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开关电源无源共模干扰抑制技术

摘要:介绍了一种基于补偿原理的共模干扰抑制技术,通过抑制电源辐射来减少变换器的共模干扰。这种方法被推广应用于多种功率变换器拓扑,理论和实验结果都表明该技术有效减少了电路的共模干扰。

关键词:开关电源;共模干扰;抑制技术

引言

由于mosfet及igbt和软开关技术在电力电子电路中的广泛应用,使得功率变换器的开关频率越来越高,结构更加紧凑,但亦带来许多问题,如寄生元件产生的影响加剧,电磁辐射加剧等,所以emi问题是目前电力电子界关注的主要问题之一。

传导是电力电子装置中干扰传播的重要途径。差模干扰和共模干扰是主要的传导干扰形态。多数情况下,功率变换器的传导干扰以共模干扰为主。本文介绍了一种基于补偿原理的无源共模干扰抑制技术,并成功地应用于多种功率变换器拓扑中。理论和实验结果都证明了,它能有效地减小电路中的高频传导共模干扰。这一方案的优越性在于,它无需额外的控制电路和辅助电源,不依赖于电源变换器其他部分的运行情况,结构简单、紧凑。

1 补偿原理

共模噪声与差模噪声产生的内部机制有所不同:差模噪声主要由开关变换器的脉动电流引起;共模噪声则主要由较高的dv/dt与杂散参数间相互作用而产生的高频振荡引起。如图1所示。共模电流包含连线到接地面的位移电流,同时,由于开关器件端子上的dv/dt是最大的,所以开关器件与散热片之间的杂散电容也将产生共模电流。图2给出了这种新型共模噪声抑制电路所依据的本质概念。开关器件的dv/dt通过外壳和散热片之间的寄生电容对地形成噪声电流。抑制电路通过检测器件的dv/dt,并把它反相,然后加到一个补偿电容上面,从而形成补偿电流对噪声电流的抵消。即补偿电流与噪声电流等幅但相位相差180°,并且也流入接地层。根据基尔霍夫电流定律,这两股电流在接地点汇流为零,于是50ω的阻抗平衡网络(lisn)电阻(接测量接收机的bnc端口)上的共模噪声电压被大大减弱了。

2 基于补偿原理的共模干扰抑制技术在开关电源中的应用

本文以单端反激电路为例,介绍基于补偿原理的共模干扰抑制技术在功率变换器中的应用。图3给出了典型单端反激变换器的拓扑结构,并加入了新的共模噪声抑制电路。如图3所示,从开关器件过来的dv/dt所导致的寄生电流ipara注入接地层,附加抑制电路产生的反相噪声补偿电流icomp也同时注入接地层。理想的状况就是这两股电流相加为零,从而大大减少了流向lisn电阻的共模电流。利用现有电路中的电源变压器磁芯,在原绕组结构上再增加一个附加绕组nc。由于该绕组只需流过由补偿电容ccomp产生的反向噪声电流,所以它的线径相对原副方的np及ns绕组显得很小(由实际装置的设计考虑决定)。附加电路中的补偿电容ccomp主要是用来产生和由寄生电容cpara引起的寄生噪声电流反相的补偿电流。ccomp的大小由cpara和绕组匝比np∶nc决定。如果np∶nc=1,则ccomp的电容值取得和cpara相当;若np∶nc≠1,则ccomp的取值要满足icomp=cpara·dv/dt。

此外,还可以通过改造诸如buck,half-bridge等dc/dc变换器中的电感或变压器,从而形成无源补偿电路,实现噪声的抑制,如图4,图5所示。

3 实验及结果

实验采用了一台5kw/50hz艇用逆变器的单端反激辅助电源作为实验平台。交流调压器的输出经过lisn送入整流桥,整流后的直流输出作为反激电路的输入。多点测得开关管集电极对实验地(机壳)的寄生电容大约为80pf,鉴于实验室现有的电容元件,取用了一个100pf,耐压1kv的瓷片电容作为补偿电容。一接地铝板作为实验桌面,lisn及待测反激电源的外壳均良好接地。图6是补偿绕组电压和原方绕组电压波形。补偿绕组精确的反相重现了原方绕组的波形。图7是流过补偿电容的电流和开关管散热器对地寄生电流的波形。从图7可以看出,补偿电流和寄生电流波形相位相差180°,在一些波形尖刺方面也较好地吻合。但是,由于开关管的金属外壳为集电极且与散热器相通,散热器形状的不规则导致了开关管寄生电容测量的不确定性。由图7可见,补偿电流的幅值大于实际寄生电流,说明补偿电容的取值与寄生电容的逼近程度不够好,取值略偏大。图8给出了补偿电路加入前后,流入lisn接地线的共模电流波形比较。经过共模抑制电路的电流平衡后,共模电流的尖峰得到了很好的抑制,实验数据表明,最大的抑制量大约有14ma左右。

 

 

 

图9是用agilente4402b频谱分析仪测得的共模电流的频谱波形。可见100khz到2mhz的频率范围内的cm噪声得到了较好的抑制。但是,在3mhz左右出现了一个幅值突起,之后的高频段也未见明显的衰减,这说明在高频条件下,电路的分布参数成了噪声耦合主要的影响因素,补偿电路带来的高频振荡也部分增加了共模emi噪声的高频成份。但从滤波器设计的角度来看,这并不太多影响由于降低了低次谐波噪声而节省的设备开支。若是能较精确地调节补偿电容,使其尽可能接近寄生电容cpara的值,那么抑制的效果会在此基础上有所改善。

4 此技术的局限性

图10中的(a),(b),(c),(d)给出了噪声抑制电路无法起到正常效用时的电压、电流的波形仿真情况。这里主要包含了两种情况:

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