（电力电子与电力传动专业论文）开关电源共模emi抑制技术研究.pdf

a b s t r a c t a st h ed e v e l o p m e n to fp o w e re l e c t r o n i c s ，t h es w i t c h i n gm o d ep o w e rs u p p l y ( s m p s ) b e c o m e ss m a l l e ra n di t sw o r k i n gf r e q u e n c yi sh i g h e r t h e r e f o r e ，t h e e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r l e r e n c e ( e m i ) i ni t i sm o r es e r i o u sw h e nt h ec o m p o n e n t sw o r k t h e r c f o r e ，t h ee i e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b il i t y ( e m c ) i ns m p si sd r a w i n gm o r e a t t e n t i o nt h a nb e f o r e r e c e n t l y ，s o f ts w i t c hi sw i d e l yi m p l i e df o ri t sr e d u c t i o no f s w i t c h i n gl o s s e sa n dp r o m o t i o no fe f f i c i e n c y t h em a i no b j e c t i v eo ft h i sp a p e ri st o a n a l y s i st h ee m ii ns m p s ，r e s e a r c ht h ei n f l u e n c eo fs o rs w i t c h ，a n do f f e raf i l t e r i n g m e t h o dt oe x h i b i tc o m m o nm o d ee m i f i r s t ，t h ed e 行n i t i o no fe m cw a si n t r o d u c e d ，锄dt h e nt h ec h a r a c t e r i s t i c so fe m i i ns m p s ，a n dt h er e s e a r c hs t a t u so fe m ii n s m p s s t a r t i n gw i t ht h r e ee l e m e n t so f e m i ，t h ei n t e r f e r e n c es o u r c e sa n dc o u p l i n gp a t h sw e r ed i s c u s s e d a r e rt h eh i 曲 f r e q u e n c ym o d e i so fi n d u c t o r ，c a p a c i t o ra n dh i 曲f b q u e n c yt r a n s f o r m e rw e r ef o u n d e d ， t h ed e f i n i t i o na n df u n c t i o no fl i n e i m p e d a n c es t a b i l i t yn e t 、) l ，o r k ( l i s n ) w e r e i n 仃o d u c e d i ns e c o n dp a n ，t h ed e 行n i t i o n so fs o rs w i t c hw e r ei n t r o d u c e d ，a n dt h e w o r k i n gp r i n c i p l eo f f u l lb r i d g ez e r ov o l t a g es w i t c h ( f b z v s ) w a sa n a l y s i s t h e nt h e c mc o u p li n gp l t hi nf b z v sw a sd i s c u s s e dw h e nt h ep a r a s i t i cc a p a c i t o r so fl g b t w e r ec o n s i d e r e d t h e n ，t h ec o n t r o la n dm a i nc i r c u i to ff b z v sw a sd e s i g n e du s i n g c h i pu c 3 8 7 5 i nt h el a s t ，t oi n h i b i tt h ec me m i ，t h i sp 印e rp r o p o s e dan o v e le m i 6 l t e rc o m b i n i n gp a s s i v ea n da c t i v ef i l t e r s ，i nw h i c h m a t c h i n gn e t w o r kw a si n t r o d u c e d i np a s s i v ef i l t e rt or e d u c et h ee n e c t so fi m p e d a n c em i s m a t c ha n df e e df o r w a r dc o n t r o l 、v a su s e di na c t i v e 行l t e rt oc o m p e n s a t et h ec mn o i s e f b z v sw a ss i m u l a t e di ns a b e r ，a n dt h ec o n d u c t e di n t e r f - e r e n c ew h e n 如l lb r i d g e c i r c u i tw a sw o r k i n ga tz v sc o n d i t i o na n dh a r ds w i t c hc o n d i t i o nw e r ec o m p a r e d t h e c mn o i s eo ff b z v sw a ss m a l l e rt h a nt h a to fh a r ds w i t c ha th i g hf - r e q u e n c y ，b u ti n l o w 舶q u e n c yi sm o r eo rl e s st h a nh a r ds w i t c h ，a n dd i f f - e r e n t i a lm o d e ( d m ) n o i s ei s m u c hs m a ll e r t h eh y b r i de m i 雨l e rs i m u l a t e dr e s u l t ss h o wt h a tt h ei n h i b i t i o nt 0c m n o i s ei sg o o d c o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a lp a s s i v ee m in l t e r ，i th a sm u c ha d v a n t a g ei n s i z ea n dw e i g h t k e yw o r d s ：s m p s ，c mi n t e r f e r e n c e ，s o rs w i t c h ，e m in l t e r 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨壅盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一i 司工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者虢陶菏、硝签字隅炒了年多月脚 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丕鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丕盗盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。 同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：陶随粥 签字日期：纱绣年多月如同 导师签名： 星夕年 签字同期：计年多 月秒同 第一章绪论 第一章绪论 由于非线性开关器件的应用，开关电源本身就是一个很大的干扰源。随着 电力电子技术不断向高频化、小型化方向发展，导致了开关电源产生和接受电磁 干扰( e l e c t r o m a g n e t i ci n t e 疵r e n c e e m i ) 的几率大大增加。因此，开关电源的电 磁兼容性( e l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y e m c ) 成为了电源工程师和研究人员在 设计中必须考虑的个问题。 1 1 电磁兼容概述 1 1 1 电磁兼容的含义 电磁兼容是电子设备或系统的一种工作状态，主要包括两方面的内容：第一， 电子设备或系统的各个部件能够在其所处的电磁环境中按设计要求正常的工作， 有定的抵抗电磁干扰的能力。第二，该电子设备或者系统所产生的电磁干扰不 致对它周围的电磁环境产生严重污染和影响其他设备或系统的正常运行【l l 。 电磁干扰则是指任何能够中断、阻碍、降低或限制电子设备正常工作的电磁 能量从一个电子设备通过一定途径传到另一个电子设备的过程。 电磁干扰形成的三个因素【2 】【3 】1 4 】： ( 1 ) 电磁干扰源，指产生e m i 的组件、器件、设备分系统、系统和自然现 象。电磁干扰源分为：自然干扰源和人为干扰源。主要包括大气层噪声、雷电、 太阳异常电磁辐射及来自宇宙的电磁辐射噪声等。常见的人为干扰源包括元器件 的固有噪声、电化学过程噪声、放电噪声、电磁感应噪声以及非线性开关过程噪 声。 ( 2 ) 敏感设备，指对电磁干扰产生回应的设备。 ( 3 ) 耦合途径，指把能量从干扰源耦合( 或传输) 到敏感设备上，并使该 设备产生响应的媒介。 一 按耦合途径可把电磁干扰分为传导耦合和辐射耦合。传导耦合是指电磁噪声 的能量在电路中以电压或电流的形式，通过金属导线或其他元件( 如电容器、电 感器、变压器等) 耦合至被干扰设备( 电路) 。根据电磁噪声耦合特点，传导耦 合分为直接传导耦合和公共阻抗耦合两种。辐射耦合是指电磁场的能量，以电磁 场能量的形式，通过空间辐射传播，耦合到被干扰的设备( 电路) 。 第一章绪论 1 1 2e 的危害和e m c 的必要性 电磁干扰的危害首先表现在使设备不能正常运行上，包括通信系统传输数据 错误、出现异常的停机和报警等，如使用大功率无绳电话、手机、家用游戏机等 能发射电磁波的电子装置时，电视屏幕上会出现讨厌的明暗条纹、雪花、闪烁和 抖动【5 】o e m i 危害最严重的例子是1 9 6 7 年6 月发生在越南美军基地的一起事故。当 时美军一艘军舰上的高功率雷达发射的射频能量，耦合到一台装在飞机上的导弹 火箭的马达驱动器上，导致该马达启动，将导弹火箭点火，并触发了停在航空母 舰飞行甲板上的其它导弹。这起爆炸事故造成1 3 4 人丧生，引爆了2 7 枚导弹， 造成了7 2 0 0 亿美元的损失。 电磁干扰对人体的损伤也是很大的。瑞典等北欧三国于1 9 9 3 年所作的联合 调查指出：人类长期受到2 m g ( 毫高斯) 以上的电磁辐射影响，患白血病的机 会是正常人的2 1 倍，患脑肿瘤的机会是正常人的1 5 倍，其他疾病的发病概率 也明显增加。 近年来，各国纷纷制定了自己的e m c 标准，来规范本国产品和进口产品的 e m c 特性。国际无线电干扰特别委员会( c i s p r ) 几十年来不断修正了各项e m c 国际标准，很多国家都在直接沿用这一标准。美国联邦通信委员会( f c c ) 也对 民用和军用产品制定了相应的e m c 标准。欧盟规定从1 9 9 6 年1 月l 起，所有 进入欧盟地区的电子产品均需通过e m c 检测，达不到要求的设备和产品，将被 排斥在欧洲市场之外，对达标的产品必须用一个c e 合格的标签确认。 同时，我国在1 9 8 3 年颁布了首份e m c 国家标准g b 3 9 0 7 8 3 工业无线电干 扰基本测量方法后，相继颁布了3 0 余项国家标准。我国的电子电工类产品的 研制和生产受到中华人民共和国标准化法、中华人民共和国质量法、中华 人民共和国进出口商品检验法等法律制约，我国规定从2 0 0 3 年5 月1 日起凡 列入国家强制性产品目录的产品，未通过国家e m c 标准的，不得出厂、进口和 销售。 众多实践经验表明，在电气电子新产品的设计阶段，电磁兼容性考虑的越早， 问题越简单，解决问题所需要的成本也越低，否则越是到后面阶段，可用来抑制 噪声、防止干扰的手段越少，为此所付出的代价也越高。因此，在产品的设计阶 段就要首先进行电磁兼容的测试和评估，以便尽量地节省成本和尽早通过各项 e m c 的标准【6 1 。 第一章绪论 1 1 3 开关电源e m 特点 开关电源和通信系统在e m i 上从本质来说没什么区别，但是，从应用角度看， 电力电子系统的e m i 问题有它自身的特点【7 】( 8 】： ( 1 ) 相比通信系统，电力电子系统的控制器通常门限电压更高、尺寸更大， 相对来说比较容易解决。但是，电力电子系统的噪声强度更大，开关电源功率变 换部分的d i d t 、d v d t 都比较大，能分别达到1 0 3 雌、1 0 4 v 归。相对通信系统 而言，开关电源的电磁干扰源位置比较明确。 ( 2 ) 在电力电子系统中，主要的干扰源是功率变换部分和变压器( d c d c ) 部分，尽管噪声频谱很宽，但是主要分布在低频段，且以共模干扰为主。 ( 3 ) 开关电源的功率变换部分和控制电路通常都安装在同一个箱体中，有 时还要通过很长的电缆与负载相连，由此引发的干扰通常以传导干扰和近场辐射 干扰为主。 ( 4 ) 开关电源的功率容量较高，导致其体积和重量都很大，这给e m c 的测 量带来一定的困难。 1 2 开关电源e m c 研究现状 开关电源e m i 是一门综合性的学科，涉及的学科包括器件物理、电路理论、 电磁场理论、测试技术等，它所研究的课题也相当广泛。目前的研究主要集中在 功率变流器的电磁干扰建模和干扰抑制技术的研究上。 功率变换器的建模主要集中在传导e m i 建模，而关于辐射e m i 建模的研究 工作还不多。为了实现功率变换器的电磁干扰优化设计，需要建立无源元件、功 率半导体器件、p c b 板布线的e m l 高频模型，特别是能够提取这些元器件和p c b 板的寄生参数，然后建立e m i 的仿真模型，利用仿真结果对e m i 特性进行评估， 将其结果作为优化设计的最后依据。针对这些方面，目前主要的研究为： ( 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 第一牵绪论 重要的参数。和l n c a 软件不同，a n s o r 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 扫描仪直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一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1 8 j 。 针对开关电源的特点，除了运用常用的屏蔽、接地和滤波技术抑制电磁干扰 以外，一些新的开关型变换器的干扰抑制方法也得到发展：浙江大学钱照明等人 提出了系统动态节点和稳态节点平衡的思想，利用传导干扰反相抵消技术抑制共 模电流；软开关技术能够降低开关损耗，减少开关应力，通过合适选择软开关电 路能够减少e m i 的产生；m a h d a v i 等人通过对多种p w m 、p f m 工作方式进行比 较，得出新型的变频p f m 调制方式有助于减少传导e m i 的结论p j i 1 4 j 。 1 3 本论文完成的工作 本论文在充分参考国内外文献的基础上，以全桥d c d c 变换器为例，分析 了开关电源共模e m i 产生的机理和主要的抑制方法。具体的研究内容体现在以 下几个方面： ( 1 ) 针对开关电源e m c 的特点，分析了开关电源e m i 的产生机理，对电 感电容和变压器等器件进行高频建模。并说明了开关电源主要的电磁干扰耦合和 常用抑制方法。 ( 2 ) 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 开关技术对共模噪声的影响。以u c 3 8 7 5 为核心，设计了移相全桥z v s 的参数， 并在s a b e r 软件下进行仿真，然后对软硬开关的e m i 进行了分析比较。 ( 3 ) 对全桥变换器的主要器件进行e m i 建模，设计了新型的有源与无源相 结合的混合滤波器对共模噪声进行抑制，并利用s a b e r 软件进行仿真，和相同滤 波效果的无源滤波器进行比较，验证了该滤波器在体积和重量上的优越性。 第二靠开关电源e m i 干扰分析 第二章开关电源e m i 干扰分析 2 1 电磁干扰的基本概念 要研究开关电源的干扰机理，首先要了解电磁干扰的一些基本概念。 2 l 1 差模干扰和共模干扰 按照干扰信号对电路作用形式的不同，可将开关电源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 1 所示： l n g l is nks mp s i c m l c m 图2 1 共模、差模干扰通路 开关电源工作时，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， 因此很大程度上受电路中各元器件的大小、形状和位置的影响l 引。 2 1 2 开关电源电磁干扰干扰源和耦合通路 ， ， 、 ( 1 ) 输入整流电路的电磁干扰 在输入电路中，整流桥四个整流管只有在脉动电压超过输入滤波电容上的电 压上时才能导通，电流才从市电电源输入，并对滤波电容充电。一旦滤波电容上 的电压高于市电电源的瞬时电压，整流管便截止。所以，输入电路的电流是脉冲 第二章开关电源e m i 干扰分析 性质的，并且有着丰富的高次谐波电流。这是因为整流电路的非线性特性，整流 桥交流侧的电流严重失真。忽略换流过程和电流脉动的影响，整流电路交流侧输 入电流的第n 次谐波电流的幅值乙可表示为k = 。疗，式中：，l = 2 斛j ( k _ l ，2 ，3 ) ；。为基波电流幅值，于是交流侧电流f 。可表示为： h - 扣m 褂扣3 卅扣5 卅) 砜墨扣删 ( 2 - 1 ) 而直流侧的谐波次数是n 倍于交流侧。所以整流电路直流侧高次谐波电流不 仅使电路产生畸变功率，增加电路的无功功率，而且高频谐波会沿着传输线路产 生传导干扰和辐射干扰，危害电网安全。 ( 2 ) 开关电路 开关管负载为高频变压器初级线圈，是感性负载。在开关管导通瞬间，初级 线圈产生很大的浪涌电流，并在初级线圈的两端出现较高的浪涌尖峰电压；在开 关管断开瞬间，由于初级线圈的漏磁通，致使一部分能量没有从一次线圈传输到 二次线圈，储藏在电感中的这部分能量将和集电极电路中的电容、电阻形成带有 尖峰的衰减震荡，叠加在关断电压上，形成关断电压尖峰。如果尖峰有足够大的 幅度，那么很有可能将开关管击穿。 ( 3 ) 高频变压器初次级之间分布电容引起的共模传导干扰 高频电压器是开关电源中实现能量储存、隔离、输出、电压变换的重要部件， 可惜的是它的漏电感和分布电容对电路的电磁兼容性能带来不可忽略的影响。漏 感的影响在开关电路的电磁干扰问题上已经讨论。共模干扰是一种相对大地的干 扰，所以不会通过变压器“电生磁和磁生电”的机理来传递，而必须通过变压器 绕组间的耦合电容来传递。而在开关电源的高频变压器初次级之间存在着分布电 容也是不争的事实。用一个装置电容( 装置对地的分布电容) 来与整个开关电源 等效，就得到了如图2 2 所示的干扰通道。 ， c d 8 ( z ) i 一卜 图2 2 高频变压器初次级之间的共模干扰通道 共模干扰通过变压器的耦合电容，经过装置电容再返回大地，就得到一个由 变压器耦合电容与装置构成的分压器。共模电压就按照分压器中电容量的大小 6 第二章开关电源e m t 干扰分析 来分压，分到的电压为： ，7 岛= 华 ( 2 2 ) 么 式中：z 为绕组间的耦合电抗； z 2 为负载对地的等效阻抗； 晶为初级干扰( 共模电压) ； e ，为次级干扰( 共模电压) 。 脉冲变压器初级线圈，开关管和滤波电容构成的高频开关电流环路可能会产 生较大的空间辐射，形成辐射骚扰。 ( 4 ) 副边二极管反向浪涌电流干扰 开关电源工作时，副边整流电路的高速恢复二极管也处于高频通断状态。由 高频变压器次级线圈、整流二极管和滤波电容也构成了高频开关电流的环路。因 此，同样有可能对空间形成电磁辐射。 当二极管正向导通时，在p 区和n 区分别有少数载流子电子和空穴导电，当 突然加反向电压时，储存电荷在反向电场作用下被复合，形成反向恢复电流，尽 管电流非常小，但是这个转变过程非常短暂，因此，d i d t 相当可观，就会在副边 整流电路中形成高频衰减振荡。它会对外界形成差模辐射，甚至导致整流二极管 被击穿【1 5 】。 2 1 3 线性阻抗稳定系统 实际的电路中，传导干扰是通过线性阻抗稳定系统l i s n 来测量的。l i s n ( 1 i n e i m p e d a n c es t a b i l i z i n gn e m o r k ) 是c i s p r 规定的线性阻抗稳定网络。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 l 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 l m z 3 0 m l z ) 提供一个固定阻抗( 5 0 q ) 的作用。网络拓扑 如图2 3 所示1 1 6 j 。 v r l 图2 3l i s n 电路拓扑 图2 4 共模和差模电流通路 7 第二章开关电源e m i 干扰分析 虽然c i s p r 规定的l i s n 是针对5 0 6 0 h z 电网的，但是也同样适用于直流供 电设备的e m i 测量。共模和差模干扰通路如图2 4 所示。 由图2 _ 4 可以看出， 。= + ：= 一 ( 2 3 ) 所以，共模和差模噪声电压可以分别取自两套l i s n 电阻上电压之和的一半 和电压之差的一半。即 = ( 。+ ：) 2 = ( 。一：) 2 ( 2 - 4 ) 2 2 元器件的高频模型 在研究开关电源的共模干扰时，所使用的元件都不是理想的元件，它们的高 频寄生参数对共模干扰的影响很大。下面就分别介绍一下其高频等效模型。 2 2 1 无源器件的高频模型 实际电容器的高频等效模型如图2 5 所示 1 刀【1 8 】【1 9 】。它是由电容、等效串联电 感( e s l ) 和等效串联电阻( e s r ) 构成的串联网络。电感分量是由引线和电容 结构决定的，电阻是介质材料固有的，电感分量是影响电容频率特性的主要指标。 m 一卜n 丫忆 e s rc e s l 图2 5 电容高频等效模型 高频时电容的阻抗为 z ：徊觑+ ? = + 嬲足 ，【一 ( 2 5 ) 高频时，电容的寄生电阻与寄生电感产生的阻抗相比很小，可以忽略不计。 式2 5 变为 z j e s l + ! ： ，缈【一 ( 2 6 ) 当 1 二时，上式为 一e s l c z 徊蹴 ( 2 7 ) 在该频段，其主要作用的是寄生电感参数。电容所起的作用相当于电感。电 容器的频率特性如图2 6 所示。当厂= f = 1 兰一 时会发生串联谐振。 ? 2 7 c e s l 。c 当工作频率高于谐振频率z 时，电容器呈感性而失效，电容器的有效工作频率范 围在谐振频率之下。 第二章开关电源e m i 干扰分析 图2 6 电容的频率特性 电容的谐振频率由c 和e s l 共同决定。电容值或等效串联电感值越大，则 谐振频率越低，电容的高频滤波效果越差。电容值越大对低频干扰的旁路效果虽 然好，但由于电容在较低的频率发生谐振，阻抗开始随频率的升高而增加，因此 对高频噪声的旁路效果差。等效串联电感除了与电容器的种类有关，电容的引线 长度也是一个重要参数，引线越长，则e s l 越大，电容的谐振频率越低。 电磁兼容设计中使用的电容要求谐振频率尽量高，这样才能在较宽的频率范 围内起到有效的滤波作用。提高谐振频率的方法有两个：一是尽量缩短引线的长 度，另一个是选用电感较小的种类。陶瓷电容由于自谐振频率比较高，因而是最 理想的一种电容。 实际使用的电感也是非理想的电感，除了电感参数以外，还有寄生电容和寄 生电阻。其中寄生电容的影响最大。实际电感的高频等效模型如图2 7 所示 【1 7 】【1 8 】【1 9 】，它是由电感和寄生电容构成的并联网络和电感的固有电阻组成的。 e s c 图2 7 电感的等效模型 高频时电感的阻抗为 z ；懿r + 兰l 1 一国2 历c 三 ( 2 - 8 ) 当频率很高时，式2 8 变为 弘勰一篇= 勰一志 ( 2 - 9 ) 国丘3 【一厶c 口厶6 【一 e s r 一般很小，在高频时可以忽略。式2 9 变为 z 一志 ( 2 - 1o ) 实际电感的频率特性如图2 - 8 所示。当= z2 荔赢时，电路会发生 第二章开关电源e m i 干扰分析 并联谐振。当工作频率高于谐振频率z 时，电感相当于低频时的电容。电感的有 效工作频率范围在谐振频率之下。 厄i 加 图2 8 电感的频率特性 要拓宽电感的工作频率范围，关键的是减小寄生电容。电感的寄生电容与匝 数、磁芯材料、线圈的绕法等因素有关。绕制电感时尽量使线圈为单层，并使输 入输出远离。当线圈的匝数较多，必须多层绕制时，要向一个方向绕，边绕边重 叠，不要绕完一层后再往回绕。或者在一个磁芯上将线圈分段绕制，这样每段的 电容较小，并且总的电容是两段上的寄生电容的串联，总容量比每段的寄生容量 小。 2 2 2 变压器的高频建模 变压器的高频模型如图2 9 所剩2 0 1 。其中，l r 为变压器的初级漏感，r 为等 效电阻，l m 为励磁电感。在模型中含有三种集总电容，包括初级绕组电容c p ， 次级绕组杂散电容c s l 、c s 2 ，初级和次级绕组间的杂散电容c p s 。其中c p s 反映 了变压器内初级和次级内部存储的电场能量，代表了变压器初级和次级的电场耦 合能力，是影响共模电流大小的重要因素之一，是电磁干扰分析中的关键参数。 图2 9 变压器的等效模型 l o 第二章开关电源e m i 干扰分析 2 2 3 开关器件的高频模型 i g b t 中存在多种寄生参数，它们在e m i 的产生中起着很大的作用。但是， 对这些寄生参数建模存在着很大的挑战：( 1 ) 寄生参数通常都难以识别；( 2 ) 寄 生电感和寄生电容通常都很小，用普通的分析仪器难以测量；( 3 ) 由封装引起的 寄生参数无法预测。虽然提出了很多不同的建模方法，如3 d 有限元法和部分元 等效电路法等，但是，这些方法都是用于数学运算或仿真，因此存在一些限制。 在此基础上，本文所应用的是基于t d r 测量方法的i g b t 模型，其等效电路如 图2 1 0 所示【2 1 】。 h e a t s i n k c c 图2 1 0i g b t 杂散参数等效模型 其中，最主要的寄生参数是图中所示的存在于封装中每个l g b t 和接地金属 板之间的杂散电容。考虑结构可靠，散热器通常与机壳用螺钉连接在一起。由于 安全原因，设备外壳一般都要接大地。为了使l g b t 热阻很小，i g b t 的集电极、 发射极与金属外壳之间只有一个很薄的绝缘层，i g b t 的金属外壳与散热器紧紧 地贴在一起，且需要涂上导热硅脂，这就使得桥臂中点对地存在一个很大的寄生 电容2 8 0 p 。 2 3 本章小结 本章介绍了开关电源中电磁干扰差模干扰和共模干扰的分类及其测量电路 l i s n ，并对元器件的高频时的干扰模型进行了分析。 第三章软开关技术对共模干扰的影响 第三章软开关技术对共模干扰的影响 3 1 软开关技术 3 1 1 软开关技术的基本概念 软开关是在硬开关基础上发展起来的一种基于谐振技术或利用控制技术实 现的在零电压零电流状态下开通关断的先进开关技术。在现代开关电源小型化、 绿色化、轻量化的趋势下，软开关技术能降低开关损耗和开关噪声，提高开关效 率。 3 1 2 软开关和硬开关的区别 在常规的开关电源p w m 控制器中，电力电子开关器件是在大电压或大电流 的条件下，在门极的控制下开通或关断的，属于强迫开关，这就是硬开关电路。 在硬开关过程中，电压和电流均不为零，出现了重叠，并且波形有明显的过冲， 导致了开关噪声。硬开关开通关断过程如图3 - 1 所示。 l 群 火 l f r f 八 黼。 【川。 图3 1 硬开关电路开关过程示意图 软开关的开通和关断过程中，电压和电流始终有一个量为零，消除了电压和 电流的重叠，降低了开关噪声。电路开关过程如图3 2 所示。 l z ， 、 ， ，r fi l ， f - 呈l f f 图3 2 软开关电路开关过程示意图 第三章软开关技术对共模干扰的影响 理论上由于开关器件是在零电压电流条件下实现开聊关断的，因此采用软 开关技术可使电流、电压上升、下降沿变缓，应当比硬开关变流器具有更低的电 磁干扰水平。文献 2 2 】对这个问题进行了较为仔细的分析，文献 1 2 分别研究了 具有相同功率等级和类似设计的b u c k 、b o o s t 、f l y b a c k 软、硬开关电路的e m i 性能，认为软开关方式能显著减小传导和辐射e m i 发射。文献 1 3 】考察了软硬开 关方式的逆变器，发现低频范围内软开关方式的传导e m i 并没有明显减小，仅 在高频段有所改善。实际上，笼统地讲软开关技术可以减小传导和辐射e m i 是 片面的，因为目前提出的绝大多数无源或有源软开关技术均是引入了辅助电路 ( 通常是电感和电容组成的谐振电路) 来保证主电路功率器件实现软开关，有些 先进的拓扑辅助电路中的功率器件也能实现软开关，但是为了实现软开关而引入 的辅助电路中谐振电流环路所带来的附加e m i 电平的影响，使得变流器总体的 e m i 电平可能不一定比电路简单的硬开关交流器低。 3 1 3 软开关的分类 ( 1 ) 根据开关开通和关断时电压电流状态，分为零电压电路和零电流电路 两大类。 ( 2 ) 根据软开关技术发展的历程可以将软开关电路分成准谐振电路、零开 关p w m 电路和零转换p w m 电路。 ( 3 ) 每一种软开关电路都可以用于降压型、升压型等不同电路，可以从基 本的开关单元推导出具体电路【2 引。 ( a ) 基本开关单元 l s l f 一 ：羽厂 ( b ) 降压斩波器中的基本开关单元 ( c ) 升压斩波器中的基本单元( d ) 升降压斩波器中的基本单元 图3 3 基本开关单元的概念 第三章软开关技术对共模干扰的影响 3 2 移相全桥z v s 变换器的工作原理 移相全桥软开关电路由于把p w m 控制技术与软开关技术结合在一起，在中 大功率变换器中应用非常广泛。本文以移相全桥z v s 变换器为例来说明，软开 关技术对共模干扰的影响。移相全桥z v s 开关变换器如图3 4 所示f 2 4 】f 2 5 1 。 叫 l r n 2 ，n 是变压器初、次级匝数比。 第三章软开关技术对共模平扰的影响 l 喝 喝 阿f 口 iii 死留i k f 7 p - 移相角口 f 7 叫 + 死区时问m f 7 丫 l u 1 l f 。 弋斤 n f 1 3 l ，0 f ，f o u 幻 t 2 “ k “ 产。l l i搦 _ 一讶l 。 f 7 搦囫 ( 占空比丢失) 图3 5 移相全桥软开关工作原理波形 在一个开关周期中，移相全桥z v s 变换器有十二种开关模态，如图3 5 所示。 下面以正半周期为例来阐述其工作原理，共分六种开关模式，分述如下： ( 1 ) 开关模式l 【t o t l 】： 在t o t 1 时间内，原边电流i 。流经v t l ，变压器原边绕组，谐振电感l r ，隔直 电容c b ，通过v t 4 流入地线。副边v d r l 导通，v d r 2 截止，原边给负载供电。 在此期间，全桥左臂支路中点电压u a = e c ，右臂中点电压u b = 0 ，两臂之间电压 u a b = u i ，它加在主功率变压器原边绕组( 包括谐振电感l r ) 两端。t l 时刻原边 电流从起始值1 1 线形增大到最大峰值i p ： ；= 厶+ 芝 ；署参( 一f 0 ) ( 3 1 ) 其中，甩屯r 是副边输出滤波电感折算到原边的电感量，通常，电感折算值很 大，则易缓慢升高，上式简化为 第三章软开关技术对共模干扰的影响 ：+ 掣( 一) ( 3 2 ) 1 l l f ( 2 ) 开关模式2 【t 1 t 2 】： 此模式在死区时间出。内，t 1 时刻关断v t l ，c 1 的存在使v t l 为零电压关断。 由于谐振电感l r 和滤波电感l f 是串联的，等效电感很大，原边电流衰减很小， 可以认为i p 近似不变，近似一个恒流源，此时c 1 充电，c 3 被放电，他们与等效 电感( l r + n 2 l f ) 串联谐振，左臂中点电压u a 迅速降低。在这个时段里，电容c l 的电压从零开始线性上升，电容c 3 的电压从u i 开始线型下降。并联电容c l 、 c 3 的谐振电压变化式为： 屺( f ) = 舌f “c 3 ( f ) = 一吾f z l 3 ( 3 3 ) 当c 3 放电完成，v t 3 的反并联二极管v d 3 导通，将v t 3 两端电压钳位在零 点，电流通过v d 3 续流。为了保证电容电压u c 3 在死区时间t 。内衰减到零，让 紧接的t 2 时刻v t 3 顺利实现z v s ，完成v t l 到v t 3 的顺利换流，超前臂死区时 间t 。的选择应满足如下条件： f ，丝丛( 3 4 ) ip ( 3 ) 开关模式3 t 2 t 3 】： v d 3 导通后，t 2 时刻开通v t 3 ，则v t 3 为零电压开通。虽然此时v t 3 开通， 但并没有电流流过，电流仍由v d 3 续流，并不断衰减，在t 3 的时候降到1 2 。原 边电流表达式为： f 。( f ) ：丝 刀 ( 3 - 5 ) ( 4 ) 开关模式4 【t 3 吨 ： 在t 3 时刻，v t 4 关断，i d 仍按原方向对c 4 充电，同时抽走c 2 中的电荷，v t 4 电压不能突变，为零电压关断。c 4 的充电电压u c 4 迅速由零变为正极性，使滞后 臂中点电压u b 由零变为正值，u a b 变为负极性，并很快变为u i 。副边整流二极 管受正向偏置开始导通，但电流不能突变为零，电流仍流过v d r l 。此时，副边 v d r l 、v d r 2 同时导通，变压器副边绕组短接，副边电压为零，原边电压也为零， 电压完全施加在小电感l r 上。原边电流和滞后臂谐振电容变化关系为： ，1 。刮2 洌p2 丽 ( 3 - 6 ) 1 6 第三章软开关技术对共模干扰的影响 吣v 2 s i 嘲= 压 u c 2 = q z j p ，2 s i n 国f 开关模式4 的导通时间为： ( 3 7 ) ( 3 8 ) 厶。；三s i n 一- 旦 ( 3 9 ) 岛- 4 = 一s l n1 音 ( 3 9 ) 厶j 口2 ( 5 ) 开关模式5 t 4 t 5 】： t 4 时刻因c 2 、c 4 与l r 串联谐振，c 4 两端电压u c 4 迅速升到电源电压u i ，使 v d 2 导通续流，把v t 2 两端电压钳在零电平，此时开通v t 2 ，为零电压导通。虽 然v t 2 导通，但并不流过电流，电流仍从v d 2 流过，返回到电源u j ，补偿了电 网在全桥电路上的功耗，称t 4 t 5 为“电感储能送回电网期”。 r 厂 f p ( f ) = ( 岛) 一手( f 一) l r ( 3 1 0 ) 到t 5 时刻原边电流从i 。下降到零，二极管v d 2 和v d 3 自然关断，v t 2 和v t 3 将流过电流。开关模式5 的时间为： f t 一52 厶( 岛) ( 3 1 1 ) ( 6 ) 开关模式6 【t 5 吨】： 在t 4 时刻，原边电流由正方向过零，并且向负方向增加，流经v t 2 和v t 3 由于原边电流仍不足以提供负载电流，负载电流仍由两个整流二极管提供回路， 因此原边绕组电压仍然为零，加在谐振电感两端电压是电源电压u i ，原边电流 反向线性增加，为： 矿 f ，( f ) = 一 一f 。) l r ( 3 1 2 ) 在t 6 时增大到最大值i l ，此时，整流二极管v d r l 关断，v d r 2 流过全部负载 电流。开关模式6 持续时间为： l r i 耳q 0 n 2 5 。65 t ( 3 1 3 ) 从以上的过程可以看出，移相全桥z v s 是通过变压器的漏感和副边折算电 感组成的谐振电感与开关管的谐振电容来实现的。实现z v s 时，相对于硬开关 电路，变压器的漏感通常较大。而由第二章可知，变压器的高频模型中初次级之 间的耦合电容为共模电流提供了通路，这样，谐振电感中储存的能量就会通过耦 合电容产生共模电流。同时，z v s 状态下，由于开关管的开关应力较小，其开 通和关断的时间相应减小，导致了共模耦合电流的增大。因此，虽然软开关可以 降低开关过程中的d v d t ，但是通过漏感和谐振电感带来的一些新的干扰问题， 使软开关状态下的电磁干扰更加复杂。 1 7 第三章软开关技术对共模干扰的影响 3 3 全桥变换器的共模干扰分析 全桥变换器的共模电流路径有两条：一条是流向全桥变换器的输入侧，共模 电流从散热器流向参考地，通过测量所用的阻抗稳定网络( l i s n ) 或者穿心电 容回到直流侧，再通过直流输入线回到全桥变换器。当全桥变换器不处在测量状 态，而是直流输入线直接连到变换器时，共模电流通过直流电源的对地电容，流 向变换器。一般来说，直流电源的对地电容比开关管对地的寄生电容要大得多， 对共模电流回路的影响可以忽略，这与直流输入侧接1 0uf 的穿心电容的效果类 似，只是给共模电流提供通道。 共模电流的另一个路径是流向输出侧，大多数负载并不能完全与参考地绝 缘，尤其是电机类负载，必须要把电机底座与参考地相连，电机定子绕组对电机 外壳有较大的寄生电容。同时，高频变压器的原边和副边间的寄生电容为共模干 扰流向负载提供了通路。共模电流的路径如图3 6 所示，图中虚线回路所示的共 模电流1 就是前面所述的朝向输入侧的共模电流路径，共模电流2 就是朝向输出 侧的共模电流路径。 图3 6 共模电流路径 ：q r 【= 。- 。一一 一( j i = i v d l ) 2 v t v t ， u f 上临：， l ， = a f 飞 c 汀 g =c b = c ” = c - = c 丹 v t 、 j【 =一 叫( ) 3飞 毫( 一= 已 j l c l 2 v d 4 c 1 = 巳 图3 7 考虑寄生电容的全桥变换器等效电路图 为了便于分析，全桥变换器的高频等效电路如图3 7 所示。其中，c l + 、c l 分别为l l s n 中对地的0 1