混合動力汽車直流變換系統的EMI分析

北方民族大學電氣信息工程學院 楊東東

混合動力汽車直流變換系統的EMI分析

北方民族大學電氣信息工程學院 楊東東

混合動力汽車直流變換系統中電磁干擾問題越來越突出。本文以電磁干擾的三要素為基礎，從理論上進行傳導電磁干擾分析。基于干擾抑制的常用方法濾波技術，進行混模EMI濾波器分析及其設計。

直流變換系統；電磁干擾；EMI濾波器

1 引言

混合動力汽車相比傳統汽車增加了大功率的電力電子設備：直流變換器系統。該系統中開關器件的工作電壓和頻率都很高，使得開關管和整流二極管成為最主要的電磁干擾源。車載電子電氣設備之間的EMI 信號既占有很寬的頻率范圍，又有一定的幅度，經傳導和輻射會造成電磁干擾。因此，抑制電磁干擾傳導成為直流變換系統穩定可靠運行的關鍵技術之一。

2 直流變換系統電磁干擾分析

本文基于某混合動力汽車的DC/DC變換系統進行研究。圖1是該直流變換系統主電路拓撲——隔離型Buck變換電路。變壓器副邊采用全波整流電路提高了系統輸入輸出的能量轉換效率，又實現了高頻變壓器的磁復位。為了更好的實現變壓器磁復位，在原邊側增加了由穩壓管DZ1和二極管VD1構成的支路。

圖1 主電路拓撲

（1）開關管電磁干擾分析

當開關管導通的瞬間，變壓器原邊繞組會產生很大的浪涌電流，并且在繞組兩端形成浪涌尖峰電壓；當開關管斷開的瞬間，由于變壓器原邊繞組有漏磁通，使一部分沒能傳輸到二次側的能量儲存在漏感中。儲能漏感、串聯諧振電感與開關管并聯的電容形成諧振，產生帶有尖峰的衰減振蕩，與關斷電壓相疊加形成電壓尖峰脈沖。如果尖峰電壓過高，就會擊穿損壞開關管。

（2）功率二極管電磁干擾分析

當整流二極管正向導通時，在P區和N區分別由電子和空穴載流子導電，形成正向電流；當整流二極管突然加上反向電壓時，在反向電場的作用下PN結內儲存電荷復合，形成反向恢復電流，盡管反向電流很小，但是轉變時間短，產生很大的di/dt，在副邊整流電路中形成高頻衰減振蕩，產生電壓尖峰脈沖。它會對外界形成差模干擾，甚至導致整流二極管被反向擊穿，損壞器件。此外，由副邊繞組、整流二極管和電路輸出濾波電容構成高頻開關回路，同樣對系統形成電磁輻射干擾。

3 EMI濾波器設計

EMI濾波器設計的基本原則是阻抗失配原則，即EMI濾波器的輸入阻抗應遠大于或遠小于干擾源的輸出阻抗；EMI濾波器的輸出阻抗應遠大于或遠小于LISN的輸入阻抗。

EMI濾波器的基本原理是用并聯電容為干擾電流提供旁路，用串聯電感阻止干擾電流。在電力電子應用中，共模和差模濾波器通常是結合在一起如圖2所示。該濾波器中差模電容CX和差模電感LDM一起構成差模濾波器，其等效電路如圖3所示。抑制共模干擾常用共模濾波器，由兩個共模電容CY和共模電感LCM一起構成共模濾波器，其等效電路如圖4所示。

圖2 混模EMI濾波器的結構圖

圖3 差模等效電路

圖4 共模等效電路

兩個共模電容為兩條共模干擾路徑上的共模干擾電流提供旁路，共模電感和LISN構成一個分壓器，共模阻抗非常大，因此LISN上的共模干擾被大大的衰減了。差模電感通常用共模扼流圈的漏感部分代替。共模扼流圈的耦合電感就是共模濾波器的共模電感。兩個共模電容串聯形成差模干擾的通路，電容值為1/2CY。在共模扼流圈中，差模干擾電流產生的磁通是相互抵消的。因此，差模等效電路中的共模電感相當于短路。

4 結束語

本文分析了直流變換器內部電磁干擾產生機理及耦合干擾，對EMI濾波器的工作原理和濾波特性進行了分析，預測濾波器的抑制效果，從而有效指導濾波器的設計工作。該電磁干擾源的干擾機理可以推廣到其他拓撲類型的電源變換電路中，還有EMI濾波器的設計方法有一定的指導意義。

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北方民族大學研究生創新項目（YCX1668）。