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開關電源的無源共模干擾抑制技術

鉅大鋰電  |  點擊量:0  |  2020年05月13日  

摘要:介紹了一種基于補償原理的共模干擾抑制技術,通過抑制電源輻射來減少變換器的共模干擾。這種方法被推廣應用于多種功率變換器拓撲,理論和實驗結果都表明該技術有效減少了電路的共模干擾。


引言


由于mosfet及igbt和軟開關技術在電力電子電路中的廣泛應用,使得功率變換器的開關頻率越來越高,結構更加緊湊,但亦帶來許多問題,如寄生元件出現的影響加劇,電磁輻射加劇等,所以emi問題是目前電力電子界關注的重要問題之一。


傳導是電力電子裝置中干擾傳播的重要途徑。差模干擾和共模干擾是重要的傳導干擾形態。多數情況下,功率變換器的傳導干擾以共模干擾為主。本文介紹了一種基于補償原理的無源共模干擾抑制技術,并成功地應用于多種功率變換器拓撲中。理論和實驗結果都證明了,它能有效地減小電路中的高頻傳導共模干擾。這一方法的優越性在于,它無需額外的控制電路和輔助電源,不依賴于電源變換器其他部分的運行情況,結構簡單、緊湊。


1補償原理


共模噪聲與差模噪聲出現的內部機制有所不同:差模噪聲重要由開關變換器的脈動電流引起;共模噪聲則重要由較高的dv/dt與雜散參數間相互用途而出現的高頻振蕩引起。如圖1所示。共模電流包含連線到接地面的位移電流,同時,由于開關器件端子上的dv/dt是最大的,所以開關器件與散熱片之間的雜散電容也將出現共模電流。圖2給出了這種新型共模噪聲抑制電路所依據的本質概念。開關器件的dv/dt通過外殼和散熱片之間的寄生電容對地形成噪聲電流。抑制電路通過檢測器件的dv/dt,并把它反相,然后加到一個補償電容上面,從而形成補償電流對噪聲電流的抵消。即補償電流與噪聲電流等幅但相位相差180°,并且也流入接地層。根據基爾霍夫電流定律,這兩股電流在接地點匯流為零,于是50ω的阻抗平衡網絡(lisn)電阻(接測量接收機的bnc端口)上的共模噪聲電壓被大大減弱了。


2基于補償原理的共模干擾抑制技術在開關電源中的應用


本文以單端反激電路為例,介紹基于補償原理的共模干擾抑制技術在功率變換器中的應用。圖3給出了典型單端反激變換器的拓撲結構,并加入了新的共模噪聲抑制電路。如圖3所示,從開關器件過來的dv/dt所導致的寄生電流ipara注入接地層,附加抑制電路出現的反相噪聲補償電流icomp也同時注入接地層。理想的狀況就是這兩股電流相加為零,從而大大減少了流向lisn電阻的共模電流。利用現有電路中的電源變壓器磁芯,在原繞組結構上再新增一個附加繞組nc。由于該繞組只需流過由補償電容ccomp出現的反向噪聲電流,所以它的線徑相對原副方的np及ns繞組顯得很小(由實際裝置的設計考慮決定)。附加電路中的補償電容ccomp重要是用來出現和由寄生電容cpara引起的寄生噪聲電流反相的補償電流。ccomp的大小由cpara和繞組匝比np∶nc決定。假如np∶nc=1,則ccomp的電容值取得和cpara相當;若np∶nc≠1,則ccomp的取值要滿足icomp=cpara·dv/dt。


此外,還可以通過改造諸如buck,half-bridge等dc/dc變換器中的電感或變壓器,從而形成無源補償電路,實現噪聲的抑制,如圖4,圖5所示。


3實驗及結果


實驗采用了一臺5kw/50hz艇用逆變器的單端反激輔助電源作為實驗平臺。交流調壓器的輸出經過lisn送入整流橋,整流后的直流輸出作為反激電路的輸入。多點測得開關管集電極對實驗地(機殼)的寄生電容大約為80pf,鑒于實驗室現有的電容元件,取用了一個100pf,耐壓1kv的瓷片電容作為補償電容。一接地鋁板作為實驗桌面,lisn及待測反激電源的外殼均良好接地。圖6是補償繞組電壓和原方繞組電壓波形。補償繞組精確的反相重現了原方繞組的波形。圖7是流過補償電容的電流和開關管散熱器對地寄生電流的波形。從圖7可以看出,補償電流和寄生電流波形相位相差180°,在一些波形尖刺方面也較好地吻合。但是,由于開關管的金屬外殼為集電極且與散熱器相通,散熱器形狀的不規則導致了開關管寄生電容測量的不確定性。由圖7可見,補償電流的幅值大于實際寄生電流,說明補償電容的取值與寄生電容的逼近程度不夠好,取值略偏大。圖8給出了補償電路加入前后,流入lisn接地線的共模電流波形比較。經過共模抑制電路的電流平衡后,共模電流的尖峰得到了很好的抑制,實驗數據表明,最大的抑制量大約有14ma左右。


圖9是用agilente4402b頻譜分析儀測得的共模電流的頻譜波形。可見100khz到2mhz的頻率范圍內的cm噪聲得到了較好的抑制。但是,在3mhz左右出現了一個幅值突起,之后的高頻段也未見明顯的衰減,這說明在高頻條件下,電路的分布參數成了噪聲耦合重要的影響因素,補償電路帶來的高頻振蕩也部分新增了共模emi噪聲的高頻成份。但從濾波器設計的角度來看,這并不太多影響由于降低了低次諧波噪聲而節省的設備開支。若是能較精確地調節補償電容,使其盡可能接近寄生電容cpara的值,那么抑制的效果會在此基礎上有所改善。


4此技術的局限性


圖10中的(a),(b),(c),(d)給出了噪聲抑制電路無法起到正常效用時的電壓、電流的波形仿真情況。這里重要包含了兩種情況:


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