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单相PWM变换器传导EMI的分析与抑制

作者:dolphin时间:2011-05-11

在开关电源中,储能元件(变压器、电感和电容)的尺寸随着开关频率的增加成近似线性的减小。因而,高度集成开关电源一般需要高开关频率和快速半导体设备。但是,高开关频率将伴随电压和电流的变化率(dv/dt和di/dt)增加,这将直接影响开关电源的电磁兼容性。与此同时,EMI滤波器的效能会因为高频寄生参数的影响而削弱,导致不能有效地滤出电源回路产生的高频EMI噪声。近年来,随着EMC标准的不断严格,对EMI的考虑也变得非常重要。目前,关于PWM变换器的EMI噪声的理论分析的文章有很多。但是,对于EMI噪声的产生和传导途径并没有比较全面而深入的研究。因而,EMI噪声,尤其是经过旁路电容流向系统地的共模干扰电流很值得我们研究。
本文通过寄生电感和电容来建立变换器电路模型,对共模和差模干扰的基本模型进行了分析。详细讲述了降低PWM变换器EMI的CM和DM滤波器的设计方法。

一、变换器的高频寄生参数模型
图1为基于IGBT的全桥PWM变换器电路。为了简化分析过程,变压器没有在图1中表示出来。为了对EMI滤波器进行预测和计算,必须建立准确的高频模型。其模型具体包括元器件模型、滤波器模型和导线模型。

图1 PWM变换器电路图

1.元器件模型
图2为完整的IGBT等效电路。由图可知,电路包括了内部和外部导线电感和IGBT集电极与模型金属底座之间的电容。这些电容导致高频漏电流流向连接散热设备的金属底座。散热设备一般是良好接地以确保安全。IGBT设备是通过小的电子绝缘材料安放在金属底座上。为了使温度电阻尽可能小,其绝缘层要尽可能的薄,并且IGBT集电极与模型金属底座之间的旁路电容要尽可能的大。

图2 IGBT寄生参数等效电路

2.滤波器模型
滤波器效率不仅受滤波器的类型影响,也受滤波器组成阻抗与附近器件阻抗不同的影响。为了提高滤波器效率,本身的阻抗与附近器件阻抗必须有很大的不同。例如,如果滤波器有较小的容性阻抗,较多的高频噪声电流将通过。如果滤波器有较大的感性阻抗则较多的高频噪声电压将被分开。但是,滤波器在高频状态下的阻抗往往不是我们所想象的这样的。

图3 滤波器寄生参数
有很多寄生参数将对滤波器产生影响,首先讨论电容的寄生参数对滤波器的影响。图3(a)是一个简单的等效电路,电感Llead为电路的导线电感,Rs为等效电阻。图3b是电容阻抗大小的波德图,频率 f0( )是电容的自适应频率。当频率从dc逐渐增大时,电容C的阻抗将线性减小-20dB/dec,在f0以上,电感的阻抗将线性增大+20db/dec。因此,如果电容的f0越大,导线电感将越小,则对于固定电容值的电容将有更好的效果。为了提高电容的效能,电容的引脚应尽可能的短。如果将电容值增大不但不能减小EMI,反而增加电路的EMI,其自适应频率是主要的原因。典型的频率如下:电解电容为1KHz,陶瓷电容为100KHz,聚脂薄膜电容为1MHz,塑胶电容为10MHz,聚脂陶瓷电容为100MHz。
电感上的寄生参数对EMI滤波器的影响也是很大的。典型的等效电路如图3(c)所示。Cpara和Rpara 表示电感的寄生电容和等效串联电阻。图3(d)是阻抗大小的波德图。在小于f1时电感表现为电阻性,在f1与f0( )表现为感性,大于f0表现为容性。因此可以等出结论,电感f0越大,频率带越宽。类似于电容,寄生电容值越小,电感将有更好的性能。

3.导线模型
导线模型包括支线和母线。支线有导线电感,大约为1uH/m。如果支线较短,其寄生电容可以不用考虑。因此,连结线应该是越短越好。从实验结果可知,当输入输出电缆长度超过5m时,寄生电容将不能忽视。母线经常是用于联结直流电源与两IGBT引脚。其引线电感L一般比较小,但di/dt常常比较大,因此 会非常大,这就是导致差模干扰的主要原因。

二、EMI噪声
EMI噪声主要包括两个部分:差模干扰和共模干扰。差模干扰电流一般是由导线流向中性点或者由中性点流向导线,共模干扰电流通常流入电路与保护地之间的寄生电容上[4]。由于输入端一般加有输入差模滤波器,共模EMI一般比差模EMI要大很多。

1.差模干扰
高频差模电流一般是由输出的线线电压突变引起的,这些差模电流流过变换器的输出端。一部分经过DC端电容,一部分将被直流电源吸引。同时差模干扰电流也是一个辐射EMI源。其传播途径能通过安装在变换器dc桥附近的差模滤波器来变化。
变换器输出端电流idc由开关状态来决定。假定当支路为感性时,支路电流方向为正方向,电流大小为i1,则差模电流能通过表1描述的三种状态来决定。其它状态的高频电流与这三种状态是一样的。
表1 变换器DC端输出电流

另外,因为主电路的寄生参数影响将产生高频谐振,同时增大差模电流。而且,PWM开关产生的高谐波虽然大部分通过输出滤波器滤出,但仍有部分存在,因此,差模电流也将在输出端形成。

2.共模干扰
共模干扰是因为输入端与接地系统之间电流形成的。在PWM变换器系统中,因为存在快速的开关转换输出电压和输出端各种与地的旁路电容,共模干扰是主要的干扰。IGBT集电极与金属底座寄生电容Cp,它是由图1中的与地之间的虚线引起的。这些电容将导致高频漏电流流入连接散热片的金属底座。这些散热片因为安全原因一般都良好接地的。IGBT一般是通过薄的绝缘材料安放在金属底座上。为了减小温度电阻,绝缘层通常是尽可能的薄,并且集电极与金属底座的旁路电容要偏大一些。



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