电磁干扰传输途径-磁性元件杂散参数课件

影响开关电源EMI特性的磁件设计技术陈为博士chw@福州大学电气工程与自动化学院教授，博导中国电源学会常务理事，专家委员会副主席磁技术专业委员会主任委员2013.08.30影响开关电源EMI特性的磁件设计技术陈为博士2011主要内容功率变换器的电磁干扰问题磁元件对差模噪声的影响机理降低和控制差模噪声的设计要点(PFC)磁元件对共模噪声的影响机理降低和控制共模噪声的设计要点(Flyback,LLC)变压器共模噪声特性的测量评估磁元件的近场干扰影响主要内容功率变换器的电磁干扰问题2LISN功率变换器Filter共模噪声CM-CE近场耦合RE滤波器功率变换器电磁干扰问题负载电网差模噪声DM-CEEMI接收机RE接收天线阻抗稳定网络LISN作用：提供50W标准阻抗特性滤除电网谐波干扰采集传导CE噪声信号电源输入线负载输出线LISN功率变换器Filter共模噪声CM-CE近场耦合RE3开关频率提高噪音源基波和谐波频率提高开关速度加快噪音源高频谐波分量增多功率密度提高元器件之间近场耦合作用加强功率变换器电磁干扰问题的重要性环境友好要求EMI标准更严格AdapterEMI滤波器开关频率提高噪音源基波和谐波频率提高开关速度加快噪音源高4Rm1Lw1Rw1Cp1非均匀绕组有磁场扩散电感电磁干扰传输途径—磁性元件杂散参数Rm2Lw2Rw2Cp2内部分布参数外部分布参数磁场泄露电场感应Rm1Lw1Rw1Cp1非均匀绕组电感电磁干扰传输途径—磁性5磁元件设计考虑要点结构设计电气设计损耗设计EMI设计杂散参数磁元件设计考虑要点结构设计电气设计损耗设计EMI设计杂散参数6变压器中的电磁场分布与对应参数激磁磁通漏磁通ipisim原边电荷副边电荷原、副边电荷电场分布磁场分布涡流损耗磁芯损耗变压器中的电磁场分布与对应参数激磁磁通漏磁通ipisim原边7差模噪声LPFC阻抗特性Q+DLpfcLISNVdsLpfc差模EMI模型RmLwRwCpLtRtCtpVdsPFC电路输入电感器对差模噪声影响约12MHz差模噪声LPFC阻抗特性Q+DLpfcLISNVdsLpf8LEPCCore01/4U1/4UU1/2U3/4U3/4U1/2UCore1/4U1/4UU1/2U3/4U3/4U01/2UCore01/2U1/2U1/8U1/8U2/8U2/8U3/8U3/8U5/8U5/8U7/8U7/8UU6/8U6/8UEPC中等EPC最大EPC最小电感器绕组分布电容形成机理与影响因素Q+DLpfcVdsLEPCCore01/4U1/4UU1/2U3/4U3/4U9变压器原副边耦合电容产生共模电流V(x)VpxLISNicmCpsVpLISNLNicmQps变压器副边的感应电荷是共模噪声的重要来源变压器原副边耦合电容产生共模电流V(x)VpxLISNicm10降低共模耦合电容的考虑增加原副边绕组间的距离减少原副边绕组间的面积漏感增大,体积增大绕组损耗增大采用更完全的屏蔽增加空间,成本和损耗改变电位分布简单的方法降低共模耦合电容的考虑增加原副边绕组间的距离漏感增大,体11改变绕组线端点位降低共模有效电容3-16-71-36-7端口1端口1端口3端口3EMIFilter1367端点1：电位变化端点端点3：电位固定端点改变绕组线端点位降低共模有效电容3-16-71-36-7端口12有内部屏蔽铜箔变压器绕组电场分布有内部屏蔽铜箔V(x)VpxQpsLISNQshVpLISNLNicm

Cps由于屏蔽层屏蔽作用，变压器副边感应的共模电荷大大减少有内部屏蔽铜箔变压器绕组电场分布有内部屏蔽铜箔V(x)Vpx13Flyback电路变压器共模噪声抵消技术V(x)Vpx+Qps-QspLISN当Qps=Qsp时，变压器副边的电荷将相互抵消为零VpLISNLNVp*Cps

Cps

CspVs

当Vp*Cps=Vs*Csp时，共模噪音电流将抵消为零Vs*CspFlyback电路变压器共模噪声抵消技术V(x)Vpx+Qp14调整变压器共模有效电容的方法Caddxx外加电容改变屏蔽层面积PSUpxHotpointCps(x)Csp(x)PSCsp(d)d改变绝缘层厚度调整变压器共模有效电容的方法Caddxx外加电容改变屏蔽层面15LrCrD1D2ABEFCsp2Csp1CoRoPECiQ2Q1CrPPS1S2屏蔽层r如果Csp1=Csp2，则副边电位变化引起的共模噪声抵消S1S2LLC电路副边噪声源影响噪声抵消技术PLrCrD1D2ABEFCsp2Csp1CoRoPECiQ216变压器共模耦合电容的测试方法沿着绕组导体上的电压分布不均匀原副边绕组之间有屏蔽CpsCab=Cps+CshsCab=Cps+Cshp//Cshsabab网络分析仪/接收机等（两端口）outputinputCpsCpsIcmVLCR表/阻抗分析仪等（单端口）变压器共模耦合电容的测试方法沿着绕组导体上的电压分布不均匀17磁性元件近场耦合效应CMfilterD2DchokeVo=48VTopo=PFC+PSFBfs(PFCstage)=89Kfs(D2Dstage)=74KDC/DC74kHz&itsharmonics

Aux-PS65kHz&itsharmonics

PFC89kHz&itsharmonics

磁性元件近场耦合效应CMfilterD2DchokeVo18磁性元件近场耦合对EMI的影响共模电感输出滤波电感互感MCxLcmLCx磁性元件近场耦合对EMI的影响共模电感输出滤波电感互感MCx19x|Bx||By||B|环形电感产生的磁场近场辐射干扰磁场探头测量的磁感应强度B分布电磁场仿真的B分布yxxyy开口方向x|Bx||By||B|环形电感产生的磁场近场辐射干扰磁场探20共模电感对外部磁场干扰敏感度分析-

++

--

++

-+

-Bx

是最敏感的感应磁场分量BxByBz+

-xyz感应电动势E=0感应电动势E≠0感应电动势E较小共模电感对外部磁场干扰敏感度分析-

++

--

++

-+

21|Bx|T-输出滤波电感CM共模电感具有最小干扰的相对位置开口方向开口方向|Bx|T-输出滤波电感CM共模电感具有最小干扰的相对位置开22影响近场耦合效应的因素分析干扰元件与被干扰元件之间的距离干扰元件与被干扰元件之间的相对位置/角度被干扰元件的内部分布参数--R,L&CRLCjwM*ii噪声电流被干扰元件U干扰电压干扰元件U干扰电压影响近场耦合效应的因素分析干扰元件与被干扰元件之间的距离23磁性元件由于体积大，其对地电场耦合较大。—般采用法拉第电磁屏蔽技术优点：屏蔽电场缺点：屏蔽高频磁场，改变磁件磁性参数；由于涡流效应所产生的损耗较大。传统电磁屏蔽体会影响磁件的磁性参数，不适用于一些磁性参数有特殊用途的场合差模电感谐振电感电场屏蔽方式磁性元件由于体积大，其对地电场耦合较大。优点：屏蔽电场缺点：24由若干根金属导线组成梳状或网状；在每根导体上各取一个点连接起来，且不构成电回路。梳状电场屏蔽体的原理结构：梳状电场屏蔽体可能的连接结构：只屏蔽电场,不屏蔽磁场,即对磁场分布/磁性参数没有影响梳状导体屏蔽体由若干根金属导线组成梳状或网状；梳状电场屏蔽体的原理结构：梳25总结磁性元件对功率变换器的EMI电磁噪声有很大的影响磁性元件的设计和整改是降低EMI噪声的很有效方法总结磁性元件对功率变换器的EMI电磁噪声有很大的影响26谢谢！谢谢！27影响开关电源EMI特性的磁件设计技术陈为博士chw@福州大学电气工程与自动化学院教授，博导中国电源学会常务理事，专家委员会副主席磁技术专业委员会主任委员2013.08.30影响开关电源EMI特性的磁件设计技术陈为博士20128主要内容功率变换器的电磁干扰问题磁元件对差模噪声的影响机理降低和控制差模噪声的设计要点(PFC)磁元件对共模噪声的影响机理降低和控制共模噪声的设计要点(Flyback,LLC)变压器共模噪声特性的测量评估磁元件的近场干扰影响主要内容功率变换器的电磁干扰问题29LISN功率变换器Filter共模噪声CM-CE近场耦合RE滤波器功率变换器电磁干扰问题负载电网差模噪声DM-CEEMI接收机RE接收天线阻抗稳定网络LISN作用：提供50W标准阻抗特性滤除电网谐波干扰采集传导CE噪声信号电源输入线负载输出线LISN功率变换器Filter共模噪声CM-CE近场耦合RE30开关频率提高噪音源基波和谐波频率提高开关速度加快噪音源高频谐波分量增多功率密度提高元器件之间近场耦合作用加强功率变换器电磁干扰问题的重要性环境友好要求EMI标准更严格AdapterEMI滤波器开关频率提高噪音源基波和谐波频率提高开关速度加快噪音源高31Rm1Lw1Rw1Cp1非均匀绕组有磁场扩散电感电磁干扰传输途径—磁性元件杂散参数Rm2Lw2Rw2Cp2内部分布参数外部分布参数磁场泄露电场感应Rm1Lw1Rw1Cp1非均匀绕组电感电磁干扰传输途径—磁性32磁元件设计考虑要点结构设计电气设计损耗设计EMI设计杂散参数磁元件设计考虑要点结构设计电气设计损耗设计EMI设计杂散参数33变压器中的电磁场分布与对应参数激磁磁通漏磁通ipisim原边电荷副边电荷原、副边电荷电场分布磁场分布涡流损耗磁芯损耗变压器中的电磁场分布与对应参数激磁磁通漏磁通ipisim原边34差模噪声LPFC阻抗特性Q+DLpfcLISNVdsLpfc差模EMI模型RmLwRwCpLtRtCtpVdsPFC电路输入电感器对差模噪声影响约12MHz差模噪声LPFC阻抗特性Q+DLpfcLISNVdsLpf35LEPCCore01/4U1/4UU1/2U3/4U3/4U1/2UCore1/4U1/4UU1/2U3/4U3/4U01/2UCore01/2U1/2U1/8U1/8U2/8U2/8U3/8U3/8U5/8U5/8U7/8U7/8UU6/8U6/8UEPC中等EPC最大EPC最小电感器绕组分布电容形成机理与影响因素Q+DLpfcVdsLEPCCore01/4U1/4UU1/2U3/4U3/4U36变压器原副边耦合电容产生共模电流V(x)VpxLISNicmCpsVpLISNLNicmQps变压器副边的感应电荷是共模噪声的重要来源变压器原副边耦合电容产生共模电流V(x)VpxLISNicm37降低共模耦合电容的考虑增加原副边绕组间的距离减少原副边绕组间的面积漏感增大,体积增大绕组损耗增大采用更完全的屏蔽增加空间,成本和损耗改变电位分布简单的方法降低共模耦合电容的考虑增加原副边绕组间的距离漏感增大,体38改变绕组线端点位降低共模有效电容3-16-71-36-7端口1端口1端口3端口3EMIFilter1367端点1：电位变化端点端点3：电位固定端点改变绕组线端点位降低共模有效电容3-16-71-36-7端口39有内部屏蔽铜箔变压器绕组电场分布有内部屏蔽铜箔V(x)VpxQpsLISNQshVpLISNLNicm

Cps由于屏蔽层屏蔽作用，变压器副边感应的共模电荷大大减少有内部屏蔽铜箔变压器绕组电场分布有内部屏蔽铜箔V(x)Vpx40Flyback电路变压器共模噪声抵消技术V(x)Vpx+Qps-QspLISN当Qps=Qsp时，变压器副边的电荷将相互抵消为零VpLISNLNVp*Cps

Cps

CspVs

当Vp*Cps=Vs*Csp时，共模噪音电流将抵消为零Vs*CspFlyback电路变压器共模噪声抵消技术V(x)Vpx+Qp41调整变压器共模有效电容的方法Caddxx外加电容改变屏蔽层面积PSUpxHotpointCps(x)Csp(x)PSCsp(d)d改变绝缘层厚度调整变压器共模有效电容的方法Caddxx外加电容改变屏蔽层面42LrCrD1D2ABEFCsp2Csp1CoRoPECiQ2Q1CrPPS1S2屏蔽层r如果Csp1=Csp2，则副边电位变化引起的共模噪声抵消S1S2LLC电路副边噪声源影响噪声抵消技术PLrCrD1D2ABEFCsp2Csp1CoRoPECiQ243变压器共模耦合电容的测试方法沿着绕组导体上的电压分布不均匀原副边绕组之间有屏蔽CpsCab=Cps+CshsCab=Cps+Cshp//Cshsabab网络分析仪/接收机等（两端口）outputinputCpsCpsIcmVLCR表/阻抗分析仪等（单端口）变压器共模耦合电容的测试方法沿着绕组导体上的电压分布不均匀44磁性元件近场耦合效应CMfilterD2DchokeVo=48VTopo=PFC+PSFBfs(PFCstage)=89Kfs(D2Dstage)=74KDC/DC74kHz&itsharmonics

Aux-PS65kHz&itsharmonics

PFC89kHz&itsharmonics

磁性元件近场耦合效应CMfilterD2DchokeVo45磁性元件近场耦合对EMI的影响共模电感输出滤波电感互感MCxLcmLCx磁性元件近场耦合对EMI的影响共模电感输出滤波电感互感MCx46x|Bx||By||B|环形电感产生的磁场近场辐射干扰磁场探头测量的磁感应强度B分布电磁场仿真的B分布yxxyy开口方向x|Bx||By||B|环形电感产生的磁场近场辐射干扰磁场探47共模电感对外部磁场干扰敏感度分析-

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