DC/DC全橋變換器共模噪聲及其抑制方法研究*

楊文鐵 耿 攀 張 平 徐正喜

(武漢第二船舶設計研究所 武漢 430064)

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DC/DC全橋變換器共模噪聲及其抑制方法研究*

楊文鐵 耿 攀 張 平 徐正喜

(武漢第二船舶設計研究所 武漢 430064)

共模噪聲對DC/DC全橋變換電路本身以及電網中的其他設備正常工作都會產生嚴重的影響,論文分析了共模噪聲產生的原因,電路參數對共模噪聲的影響,并給出了抑制措施。

全橋電路; 共模電流; 電磁噪聲抑制

Class Number TM464

1 引言

開關電源由于其開關器件工作在較高的頻率,隨之會帶來較大的dv/dt、di/dt干擾脈沖信號,對電源自身的可靠工作產生影響,也會對其輸入端供電電源、輸出端負載產生很強的電磁干擾。電磁干擾根據其產生的原因一般分為兩類:差模干擾與共模干擾。DC/DC全橋電路輸入、輸出端均設有LC濾波電路,對于主要由電路的脈動電流引起的差模噪聲,有較好的抑制作用;而共模噪聲的影響因素較為復雜,與開關頻率、電路雜散參數等均有關系,并且相比于差模電流,共模電流所經過的回路更多,對電路的影響更大,是高頻EMI產生的主要原因[1～2]。

2 共模噪聲產生機理

開關電源高開關頻率導致電路中產生較大的dv/dt,其與電路對地寄生電容相互作用而引起的高頻振蕩產生共模噪聲。圖1為DC/DC全橋變換電路,其中ICM為電路中共模電流的流經回路,共模電流ICM主要為共模電壓的的dv/dt對電路寄生電容不斷進行充放電而引起的[3～4]。

圖1 共模干擾回路示意圖

任何開關電源,采用PWM控制方式,均會產生共模電壓,如圖,設全橋變換電路前級逆變輸出的共模電壓VCM,等于橋臂中點對電源的電壓±Vdc。另一方面,電路寄生電容影響因素更為復雜,導線之間、變壓器初次級繞組之間以及器件與機殼之間,其中開關電源的共模電流大小主要與開關管的集電極、發射極與散熱器之間寄生電容大小有關,假設逆變電路中,每個橋臂中點對散熱器的寄生電容值均為Cp。根據共模電流產生的原理可以看到,共模電流的特性由回路中的共模電壓、雜散電容和電感的共同決定,即等效于共模電壓對RLC電路供電,且共模電壓的頻率為開關頻率[5～6]。

3 全橋變換電路共模噪聲分析

DC/DC全橋變換電路由前級逆變電路與后級高頻整流電路組成,由于電路中高頻變壓器側的存在,共模電流路徑有兩條,如圖2所示:一條是原邊輸入側回路,共模電流從逆變電路開關器件所在的散熱器流向參考地,流經直流電源的對地電容,流回逆變電路。通常情況下,直流電源的對地電容相比于開關管對地的寄生電容,要大得多,其所帶來的影響可以忽略;另一路徑是副邊輸出側回路,大多數負載也存在寄生電容,并不能與參考地完全絕緣,因而會在輸出側產生共模干擾電流[7]。下面以輸入側為例對共模噪聲進行分析,輸出側類似。

圖2 共模電流形成回路

全橋逆變器輸入側的共模電流等于兩個橋臂產生的共模電流之和。由于每個橋臂都由同型號開關器件組成的,因此可認為每個橋臂中點對地的寄生電容相等,即Cp1=Cp2=Cp。由并聯等效原理可得,全橋變換器的共模電流可以采用如圖3所示的等效電路來分析。圖中兩個電壓源V1、V2分別用開關管Q1兩端電壓、Q3兩端電壓代替。

圖3 共模電流等效電路

Lcm為散熱器與參考地的雜散等效電感;Lcab為電源到電解電容的線路等效電感與輸入濾波電感之和;Cp為橋臂中點對散熱器的寄生電容;Cn為從電解電容到開關管的正負極對散熱器的等效電容;Rin為線路電阻以及電壓源內阻的等效;V1、V2為該橋臂上管的端電壓,V1=V2=E。

圖4 共模電流戴維南等效簡化電路

利用戴維南等效定理可將電路簡化為一個LRC串聯諧振電路,如圖4所示,其中:R=Rin;C=2Cp+Cn;E=V·Cp/(Cp+Cn);L=Lcm+Lcab。

在圖4回路中諧振電流icm(t)可表示為

(1)

當ζ2?1時,諧振電路的電流可簡化為

(2)

4 共模噪聲抑制措施及試驗驗證

電磁噪聲的源頭是由于電路中開關器件的高頻通斷,產生很快的電流、電壓變化,即dv/dt和di/dt所引起,因而改善電源的開關過程可有效抑制電磁噪聲。在2kW原理樣機上進行了相關試驗。圖5為改進前滯后橋臂驅動及端電壓波形(曲線1為驅動,2為端電壓),可以看到,死區時間過長導致開關管未實現軟開關,以及二極管反向恢復等引起的電壓振蕩明顯。采取如下措施:合理設計死區時間,實現軟開關;增加嵌位二極管及RC吸收電路,抑制二極管寄生振蕩;減小變壓器漏感,合理布線,多點布置高頻吸收電容,減小線路雜散電感的產生的di/dt等,圖6為改善后的電壓波形(曲線1為驅動,2為端電壓),可以看到,以上措施對尖峰抑制效果明顯。

對于小功率開關電源,還可采取外加無源濾波抑制措施,即在電源出端外加共模電感、電容,在輸出線上套磁環抑制共模噪聲,以及設計EMI濾波器等,均可十分有效地抑制電源輸出產生的高次諧波電流,減少共模噪聲[10]。圖7(a)為未采取任何措施前的輸出端共模電流波形,圖7(b)為改善電源開關過程并優化設計輸出LC濾波參數后的輸出端共模電流波形。可以看到,以上措施對共模噪聲改善顯著。

圖5 改進前電壓波形

圖6 改進后電壓波形

圖7 共模電流波形

5 結語

本文分析DC/DC全橋變換電路共模噪聲產生的機理,建立了全橋變換電路中共模電流回路的等效電路,分析了共模回路參數對共模電流的影響,給出了其定量的關系,并根據此給出了對應的抑制措施,對共模噪聲改善效果顯著。

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DC/DC Full-Bridge Converter Common-Mode EMI and Suppression Method

YANG Wentie GENG Pan ZHANG Ping XU Zhengxi

(Wuhan Second Ship Design and Research Institute, Wuhan 430064)

Common-mode noise on the DC/DC full bridge converter circuit will seriously affect the normal work itself and other devices in the grid. This paper analyzes the causes of common-mode noise generated, and the influence of the circuit parameters on the common-mode noise, and gives the suppression measures.

full-bridge converter, common-mode current, electromagnetic noise suppression

2015年3月7日,

2015年4月28日

楊文鐵,男,碩士,研究方向:電力電子。耿攀,男,碩士,研究方向:電力電子。張平,男,碩士,研究方向:電力電子。徐正喜,男,博士,研究方向:電力電子。

TM464

10.3969/j.issn.1672-9730.2015.09.046