之间寄生参数的提取： 2 南京航空航天大学硕士学位论文 f 3 1 分别利用电路仿真器和电磁场仿真器，对传导e m i 及近场辐射e m i 的发射 电平进行仿真分析； ( 4 ) 印刷电路板e m c 优化布线设计。 针对以上这些方面，目前主要的研究内容及方法为： ( 1 ) 美国弗吉尼亚国家电力电子技术中心( v p e c ) 的米切儿张、罗伯特沃特逊等人 用i n c a 软件包和p s p i c e 软件来进行分析印制导线寄生参数对电路噪声的影响。 i n c a 软件内部使用的是部分元等效方法，可以计算得到印制导线的寄生电感和导 线电阻，将得到的参数代入p s p i c e 软件，进行仿真和实验比较，他们对电源系统 的电磁干扰问题进行了分析。 ( 2 ) v p e c 的代宁、李泽元使用a n s o f t 软件提取变压器和印制导线的寄生阻抗、电感、 电容等寄生参数，然后将这些寄生参数代入电路中，使用p s p i c e 软件进行电路仿 真，他们通过比较仿真结果，分析得到了对电路噪声问题影响最重要的参数。和 i n c a 软件不同，a n s o f t 软件使用的是有限元算法( f e a ) 进行寄生参数的提取和 计算。 ( 3 ) 浙江大学的吴听、钱照明等采用e m c 扫描仪宜接得到开关型变换器印刷电路板 的表面电场干扰分布情况，这样在布线的时候就可以让敏感线路避开电磁场较强 的区域，将它们放在干扰较弱的地方，从而减小干扰。进而他们根据干扰的情况， 结合耦合系数，开发了辅助设计软件，初步解决了印刷电路板电磁兼容性的部分 设计问题。袁义生等建立了通用的二极管，功率开关管等的传导电磁干扰模型， 并借助于高级仿真软件s a b e r 软件的m a s t 语言编写器件的仿真模型，实现 高精度的传导干扰仿真。 另外，针对开关型变换器的特点，除了运用常用的屏蔽和接地技术抑制电磁干扰 以外，还发展了一些新的开关型变换器的干扰抑制方法【s 1 。 ( 1 ) 开关频率调制技术 利用频率调制技术降低开关型变换器的e m i 电平，最早由e l i n 提出。其基 本思想是通过调制开关频率f s 的方法把集中在开关频率f s 及其谐波2 f s 、3 坛、 上的能量分散到它们周围的频带上，由此降低各个频率点上的e m i 幅值，以达 到低于e m i 标准规定的限值。开关频率调制技术虽然不能降低总的干扰能量， 但仍不失为一种保证通过e m i 标准认证测试的权宜方法。 ( 2 ) 优化功率开关管的驱动电路设计 通过缓冲吸收电路，可以延缓功率开关器件的导通、关断过程，从而降低开 关型变换器的e m i 水平，但同时会因为附加的吸收电路损耗，导致变换器总效 率的下降。而通过选择合适的驱动电路参数，可以在维持电路性能不变的同时降 低e m i 水平从优化驱动电路设计的角度改善开关型变换器的电磁干扰性能， 是近年来发展的一个新方向。 全桥开关型变换器电磁干扰模型分析与研究 ( 3 ) 麸模干扰的有源抑制技术 共模干扰的有源抑制技术是一种从噪声源采取措施抑制共模干扰的方法。 w u 提出了一种噪声源平衡的概念，用来减小共模噪声发射。这种方法的基本思 路是设法从主回路中取出一个与导致电磁干扰的主要开关电压波形完全反相的 补偿电磁干扰噪声电压，并用它去平衡原开关电压的影响。 ( 4 ) 电磁干扰滤波器设计技术 开关型变换器产生的电磁干扰以传导干扰为主，而传导干扰又分为差模干扰 和共模干扰。目前抑制传导电磁干扰最有效的方法是利用无源滤波技术及电磁干 扰滤波技术。 1 - 3 本文的研究方法和意义 为了结合实际电路拓扑进行电磁兼容性分析研究，本文以全桥开关型变换器为 例，对其进行了设计制作，并利用现有的设备和条件，对全桥开关型变换器电路的传 导电磁干扰问题进行了分析研究。运用c a d e n c e 软件提取了全桥开关型变换器电路印 刷电路板主要印制导线的寄生参数，结合h p 4 2 8 4 al c r 测试仪和m a t l a b 软件提 取了变换器主要元器件的寄生参数，在此基础上运用s a b e r 软件进行了仿真研究分析。 本文的研究内容及意义主要在于： 概述了电磁兼容的定义、电磁兼容设计的主要任务。陈述了开关型变换器电磁兼 容的主要特点和研究的着手点。给出了本文研究的主要思路和研究方法，并指出 了本文研究的意义。 针对开关型变换器电磁兼容的特点，分析了开关型变换器电磁兼容三要素，即干 扰源、耦合路径、敏感设备。描述了开关型变换器差模干扰和共模干扰的产生原 因。并分析了开关型变换器主要的电磁干扰耦合和常用抑制方法。 结合全桥开关型变换器的工作原理，分析了其电磁干扰的特点及软硬开关技术对 传导噪声的影响。 叙述了如何建立全桥开关型变换器主要元器件的e m i 模型，以及如何运用 c a d e n c e 软件提取p c b 印制线的寄生参数，并对全桥开关型变换器的传导干扰进 行了建模，并分析了其共模传导路径和差模传导路径。 利用s a b e r 仿真软件进行了全桥开关型变换器电磁干扰传导噪声的仿真分析。 对部分工作进行了进一步设想及难点分析。 开关型变换器的电磁干扰问题一直是困惑着电气设计师的一个难题，如何对它进 行建模和电磁兼容性设计是人们不断追求的目标，特别是在目前对电气产品的电磁兼 容性指标要求越来越苛刻的情况下，进行这样的工作具有更加重要的意义。 4 南京航空航天大学硕士学位论文 第二章开关型变换器电磁兼容的研究内容及特点 2 - 1 开关型变换器电磁干扰的特点 开关型变换器电路中周期性变化的脉冲时域信号含有丰富的谐波，对应的频谱是 离散频谱，使得其在脉冲频率的整数倍频率处的频谱强度较非周期性变化的时域信号 要高，因此在这些频率处具有较强的干扰辐射。且开关型变换器中的功率半导体器件 的开关频率通常较高，开关速度快，所以说开关型变换器电路易产生电磁干扰。但是 与高速数字电路相比，由于它的开关功率大，开关频率不太高，所以开关型变换器呈 现出不同于高速数字电路的电磁干扰特性。它们主要表现为： ( 1 )作为工作于开关状态的能量转换装置，开关型变换器的电压、电流变化率很高， 产生的干扰强度较大； ( 2 )干扰源主要集中在功率开关器件以及与之相连的散热器和高频变压器，相对于 高速数字电路干扰源的位置较为清楚： ( 3 )开关频率不高，( 从几十千赫兹到数兆赫兹) ，主要的干扰形式是传导干扰和近 场干扰； ( 4 )印刷线路板的走线通常采用手工布局，具有更大的随意性，这就增加了p c b 分 布参数的提取和近场干扰预估的难度。 2 。2 开关型变换器电磁兼容的研究要素 任何电磁兼容性问题都包含三因素，即干扰源、敏感设备和耦合路径，这三个因 素缺少一个，电磁兼容问题就不会存在。图2 1 给出了这三个因素的示意图。因此， 在解决电磁兼容问题时，也要从这三个因素入手进行研究，分析这三个因素的产生原 因，根据具体情况，采取适当的抑制措施，以达到电磁兼容标准的要求【4 l 。 图2 - i电磁干扰三因素的示意图 2 2 1 电磁干扰源 ， 电磁干扰源是电磁兼容三因素之首要因素。存在干扰源不一定必然发生电磁干 扰，但是它潜藏着发生干扰和兼容的两种可能性。环境中的电磁干扰源分为自然和人 为两种。雷电是一种主要的自然干扰源，另外自然干扰源还包括宇宙噪声和太阳噪声。 人为干扰源主要是设备中的电压或者电流的变化。大部分人为干扰源都是无意发射 的，它们通常伴随着用电设备实现某种电能转换功能而产生，因此企图完全消除干扰 源的存在，往往是极其困难的，甚至是不可能办到的。可以容忍它存在，但是必须把 它限制在不影响到其它设备正常工作的范围内。 开关型变换器中的干扰源主要集中在电压、电流变化率大的元器件上，突出表现 为功率开关管、二极管、高频变压器等。 2 2 2 敏感设备 敏感设备是对被干扰对象的总称，它可以是一个很小的元件或者一个电路板组 件，也可以是一个单独的用电设备，甚至可以是一个大系统。 2 2 3 耦合路径 干扰源和受扰设备在一起，就有从一方到另一方的潜在干扰路径。许多电子设备 中包含着具有天线能力的部件，例如电缆、印刷电路板的印制线、内部连接导线等等， 这些元器件以电场、磁场或电磁场的方式传输能量并耦合到线路中。干扰源和被干扰 对象间的噪声耦合有两种方式：传导方式和辐射方式，如图2 2 所示。 电磁噪声的耦合路径 传导 f 电导性耦合 直接传导 电容性耦合 i 电感性耦合 公共阻抗传导 篡冀警嚣蔷霎嘉合 辐射 差耄篓喜 幽2 - 2 电磁噪声的祸台方式 传导祸合是指电磁噪声的能量在电路中以电压或电流的形式，通过金属导线或其 它元器件( 如电容器、电感器、变压器等) 耦合至被干扰设备( 电路) 。传导耦合又 可以分为直接传导耦合和公共阻抗传导耦合。直接传导耦合是指噪声直接通过导线、 金属体、电阻器、电容器、电感器或变压器等实际元器件耦合到被干扰设备( 电路) 。 公共阻抗传导耦合是指噪声通过印刷板电路和机壳接地线、设备的公共安全接地线以 及接地网络中的公共地阻抗产生公共地阻抗耦合；噪声通过交流供电电源及直流供电 电源的公共电源阻抗时，产生公共电源阻抗耦合。 6 壹室堕窒堕丕盔堂堡主堂焦笙苎 一 辐射耦合是指电磁噪声的能量，以电磁场能量的形式，通过空间辐射传播，耦合 到被干扰设备( 电路) 。根据电磁噪声的频率、电磁干扰源与被干扰设备( 电路) 的 距离，辐射耦合可以分为近场耦合和远场耦合两种情况。 严格地说，上述分类并不是绝对的，而是相互联系的。例如：公共地阻抗耦合是 属于电导性直接传导耦合的一种特例。在抗干扰信号的辐射危害方面，屏蔽是最好的 措施，对于传导干扰耦合，滤波则是一种有效的方法。 开关型变换器的传导耦合主要有：电导性传导耦合、电容性传导耦合、电感性传 导耦合以及这几种传导耦合方式的混合i 酗。辐射耦合绝大多数是近场耦合问题。本文 主要讨论的是开关型变换器的传导耦合情况。 2 3 开关型变换器的共模噪声和差模噪声 按照干扰信号对电路作用形式的不同，可将开关型变换器系统内的干扰分为共模 干扰和差模干扰两种。电源线上的任何传导干扰信号，也都可以表示成共模干扰和差 模干扰两种方式。共模干扰是指由电源的相线与地线所构成回路中的干扰。差模干扰 是指电源的相线和相线所构成的回路中的干扰。共模干扰和差模干扰对应的干扰电流 分别是共模干扰电流和差模干扰电流。共模干扰电流在电源的相线与地线形成的回路 中流动，在导线上的幅度和相位相同。差模干扰电流在电源线的相线和相线之间流动。 如图2 - 3 所示i 。 r ff i c m l i 孙1 l 4 s m p s 【k f 占 ， 图2 3 共模、差模电流的流向 开关型变换器工作时，在电源线上既会产生共模干扰也会产生差模干扰。开关型 变换器中的差模干扰主要是由回路中的开关动作产生，其大小与直流侧滤波电容的寄 生参数有很大关系。共模干扰与电流相关，其大小与电路的杂散参数有关，故很大程 度上受电路中各元器件的大小、形状和位置的影响。 当开关管关断时，开关管上的电压快速上升，经分布电容产生电流。这个按开关 频率工作的脉冲电流是产生共模噪声的重要因素之一，分布电容包含两个主要支路， 一个是开关管外壳与其散热器之间，另一个是变压器原副边之间。如图2 - 4 所示。 当开关管开通时，储能电容c s 的能量由交流电网和整流桥提供，它被开关型变 换器的快速开关频率所变换，并通过变压器形成脉冲电流i l ，它具有非常丰富的开关 频率谐波。储能电容不是一个纯电容，它有寄生电阻和寄生电感，其电压含有丰富的 谐波。当整流桥处于开关管的开通状态时，会将高次谐波引入交流电网，这就是开关 7 全桥开关型变换器电磁干扰模型分析与研究 型变换器产生差模干扰的原因。如图2 - 5 所示。 图2 - 4 开关型变换器的共模发射路径 i l 图2 - 5 开关型变换器的差模发射路径 传导干扰的差模、共模分量是借助于l i s n 来测试的。l i s n ( l i n ei m p e d a n c e s t a b i l i z i n g n e t w o r k ) 是电磁兼容检测规定的线性阻抗固定网络。因为对于5 0 h z 工频 信号l i s n 的电感表现为低阻抗，电容表现为高阻抗，所以对工频信号l i s n 基本不 衰减，电源可以经l i s n 输送到开关型变换器。而对于高频噪声，l i s n 的电感表现 为高阻抗，电容可以视为短路，所以l i s n 阻止了高频噪声在待测设备和电网之间的 传送，因此，l i s n 起到了为共模和差模干扰电流在所需测量的频段( 典型值为1 5 0 k h z 3 0 m h z ) 提供一个固定阻抗( 5 0 q ) 的作用。图2 4 ，图2 5 的电路中分别使用了两 套l i s n ，每一套l i s n 是由一个5 0 h 电感、一个5 0 q 电阻以及一个o 1g f 电容所 组成，如图2 - 6 所示。 由图2 4 ，图2 5 可以看出，共模噪声电流分别从两套l i s n 出发，经过电路开 关器件、变压器、p c b 印制导线、副边电路，又回到l i s n 形成共模噪声电流回路。 差模噪声电流则在两套l i s n 、印制导线、开关器件、变压器之间形成回路。如图2 7 8 堕室堕窒堕丕奎堂堡主兰垡堡壅 所示。 l 1 筒铲r = 图2 - 6l i s n 的示意图图2 7 共模和差模噪声的计算 由图2 7 看出， = + z = 一 所以，共模噪声和差模噪声电压可以分别取自两套l i s n 电阻上电压之差的一半 和电压之和的一半。即 k m = v r - i + v r 2 = 毕 2 - 4 开关型变换器的主要噪声干扰耦合及抑制方法 抑制开关型变换器产生的干扰非常困难。典型的5 0 2 0 0 k h z 的开关频率会同时以 差模和共模的形式产生干扰。更低的频率会产生更多的差模干扰，而更高的频率则会 产生更多的共模干扰。图2 8 标出了一个典型的开关型变换器主要的噪声产生原因及 其耦合情况。不同开关型变换器的拓扑图可能不同，但干扰产生的机理是相同的【l o 】。 腱 l ；高d i d t 回路的磁场辐射干扰 2 ：高d v d t 节点至地的电容耦合干扰 3 ：差模电流对噪声的传导耦合干扰 4 ：高频变压器对噪声的传导耦合干扰 5 ：二极管反向浪涌电流引起的干扰 图2 - 8 开关型变换器发射途径 9 全桥开关型变换器电磁干扰模型分析与研究 f 1 1 高d i d t 回路的磁场辐射干扰 高频变压器原边、开关管和滤波电容c i 构成的高频开关电流回路，会产生 空间辐射。同样，高频变压器副边、整流二极管和滤波电容c 2 也构成高频开关 电流回路，也会产生空间辐射。 这一类高d i d t 电流回路产生的磁场辐射可以通过减小回路面积或降低d i d t 来抑制。回路面积取决于布局和器件尺寸，如果开关型变换器的布局不好，这种 辐射会耦合到输出或输入的导线上，造成传导发射超标。d i d t 则决定于开关频率 和效率。通过延长开关管驱动波形的上升时间可以在某种程度上对d i d t 进行控 制，但这会与提高变换器效率和开关频率相矛盾。虽然屏蔽能够衰减伴随辐射的 电场，但它对这类电流回路产生的磁场辐射只有很小的效果。另外，电路中的磁 性元器件( 变压器或电感) 应具有封闭的磁路，以减小其产生的磁场辐射。 ( 2 ) 高d v d t 节点至地的电容耦合干扰 开关管和散热片之间存在分布电容，因此高频开关电流会通过分布电容流到 散热片上，再流到机壳地，最终流到与机壳地相连接的交流电源线的保护地线e 中，从而形成共模辐射。若电源线l 和n 对地线e 的阻抗不平衡，则共模噪声 还会转变成差模噪声。 该类耦合干扰可以通过降低d v d t ，减小寄生电容来减小。增加阻尼电路， 减小变压器漏电感等方法可以降低d v d t 。缩短高d v d t 的p c b 印制线，在开关 管与散热器之间选用低介电常数的绝缘垫或为流过寄生电容的电流提供一条更 合理的路径都可以降低容性耦合。 ( 3 ) 差模电流对噪声的传导耦合干扰 差模干扰是由储能电容上的电压产生的，这个电压是在d i d t 值很大时由储 能电容的阻抗产生的，滤波电容c l 会将高频电流以差模方式传导到输入交流电 源中去。滤波电容c 2 也会将高频电流以差模形式向外传导，并可能以二次辐射 的形式耦合到其它导线或地线上，产生干扰。选用低等效串联阻抗( e s l 、e s r ) 的电容器能够改善这种状况，但实际电容器的阻抗值不可能使产生的于扰被忽 略。对变换器的输出端可采取加装噪声滤波器的方法。 ( 4 ) 高频变压器对噪声的传导耦合干扰 高频变压器的原边和副边间存在分布电容，原边的高频电压通过这些分布电 容将直接耦合到副边去，在副边的两根输出直流电源线上产生同相位的共模噪 声。如果两根输出线对地阻抗不平衡，还可能转变成差模噪声。另外，变压器的 漏感还会引起电压尖峰。 增加变压器的原边和副边的绝缘隔离，可以减小分布电容，抑制共模噪声的 耦合。对变压器原边和副边的紧耦合绕制，可以减小漏感。对变压器加屏蔽可以 减小其高频辐射。 1 0 南京航空航天大学硕士学位论文 ( 5 ) 二极管反向浪涌电流引起的干扰 输出整流二极管会产生反向浪涌电流。二极管在正向导通时p n 结内的电荷 积累，二极管加反向电压时积累电荷将消失并产生反向电流。由于开关型变换器 的频率较高，二极管由导通转变为截止的时间很短，在短时间内要让存储电荷消 失就会产生反向电流的浪涌。由于电路中的分布电感、分布电容，浪涌会引起高 频衰减振荡，产生干扰。 抑制噪声的方法：采用多个二极管并联来分担负载电流，选择具有反向恢复 电流呈软特性的整流二极管，适当降低开关管的开关速率、加装r c 吸收网络等 等。 本文选用全桥开关型变换器为研究对象，因为全桥丌关型变换器是中大功率的首 选拓扑，其包括了2 - 4 对开关型变换器电磁传导干扰分析的各种情况，对于传导干 扰的分析很有典型性。 全堑墅苤型壅垫壁皇壁王垫堡型坌堑兰堕茎一 第三章全桥开关型变换器的电磁干扰分析 本章结合全桥开关型变换器的工作原理，分析其电磁干扰的特点及软硬开关技术 对传导噪声的影响。 3 1 全桥开关型变换器电磁干扰的特点 图3 - 1 全桥开关型变换器的拓扑 全桥开关型变换器的主电路拓扑如图3 1 所示，该电路是一个隔离型电路，主电 路的工作由四个功率开关管交替开通、关断实现。从电磁干扰的角度来看，该电路的 干扰源主要集中在开关管、高频变压器、二极管等器件上，其电磁干扰的特点主要表 现为： ( 1 ) 高频变压器原边、开关管和输入电容c 构成高频开关电流回路。同样，高频 变压器副边、二极管和输出电容也构成高频开关电流回路。 ( 2 ) 四个开关管的高频开关工作带来了高的d v d t 。每个开关管和散热片之间都存 在有分布电容，当开关管关断时，开关管上的电压经分布电容产生共模电流。 全桥电路工作时，对管同时开通关断，其关断时承受的反压为母线电压，该 电压的上升会分别经q l 、幺( 或者q ：、q ，) 与散热片间的寄生电容产生共 模电流，与单开关管电路相比，共模电流路径复杂，噪声含量增大。 ( 3 ) 高频变压器是隔离变换器的共有特点，就传导干扰而言，匝间耦合电容为共 模电流提供了通路。 3 2 全桥开关型变换器软硬开关技术的传导e m l 分析 由第二章的分析可知，开关型变换器的传导噪声产生的主要原因是功率电路周期 性变化的d i d t 和d v d t 。所以通常认为软开关技术的应用有助于电磁干扰水平的降低， 因为若开关器件实现了软开关工作，可以减小功率回路器件的d i d t 和d v d t ，从而可 以减小e m i 电平。但是，目前的一些研究结果表明实际情况并不是想象中的那样简 1 2 南京航空航天大学硕士学位论文 单。 对于全桥开关型变换器而言，目前研究较多的是移相控制软开关全桥电路。本文 以移相控制零电压全桥开关型变换器为例，比较分析软硬开关技术的全桥开关型变换 器传导干扰噪声的差异。 3 2 1移相控制零电压全桥开关型变换器的工作原理 移相控制零电压全桥开关型变换器电路结构如图3 - 2 所示，主要工作曲线如图3 3 所示。其中，d l d 分别是q q 4 的内部寄生 二极管，c 。q 分别是q l 驮的寄生电容或外 接电容。是谐振电感，它包括了变压器的漏9 m 感。每个桥臂的两个功率管成1 8 0 。互补导通， 两个桥臂的导通角相差一个相位，即移相角， 通过调节移相角的大小来调节输出电压。q l 和 幺分别超前于幺和q 2 一个相位，称q 。和q 组 成的桥臂为超前桥臂，q 4 和q 2 组成的桥臂为滞 后桥臂。图3 2 移相零电压全桥变换器拓扑 网 q ，q 。 ： a i i q 2q 4 1 、r 硎 i t ， f = hy l l i i i j ； l壤 叫xl 缓 图3 - 3 移相全桥变换器的主要工作曲线 在一个开关周期中，移相控制零电压全桥开关型变换器有1 2 种开关模态f 1 同开关模态下的等效电路如图3 - 4 所示。在分析之前，作如下假设： ( 1 ) 所有开关管、二极管均为理想元件： ( 2 ) 所有电感、电容和变压器均为理想元件： ( 3 ) c ic 3 2 c m ，c 2 2c 4 = ； ( 4 ) l ， l ，k 2 ，k 是变压器原副边匝比。 不 全桥开关型变换器电磁干扰模型分析与研究 1 开关模态o o ，“】 q 。和q 4 导通。原边电流f ，流经q l 、谐振电感，、变压器原边绕组以及q 4 。整 流管d 。，导通，d 。：截止，原边给负载供电。此过程的电路方程如下： 三厂c l i o 矿( t ) = i 1 v ，( f ) 一 啪m 掣吒 f 。( f ) 1 “- - 十 0 ( f ) k j d i p ( t ) ：匕二整竖 d tl r + k | l f 其中k 为变压器原副边的变比。由于 l ，“k2 l ，所以原边电流上升率与输出 滤波电感成反比。 。生盟：幺二墨竖 d lkz l ， ( a ) 开关模态0 2 开关模态1 【f o ，t 。】 在f o 时刻关断q l ，原边电流f ，从q l 中转移到c 1 和c 3 支路中，给q 充电，同时c ， 被放电。在这个时段里，谐振电感三，和滤波电感，是串联的，而且三，很大，可以认 为i p 近似不变，类似于一个恒流源。电容c 。的电压从零开始线性上升，电容c ，的电 压从开始线型下降，因此q l 是零点压关断。i p 和c 1 、c 3 的电压的表达式分别为： i ，( t ) = ，p ( f o ) = ， v ( ( r ) = 去( 卜，0 ) v ( o r ) 叱一志。叫0 ) 在，。时刻，c 3 的电压下降到零，q ，的 反并二极管职自然导通，开关模态1 结束。 该模态的时间为： t o l = 2 c 删，1 3 开关模态2 m ，： ( b ) 开关模态1 d ，导通后，将q ，的电压箝在零位，此时开通q ，则q 3 是零电压开通。虽然这时 1 4 南京航空航天大学硕士学位论文 候q 3 被开通，但q 3 并没有电流流过，原边 电流由d ，流通。q 3 和q l 驱动信号之间的 死区时间t d f m 耐l ，0 i ，即 “ ，d ( 1 2 c 翮，l 在这段时间里，原边电流等于折算到原边 的滤波电感电流，即 i f ( f ) = i z ( t ) k 在屯时刻，原边电流下降到，：。 4 开关模态3 i t 2 ，屯】 在r ，对刻，关断q 4 ，原边电流i 。转移( c ) 开关模态2 到c ：和c 。中，一方面抽走c ：上的电荷，另一方面同时又给c 充电。由于c ，和c 。的 存在，9 4 的电压是从零慢慢上升的，因此幺是零电压关断。此时v a 。= 一。，v 。的 极性自零变为负，变压器副边绕组电势上负下正，整流二极管d 。，导通，副边绕组。， 中开始流过电流。由于整流二极管d 。：和d 。：同时导通，将变压器副边绕组短接，变 压器副边绕组电压为零，原边绕组电压也为零，v 。直接加在谐振电感上，上，因此在 这段时间里实际上谐振电感工，和c ，、c 在谐振工作。此过程的电路方程如下： 掣- v c 4 = 。 q 掣= 半 ( ，2 ) = 1 2 原边电流f ，和电容c ：、c 。的电压分别 i p ( f ) = j 2c o s ( - o ( t t 2 ) v c 。( ，) = z p ，2s i n t o ( t t 2 ) ：( ，) = 一z p ，2s i n c a ( t t o 式中z 。= 1 舭丽。 ( d ) 开关模态3 在f ，时刻，c 的电压上升到，d ：自然导通，结束该开关模态。它的持续时间 为f 2 r l 国s i n - , 旦z p l 2 1 5 压 全桥开关型变换器电磁干扰模型分析与研究 5 开关模态4 t 3 ，。 在f ，时刻，d ：自然导通，将办的电压箝在零位，此时就可以开通q 2 ，q ：是零 电压开通。q 2 和幺驱动信号之间的死区时间，。姆) ，：，即 f 。，1 土s i n i 生 。c i 8 1 矿磊 虽然此时q 2 已开通，但q 2 不流过电流，f 。由 d ，流通，谐振电感的储能回馈给输入电源。 。 由于副边两个整流二极管同时导通，因此变压 器副边绕组电压位零，原边绕组电压也为零， 这样电源电压加在谐振电感上，两端，原边 电流i 线性下降。 ( e ) 开关模态4 开关模态4 持续的时间为 到时刻，原边电流达到折算到原边的负载电流( f ) 开关模态5 0 ( ) i k ，该开关模态结束a 此时，整流二极管d 。关断，d r ：流过全部负载电流。 开关模态5 的持续时间为： k = 掣竽 1 6 南京航空航天大学硕士学位论文 7 开关模态6 t 5 ，f 6j 在这段时间里，电源给负载供电，原边电 流为： “f ) _ 一苦筹”d 因为l 4 c u o s v ：。j p 4 1 3 肛，i r f 8 4 0 的漏源极电容c 槲。1 6 0 p f 。 根据占空比丢失。 c 。l d = o s 一- - 1 4 9 i f 考虑到铝电解电容的高频特性较差，实际选取1 0 0 0 z 3 0 v 的铝电解电容一个及多个 小容量的高频电容并联。 6 变压器的设计 变压器的设计任务主要有：选择工作磁感应强度；按转换功率选择铁芯型号；按 全堑堑茎型壅垫壁皇壁王垫塑型坌堑兰堕塞 电流有效值计算线径及校核铁芯窗口，绕组能否绕下。 ( 1 ) 铁芯型号选择 铁芯材料：r 2 k b 铁氧体，b = 5 1 k g s 根据推导，铁芯的几何截面积s 和铁芯窗口面积o 与输出功率只。之间的关系式 如下： 沙磊r a b 警k 蔚k 川沁， ，u ， 、 对于工作于第一类工作状态的铁芯，传递交变方波。曲= 2 巩，l = 三= 专 则 跑2 瓦两舞刁再x 1 0 s ( c m 4 ) 其中，b ，= b s 3 = 1 7 k g s ，j ( a c m 2 ) 为导线允许电流密度，此处取j = 4 0 0a c m 2 ，k c 为铁芯填充系数，此处取k c = l ，k u 为导线填充系数，此处取k u = 0 _ 3 ，则s q = i 2 3 c m 4 。 选用铁芯型号：e e 4 2 b ( a = 4 2 m m ，b = 2 9 5 m m ，c = 1 2 m m ，d = 1 5 m m ，e = 1 4 8 m m ) s ：d c = 1 5 1 2 = 1 8 0 m l n 2 q = e ( b - c ) = 1 4 8 ( 2 9 5 1 2 ) = 2 5 9m m 。 s q = i 8 0 x 2 5 9 = 4 6 6c m 4 ( 2 ) 匝数计算 根据铁芯工作在第一类工作状态的特性： 卟4 ，母吃。= 可 =丽普一584x5 0 0800匝1 1 l 一1 7 其中s c = k ，- s = s 。 因为变压器的变比k = 1 2 7 ，为了便于绕制，取n p = 6 4 匝，n s = 5 匝。 ( 3 ) 导线选取： 根据国产漆包线标称直径及考虑集肤效应影响选定导线的直径。 集肤效应的概念为：当导线通过高频交变电流时，导线横截面上的电流分布不均 匀，内部电流密度小，边缘电流密度大，使导线有效截面积减小，电阻增大。导线线 径必须小于两倍的穿透深度。穿透深度表达式为： = 岳 经计算，= 0 2 9 5 5 m m ，则导线直径d 2 a = 0 5 9 1 m m 。查国产导线规格表：取 5 0 壹室堕窒堕墨丕堂堡主兰垡堕塞 一一 标称直径d = 0 5 6 m m ，外皮直径d = 0 6 3 m m 的漆包线。有效截面积s d = o 2 4 6 3 m m ， 外皮截面积s o = 0 3 1 2 m l t l 2 。 变压器有两组副边绕组，构成双半波整流电路，每组副边绕组的最大导电电流有 效值为： 怯r ( 扫s i n 训蛔) 2 西1 。 副边所需辨蒡哦；愀绕。 原边所需股数2 弓2 1 1 取2 股并绕。 ( 4 ) 校核铁芯窗口面积 弘华2 说明绕组能绕下。 7 输出滤波电感的设计 兰兰旦：! ! 圣：坚! ! ! ! ! ! ：! ! ! 堕：0 2 7 b ys y m b o lp a c k a g e ，出现对话框e n t e rs y m b o ln a m e ，点 击l i b r a r y ，此时便可看到封装库中的各种封装形式。 3 信号名的添加 系统会自动添加信号名，但名字冗长，不易阅读，建议自己添加信号名 以便于p c b 的设计仿真。步骤：c o n c e p t - h d l w i r e _ s i g n a l n a m e 。 4 点画命令 点画命令是c a d e n c e 软件独特的一种快捷方式，可以直接用鼠标在屏幕 上写特定的笔划，不同的笔划表示不同的命令。例：z 表示放大，w 表示整 体显示。用户可以根据自己的习惯来定义笔划。 b 3 从原理图到p c b 的转换 从原理图到p c b 过度的关键工具为p a c k a g e - x l 。p a c k a g e - x l 是一个进行器 件封装的工具，主要有三个作用： ( 1 ) 将原理图中的器件映射成物理器件( 即封装) ； ( 2 ) 生成材料清单； ( 3 ) 进行e r c 检验。 系统检察原理图没有错误后，按下面的步骤实现从原理图到p c b 的转换： ( 1 ) c o n c e p t - h d l - of i l e _ e x p o r tp h y s i c a l ，进入e x p o r ta h y s i c a l 对话框， 如图b 5 所示； ( 2 ) 选中p a c k a g ed e s i g n ，选择p a c k a g eo p t i o n 。 注： ( 1 ) p a c k a g eo p t i o n 的说明： p r e s e r v e ：不改变以前的封装结果： 5 6 罔山：肌z 肌兀人了叭i 于1 ) 1o e 工 o p t i m i z e ：优化封装； r e p a c k a g e ：不保存以前的封装结果，重新封装。 ( 2 ) 若在转换后对原理图做了修改，欲再次转为p c b ，则在第二步中，还要 选中u p d a t ea l l e g r ob o a r d ( n e t r e v ) ，在i n p u tb o a r df i l e 和o u t p u tb o a r d 中均要输入当前p c b 文件名。 圈b 5 e x p o r tp h y s i c a l 对话框 用p a c k a g e x l 完成器件的封装以后，会生成若干文件，这些文件可分为五 类，分别是反标文件、报告文件、网表文件、状态文件、错误文件。其中网表文 件是向p c b 转换过程中系统要调用的文件。网表文件包括三个文件：d s t x p r t d a t 、 p s t x n e t d a t 、p s t x c h i p d a t ，它们包含了器件