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隔离式DC/DC变换器的电磁兼容设计分析(一)

日期:2022-06-18 01:51
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摘要: 随着电力电子技术的发展,开关电源模块以其相对体积小、效率高、工作可靠等优点而逐渐取代传统整流电源。但是,由于开关电源工作频率高,内部会产生很高的电流、电压变化率(即高dv/dt和di/df),导致开关电源模块产生较强的电磁干扰,并通过传导、辐射和串扰等耦合途径影响自身电路及其它电子系统的正常工作,当然其本身也会受到其它电子设备电磁干扰的影响,电磁干扰将造成传输信号畸变,影响电子设备的止常工作。对于雷电、静电放电等高能量的电磁下扰,严重时会损坏电子设备。而对于某些电子设备,电磁辐射会引起重要信息的泄漏...

  随着电力电子技术的发展,开关电源模块以其相对体积小、效率高、工作可靠等优点而逐渐取代传统整流电源。但是,由于开关电源工作频率高,内部会产生很高的电流、电压变化率(即高dv/dt和di/df),导致开关电源模块产生较强的电磁干扰,并通过传导、辐射和串扰等耦合途径影响自身电路及其它电子系统的正常工作,当然其本身也会受到其它电子设备电磁干扰的影响,电磁干扰将造成传输信号畸变,影响电子设备的止常工作。对于雷电、静电放电等高能量的电磁下扰,严重时会损坏电子设备。而对于某些电子设备,电磁辐射会引起重要信息的泄漏,严重时会威胁国家信息安全。这就是我们所讨论的电磁兼容性问题。另外,国家开始对部分电子产品强制实行3C认证,因此,一个电子设备能否满足电磁兼容标准,将关系到这一产品能否在市场上销售,所以,进行开关电源的电磁兼容性研究显得非常重要。


1 内部噪声干扰源分析


l.l 二极管厦向恢复引起的噪声干扰

在开关电源中常使用工频整流二极管、高频整流二极管、续流二极管等,由于这些二极管都工作在开关状态,如图l所示,在二极管由阻断状态到导通的转换过程中,将产生一个很高的电压尖峰UFP;在二极管由导通状态到阻断的转换过程中,存在一个反向恢复时间trr在反向恢复过程中,由于二极管封装电感及引线电感的存在,将产生一个反向电压尖峰URP由于少子的存储与复合效应,会产生瞬变的反向恢复电流尖峰IRP,这种快速的电流、电压突变是电磁干扰产生的根源。


 


1.2 开关管开关时产生的电磁干扰

在正激式、推挽式、桥式变换器中,流过开关管的电流波形在阻性负载时近似矩形波,含有丰富的高频成分,这些高频谐波会产生很强的电磁干扰。在反激变换器中,流过开关管的电流波形在阻性负载时近似三角波,高次谐波成分相对较少。开关管在开通时,由于开通时间很短以及逆变回路中引线电感的存在,将产生很大的dv/dt和很高的尖峰电压,在开关管关断时,由于关断时间很短,将产生很大的di/dt和很高的电流尖峰,这些电流、电压突变将产生很强的电磁干扰。


1.3 电感、变压器等磁性元件引起的电磁干扰

在开关电源中存在输入滤波电感、功率变压器、隔离变压器、输出滤波电感等磁性元件,隔离变压器初次级之间存在寄生电容,高频干扰信号通过寄生电容耦合到次级;功率变压器由于绕制工艺等原因,原、次级耦合不理想而存在漏感,漏感将产生电磁辐射干扰,另外,功率变压器线圈绕组流过高频脉冲电流,在周围形成高频电磁场;电感线圈中流过脉动电流会产生电磁场辐射,而且在负载突切时,会形成电压尖峰,同时,当它工作在饱和状态时,将会产生电流突变,这些都会引起电磁干扰。


1.4 控制电路引起的电磁干扰

控制电路中周期性的高频脉冲信号,如振荡器产生的高频脉冲信号等将产生高频高次谐波,对周围电路产生电磁干扰。


1.5 其他电磁干扰

电路中还会有地环路干扰、公共阻抗耦合干扰,以及控制电源噪声干扰等。另外,不合理的布线将使电磁干扰通过线线之间的耦合电容和分布互感串扰或辐射到邻近导线上,从而影响其它电路的正常工作。还有热辐射产生的电磁干扰,热辐射是以电磁波的形式进行热交换,这种电磁干扰会影响其它电子元器件或电路的正常稳定工作。


2、外界的电磁干扰

对于某一电子设备,外界对其产生影响的电磁干扰包括电网中的谐波干扰、雷电、太阳噪声、静电放电以及周围的高频发射设备。


      3、开关电源的电磁兼容设计

进行开关电源的电磁兼容性设汁时,首先要明确系统需要满足的电磁兼容标准;确定系统内的关键电路,包括强干扰源电路、高度敏感电路;明确电源设备工作环境中的电磁于扰源及敏感设备;然后确定对电源设备所要采取的电磁兼容性措施。因此,开关电源的电磁兼容设计主要从以下3个方面入手:

1)减小干扰源的电磁干扰能量;

2)切断干扰传播途径;

3)提高受扰设备的抗干扰能力。

下面以隔离式DC/DC变换器为例,讨论开关电源的电磁兼容性设计。

3.1 DC/DC变换器输入电路的电磁兼容设计

如图2所示,FV1为瞬态电压抑制二极管RV1为压敏电阻,都具有很强的瞬变浪涌吸收能力,能很好地保护后级元器件或电路免遭浪涌电压的破坏。Z1为直流EMI滤波器,必须良好接地接地线要短,*好直接安装在金属外壳上,还要保证其输入、输出线之间的屏蔽隔离,才能有效地切断传导干扰沿输入线的传播和辐射干扰沿空间的传播。L1及C1组成低通滤波电路,当L1电感值鞍大时,还须增加如图2所示的D1和R1,形成续流回路,吸收L1断开时释放的电场能量,否则,L1产生的电压尖峰就会形成电磁干扰,电感L1所使用的磁芯*好为闭合磁芯,带气隙的开环磁芯的漏磁场会形成电磁干扰,C1的容量较大为好,这样可以减小输入线上的纹波电压,从而减小在输入导线周围形成的电磁场。


 


3.2 高频逆变电路的电磁兼容设计

如图3所示,C2、C3、V2、V3组成的半桥逆变电路,V2、V3为lGBT或M0SFET等开关器件,在V2、V3开通和关断时,由于开关时间很短以及引线电感、变压器漏感的存在,回路会产生较高的di/dt、dv/dt,从而形成电磁干扰,为此,在变压器原边两端增加R4、C4构成的吸收回路,或在V2、V3两端分别并联电容器C5、C6,并缩短引线,减小a—b、c—d、g—h、e—f的引线电感。在设计中,G4C5、C6。一般采用低感电容,电容器容量的大小取决于引线电感量、同路中电流值以及允许的过冲电压值的大小,由LI2/2=C△V2/2求得C的大小(L为回路电感,I为回路电流,△V为过冲电压值)。


 

为减小△V,就必须减小回路引线电感值,为此,在设计时常使用一种叫“多层低感复合母排”的装置,由我集团公司申请砖利的该种母排装置能将回路电感降低到足够小,达lOnH级,从而达到减小高频逆变回路电磁干扰的目的。

在大电流或高电压下的快速开关动作是产生电磁噪声的根本,因此,尽可能选用产生电磁噪声小的电路拓扑,如在同等条件下双管正激拓扑比单管正激拓扑产生电磁噪声要小,全桥电路比半桥电路产生电磁噪声要小。另外,使用ZCS或ZVS软开关变换技术能有效降低高频逆变回路的电磁干扰。

图4所示为增加缓冲电路后开关管上的电流、电压波形与没有缓冲回路时的波形比较,可见增加缓冲电路后电流电压变化率降低很多。


 


由于变压器是一个发热元件,较差的散热条件必然导致变压器温度升高,从而形成热辐射,因此,变压器必须有很好的散热条件。

通常将高频变压器封装在一个铝壳盒内,并灌注电子硅胶,铝盒还可安装在铝散热器上,这样变压器即可形成较好的电磁屏蔽,还可保证有较好的散热效果.减小串磁辐射。


 

      3.4 输出整流电路的电磁兼容设计

图6所示为半波整流电路,D6为整流二极管,D7为续流二极管,由于D6、D7,工作于高频开关状态,因此,输出整流电路的电磁干扰源主要是D6和D7.把R5、G12和R6、C13分别连接成D6、D7,的吸收电路,用于吸收其开关时产生的电压尖峰。


 


减少整流二极管的数量可减小电磁干扰的能量,因此,在同等条件下,采用半波整流比采用全波整流和全桥整流产生的电磁干扰要小。

为减小二极管的电磁干扰,必须选用具有软恢复特性的、反向恢复电流小的、反向恢复时间短的二极管。从理论上讲,肖特基势垒二极管(SBD)是多数载流子导流,不存在少子的存储与复合效应,因而也就不会有反向电压尖峰干扰,但实际上对于具有较高反向工作电压的肖特基二极管,随着电子势垒厚度的增加,反向恢复电流会增大,也会产生电磁噪声。因此,在输出电压较低的情况下选用肖特基二极管产生的电磁干扰会比选用其它二极管要小。

3.5 输出直流滤波电路的电磁兼容设计

输出直流滤波电路主要用于切断电磁传导干扰沿导线向输出负载端传播,减小电磁干扰在导线周围的电磁辐射。

如图7所示,L2、C7、C18组成的LC滤波电路,能减小输出电流、电压纹波的大小,从而减小通过辐射传播的电磁干扰。滤波电容C17、C18应尽量采用多个电容并联,以减小等效串联电阻,从而减小纹波电压。输出电感L2应尽量大,以减小输出纹波电流的大小,另外,电感L2*好使用不开气隙的闭环磁芯,*好不是饱和电感。在设计时要记住,导线上有电流、电压的变化,在导线周围就有变化的电磁场,电磁场就会沿空间传播形成电磁辐射。


 

C19用于滤除导线上的共模干扰,尽量选用低感电容,且接线要短。C20、C21、C22、C23用于滤除输出线上的差模干扰,宜选用低感的三端电容,且接地线要短,接地可靠。

Z3为直流EMI滤波器,根据情况决定使用或不使用,是采用单级还是多级,但要求Z3直接安装在金属机箱上,并且滤波器输入、输出线*好能屏蔽隔离。


3.6 接触器、继电器、风机的电磁兼容设计

继电器、接触器、风机等在失电后,其线圈将产生较大的电压尖峰,从而产生电磁干扰,为此,在直流线圈两端反并联一个二极管或RC吸收电路,在交流线圈两端并联一个压敏电阻用于吸收线圈失电后产生的电压尖峰。如果接触器线圈电源与辅助电源的输人电源为同一个电源时,之间*好通过一个EMI滤波器。继电器触头动作时也将产生电磁干扰,因此,也要在触头两端增加RC吸收电路。



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