隔離式DC／DC變換器的電磁兼容設計分析（一）

  隨著(zhù)電力電子技術(shù)的發(fā)展，開(kāi)關(guān)電源模塊以其相對體積小、效率高、工作可靠等優(yōu)點(diǎn)而逐漸取代傳統整流電源。但是，由于開(kāi)關(guān)電源工作頻率高，內部會(huì )產(chǎn)生很高的電流、電壓變化率（即高dv／dt和di／df），導致開(kāi)關(guān)電源模塊產(chǎn)生較強的電磁干擾，并通過(guò)傳導、輻射和串擾等耦合途徑影響自身電路及其它電子系統的正常工作，當然其本身也會(huì )受到其它電子設備電磁干擾的影響，電磁干擾將造成傳輸信號畸變，影響電子設備的止常工作。對于雷電、靜電放電等高能量的電磁下擾，嚴重時(shí)會(huì )損壞電子設備。而對于某些電子設備，電磁輻射會(huì )引起重要信息的泄漏，嚴重時(shí)會(huì )威脅國家信息**。這就是我們所討論的電磁兼容性問(wèn)題。另外，國家開(kāi)始對部分電子產(chǎn)品強制實(shí)行3C認證，因此，一個(gè)電子設備能否滿(mǎn)足電磁兼容標準，將關(guān)系到這一產(chǎn)品能否在市場(chǎng)上銷(xiāo)售，所以，進(jìn)行開(kāi)關(guān)電源的電磁兼容性研究顯得非常重要。

1 內部噪聲干擾源分析

l.l 二極管廈向恢復引起的噪聲干擾

在開(kāi)關(guān)電源中常使用工頻整流二極管、高頻整流二極管、續流二極管等，由于這些二極管都工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，如圖l所示，在二極管由阻斷狀態(tài)到導通的轉換過(guò)程中，將產(chǎn)生一個(gè)很高的電壓尖峰UFP;在二極管由導通狀態(tài)到阻斷的轉換過(guò)程中，存在一個(gè)反向恢復時(shí)間trr在反向恢復過(guò)程中，由于二極管封裝電感及引線(xiàn)電感的存在，將產(chǎn)生一個(gè)反向電壓尖峰URP由于少子的存儲與復合效應，會(huì )產(chǎn)生瞬變的反向恢復電流尖峰IRP，這種快速的電流、電壓突變是電磁干擾產(chǎn)生的根源。

1.2 開(kāi)關(guān)管開(kāi)關(guān)時(shí)產(chǎn)生的電磁干擾

在正激式、推挽式、橋式變換器中，流過(guò)開(kāi)關(guān)管的電流波形在阻性負載時(shí)近似矩形波，含有豐富的高頻成分，這些高頻諧波會(huì )產(chǎn)生很強的電磁干擾。在反激變換器中，流過(guò)開(kāi)關(guān)管的電流波形在阻性負載時(shí)近似三角波，高次諧波成分相對較少。開(kāi)關(guān)管在開(kāi)通時(shí)，由于開(kāi)通時(shí)間很短以及逆變回路中引線(xiàn)電感的存在，將產(chǎn)生很大的dv／dt和很高的尖峰電壓，在開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)，由于關(guān)斷時(shí)間很短，將產(chǎn)生很大的di／dt和很高的電流尖峰，這些電流、電壓突變將產(chǎn)生很強的電磁干擾。

1.3 電感、變壓器等磁性元件引起的電磁干擾

在開(kāi)關(guān)電源中存在輸入濾波電感、功率變壓器、隔離變壓器、輸出濾波電感等磁性元件，隔離變壓器初次級之間存在寄生電容，高頻干擾信號通過(guò)寄生電容耦合到次級；功率變壓器由于繞制工藝等原因，原、次級耦合不理想而存在漏感，漏感將產(chǎn)生電磁輻射干擾，另外，功率變壓器線(xiàn)圈繞組流過(guò)高頻脈沖電流，在周?chē)纬筛哳l電磁場(chǎng)；電感線(xiàn)圈中流過(guò)脈動(dòng)電流會(huì )產(chǎn)生電磁場(chǎng)輻射，而且在負載突切時(shí)，會(huì )形成電壓尖峰，同時(shí)，當它工作在飽和狀態(tài)時(shí)，將會(huì )產(chǎn)生電流突變，這些都會(huì )引起電磁干擾。

1.4 控制電路引起的電磁干擾

控制電路中周期性的高頻脈沖信號，如振蕩器產(chǎn)生的高頻脈沖信號等將產(chǎn)生高頻高次諧波，對周?chē)娐樊a(chǎn)生電磁干擾。

1.5 其他電磁干擾

電路中還會(huì )有地環(huán)路干擾、公共阻抗耦合干擾，以及控制電源噪聲干擾等。另外，不合理的布線(xiàn)將使電磁干擾通過(guò)線(xiàn)線(xiàn)之間的耦合電容和分布互感串擾或輻射到鄰近導線(xiàn)上，從而影響其它電路的正常工作。還有熱輻射產(chǎn)生的電磁干擾，熱輻射是以電磁波的形式進(jìn)行熱交換，這種電磁干擾會(huì )影響其它電子元器件或電路的正常穩定工作。

2、外界的電磁干擾

對于某一電子設備，外界對其產(chǎn)生影響的電磁干擾包括電網(wǎng)中的諧波干擾、雷電、太陽(yáng)噪聲、靜電放電以及周?chē)母哳l發(fā)射設備。

      3、開(kāi)關(guān)電源的電磁兼容設計

進(jìn)行開(kāi)關(guān)電源的電磁兼容性設汁時(shí)，首先要明確系統需要滿(mǎn)足的電磁兼容標準；確定系統內的關(guān)鍵電路，包括強干擾源電路、高度敏感電路；明確電源設備工作環(huán)境中的電磁于擾源及敏感設備；然后確定對電源設備所要采取的電磁兼容性措施。因此，開(kāi)關(guān)電源的電磁兼容設計主要從以下3個(gè)方面入手：

1）減小干擾源的電磁干擾能量；

2）切斷干擾傳播途徑；

3）提高受擾設備的抗干擾能力。

下面以隔離式DC／DC變換器為例，討論開(kāi)關(guān)電源的電磁兼容性設計。

3.1 DC／DC變換器輸入電路的電磁兼容設計

如圖2所示，FV1為瞬態(tài)電壓抑制二極管RV1為壓敏電阻，都具有很強的瞬變浪涌吸收能力，能很好地保護后級元器件或電路免遭浪涌電壓的破壞。Z1為直流EMI濾波器，必須良好接地接地線(xiàn)要短，*好直接安裝在金屬外殼上，還要保證其輸入、輸出線(xiàn)之間的屏蔽隔離，才能有效地切斷傳導干擾沿輸入線(xiàn)的傳播和輻射干擾沿空間的傳播。L1及C1組成低通濾波電路，當L1電感值鞍大時(shí)，還須增加如圖2所示的D1和R1，形成續流回路，吸收L1斷開(kāi)時(shí)釋放的電場(chǎng)能量，否則，L1產(chǎn)生的電壓尖峰就會(huì )形成電磁干擾，電感L1所使用的磁芯*好為閉合磁芯，帶氣隙的開(kāi)環(huán)磁芯的漏磁場(chǎng)會(huì )形成電磁干擾，C1的容量較大為好，這樣可以減小輸入線(xiàn)上的紋波電壓，從而減小在輸入導線(xiàn)周?chē)纬傻碾姶艌?chǎng)。

3.2 高頻逆變電路的電磁兼容設計

如圖3所示，C2、C3、V2、V3組成的半橋逆變電路，V2、V3為lGBT或M0SFET等開(kāi)關(guān)器件，在V2、V3開(kāi)通和關(guān)斷時(shí)，由于開(kāi)關(guān)時(shí)間很短以及引線(xiàn)電感、變壓器漏感的存在，回路會(huì )產(chǎn)生較高的di／dt、dv／dt，從而形成電磁干擾，為此，在變壓器原邊兩端增加R4、C4構成的吸收回路，或在V2、V3兩端分別并聯(lián)電容器C5、C6，并縮短引線(xiàn)，減小a—b、c—d、g—h、e—f的引線(xiàn)電感。在設計中，G4C5、C6。一般采用低感電容，電容器容量的大小取決于引線(xiàn)電感量、同路中電流值以及允許的過(guò)沖電壓值的大小，由LI2／2=C△V2／2求得C的大?。↙為回路電感，I為回路電流，△V為過(guò)沖電壓值）。

為減小△V，就必須減小回路引線(xiàn)電感值，為此，在設計時(shí)常使用一種叫“多層低感復合母排”的裝置，由我集團公司申請磚利的該種母排裝置能將回路電感降低到足夠小，達lOnH級，從而達到減小高頻逆變回路電磁干擾的目的。

在大電流或高電壓下的快速開(kāi)關(guān)動(dòng)作是產(chǎn)生電磁噪聲的根本，因此，盡可能選用產(chǎn)生電磁噪聲小的電路拓撲，如在同等條件下雙管正激拓撲比單管正激拓撲產(chǎn)生電磁噪聲要小，全橋電路比半橋電路產(chǎn)生電磁噪聲要小。另外，使用ZCS或ZVS軟開(kāi)關(guān)變換技術(shù)能有效降低高頻逆變回路的電磁干擾。

圖4所示為增加緩沖電路后開(kāi)關(guān)管上的電流、電壓波形與沒(méi)有緩沖回路時(shí)的波形比較，可見(jiàn)增加緩沖電路后電流電壓變化率降低很多。

由于變壓器是一個(gè)發(fā)熱元件，較差的散熱條件必然導致變壓器溫度升高，從而形成熱輻射，因此，變壓器必須有很好的散熱條件。

通常將高頻變壓器封裝在一個(gè)鋁殼盒內，并灌注電子硅膠，鋁盒還可安裝在鋁散熱器上，這樣變壓器即可形成較好的電磁屏蔽，還可保證有較好的散熱效果．減小串磁輻射。

      3.4 輸出整流電路的電磁兼容設計

圖6所示為半波整流電路，D6為整流二極管，D7為續流二極管，由于D6、D7，工作于高頻開(kāi)關(guān)狀態(tài)，因此，輸出整流電路的電磁干擾源主要是D6和D7．把R5、G12和R6、C13分別連接成D6、D7，的吸收電路，用于吸收其開(kāi)關(guān)時(shí)產(chǎn)生的電壓尖峰。

減少整流二極管的數量可減小電磁干擾的能量，因此，在同等條件下，采用半波整流比采用全波整流和全橋整流產(chǎn)生的電磁干擾要小。

為減小二極管的電磁干擾，必須選用具有軟恢復特性的、反向恢復電流小的、反向恢復時(shí)間短的二極管。從理論上講，肖特基勢壘二極管（SBD）是多數載流子導流，不存在少子的存儲與復合效應，因而也就不會(huì )有反向電壓尖峰干擾，但實(shí)際上對于具有較高反向工作電壓的肖特基二極管，隨著(zhù)電子勢壘厚度的增加，反向恢復電流會(huì )增大，也會(huì )產(chǎn)生電磁噪聲。因此，在輸出電壓較低的情況下選用肖特基二極管產(chǎn)生的電磁干擾會(huì )比選用其它二極管要小。

3.5 輸出直流濾波電路的電磁兼容設計

輸出直流濾波電路主要用于切斷電磁傳導干擾沿導線(xiàn)向輸出負載端傳播，減小電磁干擾在導線(xiàn)周?chē)碾姶泡椛洹?/span>

如圖7所示，L2、C7、C18組成的LC濾波電路，能減小輸出電流、電壓紋波的大小，從而減小通過(guò)輻射傳播的電磁干擾。濾波電容C17、C18應盡量采用多個(gè)電容并聯(lián)，以減小等效串聯(lián)電阻，從而減小紋波電壓。輸出電感L2應盡量大，以減小輸出紋波電流的大小，另外，電感L2*好使用不開(kāi)氣隙的閉環(huán)磁芯，*好不是飽和電感。在設計時(shí)要記住，導線(xiàn)上有電流、電壓的變化，在導線(xiàn)周?chē)陀凶兓碾姶艌?chǎng)，電磁場(chǎng)就會(huì )沿空間傳播形成電磁輻射。

C19用于濾除導線(xiàn)上的共模干擾，盡量選用低感電容，且接線(xiàn)要短。C20、C21、C22、C23用于濾除輸出線(xiàn)上的差模干擾，宜選用低感的三端電容，且接地線(xiàn)要短，接地可靠。

Z3為直流EMI濾波器，根據情況決定使用或不使用，是采用單級還是多級，但要求Z3直接安裝在金屬機箱上，并且濾波器輸入、輸出線(xiàn)*好能屏蔽隔離。

3.6 接觸器、繼電器、風(fēng)機的電磁兼容設計

繼電器、接觸器、風(fēng)機等在失電后，其線(xiàn)圈將產(chǎn)生較大的電壓尖峰，從而產(chǎn)生電磁干擾，為此，在直流線(xiàn)圈兩端反并聯(lián)一個(gè)二極管或RC吸收電路，在交流線(xiàn)圈兩端并聯(lián)一個(gè)壓敏電阻用于吸收線(xiàn)圈失電后產(chǎn)生的電壓尖峰。如果接觸器線(xiàn)圈電源與輔助電源的輸人電源為同一個(gè)電源時(shí)，之間*好通過(guò)一個(gè)EMI濾波器。繼電器觸頭動(dòng)作時(shí)也將產(chǎn)生電磁干擾，因此，也要在觸頭兩端增加RC吸收電路。