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  • 頭條反激變換器共模噪聲的抑制
    2020-08-13 作者:劉顏、董光冬、張方華  |  來(lái)源:《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》  |  點(diǎn)擊率:
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    導(dǎo)語(yǔ)南京航空航天大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院的研究人員劉顏、董光冬、張方華,在2019年第22期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》上撰文指出,隨著開關(guān)電源高頻化和小型化的發(fā)展,功率器件快速開關(guān)造成的電磁干擾(EMI)問(wèn)題愈發(fā)嚴(yán)重。 針對(duì)反激變換器,分析共模(CM)噪聲源和CM噪聲傳播路徑,建立變換器的CM噪聲模型。在變壓器分布電容模型的基礎(chǔ)上,定量分析通過(guò)鐵氧體磁心這一路徑傳播的CM噪聲的影響。提出不完全屏蔽層和平衡繞組這兩種CM噪聲抑制措施的定量分析方法。 基于屏蔽層結(jié)構(gòu)參數(shù),不完全屏蔽層可分為寬度不完全和長(zhǎng)度不完全屏蔽層。通過(guò)建立變壓器的xy軸坐標(biāo)系,得到繞組的電勢(shì)分布表達(dá)式,通過(guò)對(duì)共模位移電流的推導(dǎo),基于抵消原理,給出了不完全屏蔽層的寬度或長(zhǎng)度以及平衡繞組匝數(shù)的計(jì)算方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了所研究方法的有效性和計(jì)算方法的準(zhǔn)確性。

    反激變換器因其拓?fù)浜?jiǎn)單、成本低,廣泛應(yīng)用于小功率、多路輸出、隔離型開關(guān)電源中。但隨著開關(guān)電源高頻化和小型化的發(fā)展趨勢(shì),開關(guān)速度越來(lái)越快,印制電路板(Printed Circuit Board, PCB)布局更加緊湊。功率器件快速開關(guān)造成的電磁干擾(Electromagnetic Interference, EMI)問(wèn)題越發(fā)嚴(yán)重。

    為滿足電磁兼容(Electromagnetic Compatibility, EMC),EMI濾波器被廣泛應(yīng)用于功率變換器,通常EMI濾波器的體積占高頻變換器的1/3左右。EMI主要分為輻射干擾和傳導(dǎo)干擾。傳導(dǎo)噪聲又包括差模(Differential Mode, DM)和共模(Common Mode, CM)噪聲。

    研究變換器的共模噪聲源和共模噪聲傳播路徑,建立變換器的共模噪聲模型,并提出有效的共模噪聲抑制方法,能夠減小功率變換器的原始噪聲,簡(jiǎn)化濾波器的設(shè)計(jì),從而減小EMI濾波器的體積、重量,提高變換器的功率密度。

    許多文獻(xiàn)對(duì)變換器的共模噪聲抑制方法進(jìn)行了研究,主要分為以下兩類:基于噪聲源的抑制方法、基于共模噪聲傳播路徑或共模位移電流的旁路和抵消方法。

    • 有學(xué)者建立了移相全橋變換器的共模噪聲模型,提出一種無(wú)源抵消電路,利用補(bǔ)償繞組產(chǎn)生與原始噪聲電流反相的位移電流,通過(guò)該方法抑制變換器的共模噪聲,但此方法補(bǔ)償繞組和補(bǔ)償電容參數(shù)調(diào)節(jié)困難,應(yīng)用復(fù)雜。
    • 有學(xué)者從能量和共模位移電流的角度對(duì)變壓器的寄生電容模型進(jìn)行推導(dǎo),建立了變壓器繞組的兩電容模型,并通過(guò)添加平衡電容抑制了全橋LLC變換器和反激變換器的共模噪聲,但平衡電容會(huì)增加變換器一、二次側(cè)的漏電流,帶來(lái)額外的安全問(wèn)題。
    • 有學(xué)者建立了矩陣變壓器的集總電容模型,對(duì)變換器的共模噪聲進(jìn)行預(yù)測(cè),通過(guò)在平面變壓器一、二次繞組之間添加PCB屏蔽繞組的方法有效抑制了半橋LLC變換器的共模噪聲,但該方法僅適用于二次繞組為一匝的應(yīng)用場(chǎng)合。
    • 有學(xué)者對(duì)反激變換器的共模噪聲進(jìn)行分析,提出了平衡雙屏蔽層的概念,通過(guò)改變屏蔽層的氣隙位置調(diào)節(jié)變壓器一、二次側(cè)到屏蔽層的寄生電容,實(shí)現(xiàn)變換器共模噪聲的抵消,但未給出氣隙位置的計(jì)算方法,實(shí)際應(yīng)用中很難取得平衡雙屏蔽層的最佳效果。
    • 有學(xué)者對(duì)變壓器的屏蔽層結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究,提出屏蔽層的效果受屏蔽層寬度、長(zhǎng)度、位置等參數(shù)的影響,并通過(guò)定性分析方法確定了屏蔽層的最優(yōu)結(jié)構(gòu),但該方法不具有普適性,需要通過(guò)反復(fù)測(cè)試來(lái)確定屏蔽層的最優(yōu)參數(shù)。

    從現(xiàn)有文獻(xiàn)看來(lái),共模噪聲抵消和旁路方法在變換器的共模噪聲抑制中得到了廣泛應(yīng)用。本文在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上對(duì)反激變換器的共模噪聲進(jìn)行分析,研究了兩種共模噪聲抑制方法:不完全屏蔽層和平衡繞組,并對(duì)這兩種方法進(jìn)行了定量的推導(dǎo),實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了所提方法的有效性和推導(dǎo)過(guò)程的準(zhǔn)確性。

    反激變換器共模噪聲的抑制

    圖12 實(shí)驗(yàn)環(huán)境及傳導(dǎo)噪聲測(cè)試儀器

    結(jié)論

    本文針對(duì)反激變換器研究了兩種共模噪聲的抑制方法:不完全屏蔽層和平衡繞組,并給出了定量計(jì)算方法。通過(guò)分析反激變換器的共模噪聲源和共模噪聲耦合路徑,建立了反激變換器的共模噪聲模型。

    針對(duì)變壓器的分布電容模型,分析了通過(guò)磁心這一路徑傳播的共模噪聲的影響。對(duì)寬度不完全屏蔽層、長(zhǎng)度不完全屏蔽層以及平衡繞組的共模噪聲抑制原理進(jìn)行了理論分析,并給出了不完全屏蔽層的寬度或長(zhǎng)度以及平衡繞組的匝數(shù)的詳細(xì)推導(dǎo)過(guò)程。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了本文所提方法的有效性和準(zhǔn)確性。