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開關(guān)電源變壓器屏蔽層抑制共模EMI的研究

作者: 時間:2013-08-09 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

0 引言

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/174842.htm

電磁兼容(Electro magnetic Compatibility,EMC)是指電子設(shè)備或系統(tǒng)在電磁環(huán)境下能正常工作,且不對該環(huán)境中任何事物構(gòu)成不能承受的電磁騷擾的能力。它包括電磁干擾(EMI)和電磁敏感(EMS)兩方面。由于中存在很高的di/dt和du/dt,因此,所有拓?fù)湫问降?a class="contentlabel" href="http://m.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/開關(guān)電源">開關(guān)電源都有電磁干擾的問題。目前克服電磁干擾的技術(shù)手段主要有:在電源的輸入、輸出端設(shè)置無源或有源濾波器,設(shè)置屏蔽外殼并接地,采用軟開關(guān)技術(shù)和變頻控制技術(shù)等。

中,EMI產(chǎn)生的根本原因在于存在著電流、電壓的高頻急劇變化,其通過導(dǎo)線的傳導(dǎo),以及電感、電容的耦合形成傳導(dǎo)EMI。同而電流、電壓的變化必定伴有磁場、電場的變化,因此,導(dǎo)致了輻射EMI。本文著重分析中共模傳導(dǎo)EMI產(chǎn)生的機理,并以此為依據(jù),闡述了中不同的屏蔽層設(shè)置方式對共模傳導(dǎo)EMI的抑制效果。

1 高頻中傳導(dǎo)EMI產(chǎn)生機理

以反激式變換器為例,其主電路如圖1所示。

開關(guān)管開通后,變壓器一次側(cè)電流逐漸增加,磁芯儲能也隨之增加。當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷后,二次側(cè)整流二極管導(dǎo)通,變壓器儲能被耦合到二次側(cè),給負(fù)載供電。

反激變換器

圖1 反激變換器

在開關(guān)電源中,輸入整流后的電流為尖脈沖電流,開關(guān)開通和關(guān)斷時變換器中電壓、電流變化率很高,這些波形中含有豐富的高頻諧波。另外,在主開關(guān)管開關(guān)過程和整流二極管反向恢復(fù)過程中,電路的寄生電感、電容會發(fā)生高頻振蕩,以上這些都是電磁干擾的來源。開關(guān)電源中存在大量的分布電容,這些分布電容給電磁干擾的傳遞提供了通路,如圖2所示。圖2中,LISN為線性阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò),用于線路傳導(dǎo)干擾的測量。干擾信號通過導(dǎo)線、寄生電容等傳遞到變換器的輸入、輸出端,形成了傳導(dǎo)干擾。變壓器的各繞組之間也存在著大量的寄生電容,如圖3所示。圖3中,A、B、C、D4點與圖1中標(biāo)識的4點相對應(yīng)。

反激式開關(guān)電源寄生電容典型的分布

圖2 反激式開關(guān)電源寄生電容典型的分布

變壓器中寄生電容的分布

圖3 變壓器中寄生電容的分布

在圖1所示的反激式開關(guān)電源中,變換器工作于連續(xù)模式時,開關(guān)管VT導(dǎo)通后,B點電位低于A點,一次繞組匝間電容便會充電,充電電流由A流向B;VT關(guān)斷后,寄生電容反向充電,充電電流由B流向A。這樣,變壓器中便產(chǎn)生了差模傳導(dǎo)EMI。同時,電源元器件與大地之間的電位差也會產(chǎn)生高頻變化。由于元器件與大地、機殼之間存在著分布電容,便產(chǎn)生了在輸入端與大地、機殼所構(gòu)成回路之間流動的共模傳導(dǎo)EMI電流。

具體到變壓器中,一次繞組與二次繞組之間的電位差也會產(chǎn)生高頻變化,通過寄生電容的耦合,從而產(chǎn)生了在一次側(cè)與二次側(cè)之間流動的共模傳導(dǎo)EMI電流。交流等效回路及簡化等效回路如圖4所示。圖4中:ZLISN為線性阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)的等效阻抗;CP為變壓器一次繞組與二次繞組間的寄生電容;ZG為大地不同點間的等效阻抗;CSG為輸出回路與地間的等效電容;Z為變壓器以外回路的等效阻抗。

變壓器中共模傳導(dǎo)EMI的流通回路

圖4 變壓器中共模傳導(dǎo)EMI的流通回路

2 變壓器中共模傳導(dǎo)EMI數(shù)學(xué)模型

以圖3所示的變壓器為例,最上層一次繞組與二次繞組間的寄生電容最大,是產(chǎn)生共模傳導(dǎo)EMI的主要原因,故以下主要分析這兩層間分布電容對共模傳導(dǎo)EMI的影響,忽略變壓器其他繞組對共模傳導(dǎo)EMI的影響。

設(shè)一次繞組有3層,每層m匝,二次繞組僅一層,為n匝。當(dāng)變壓器磁芯中的磁通發(fā)生變化,便會同時在一次側(cè)和次級產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。根據(jù)疊加定理,可認(rèn)為這是僅一次繞組有感應(yīng)電動勢、二次繞組電動勢為零和僅二次繞組有感應(yīng)電動勢、一次繞組電動勢為零兩種情況的疊加。僅一次繞組有感應(yīng)電動勢、二次繞組電動勢為零的情況如圖5所示。圖5中:e1為每匝一次繞組的感應(yīng)電動勢;C1x為一匝最外層一次繞組與二次繞組間的寄生電容。

僅一次繞組有感應(yīng)電動勢的情況

圖5 僅一次繞組有感應(yīng)電動勢的情況

在此情況下,由一次側(cè)流向次級的共模電流為:

公式

在僅二次繞組有感應(yīng)電動勢、一次繞組電動勢為零的情況如圖6所示。圖6中:e2為每匝二次繞組的感應(yīng)電動勢;C2x為一匝二次繞組與一次繞組最外層間的寄生電容。

僅二次繞組有感應(yīng)電動勢的情況

圖6 僅二次繞組有感應(yīng)電動勢的情況

在此情況下,由次級流向一次側(cè)的共模電流為:

公式

根據(jù)疊加原理,可得在一次側(cè)最外層繞組和次級間流動的共模電流:

公式

3 屏蔽繞組抑制共模傳導(dǎo)EMI原理

根據(jù)圖3所示的結(jié)構(gòu)。繞制變壓器,并在交流整流濾波后增設(shè)13mH差模濾波電感和6.8差模濾波電容,對開關(guān)電源進(jìn)行傳導(dǎo)EMI測試,結(jié)果如圖6所示。由圖6可見,傳導(dǎo)EMI非常嚴(yán)重,不能通過電磁干擾測試。在交流整流前增設(shè)35mH共模濾波電感,傳導(dǎo)EMI測試結(jié)果如圖7所示,產(chǎn)品即可通過測試。比較測試結(jié)果可得出:在圖3所示的電路中,主要是由于大量共模傳導(dǎo)EMI,才使電源不能通過電磁干擾測試。

變壓器內(nèi)部不設(shè)置屏蔽的傳導(dǎo)EMI測試結(jié)果

圖7 變壓器內(nèi)部不設(shè)置屏蔽的傳導(dǎo)EMI測試結(jié)果


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