基于saber的開(kāi)關(guān)電源EMI仿真分析

（天津理工大學(xué) 電氣電子工程學(xué)院 天津市復(fù)雜系統(tǒng)控制理論及應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300384）

0 引言

開(kāi)關(guān)電源作為電子設(shè)備的供電裝置，具有體積小、重量輕、效率高等優(yōu)點(diǎn)，然而由于其工作在高頻開(kāi)關(guān)狀態(tài)，屬于強(qiáng)電磁干擾源，其產(chǎn)生的電磁干擾會(huì)嚴(yán)重影響電子設(shè)備的正常工作。因此仿真分析和抑制開(kāi)關(guān)電源EMI干擾，對(duì)設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)電源和保證電子設(shè)備安全可靠工作有重要意義。

本文應(yīng)用saber軟件對(duì)非隔離式buck型DC/DC變換電路進(jìn)行研究，分析了該電路EMI干擾源，提出EMI干擾抑制方法。并在saber軟件中對(duì)系統(tǒng)共模和差模干擾仿真進(jìn)行測(cè)試，驗(yàn)證了本文提出的EMI抑制方法的有效性。

1 DC/DC變換器工作原理

非隔離buck型DC/DC變換器電路如圖1所示，是一種對(duì)電壓進(jìn)行降壓變換的直流斬波電路。其中Vi、Vo表示輸入輸出電壓，S為IGBT功率開(kāi)關(guān)管，Q為續(xù)流二極管，L、C表示濾波電感電容，R為輸出電阻。

圖1 DC/DC變換器

DC/DC變換器工作原理：驅(qū)動(dòng)信號(hào)使S導(dǎo)通時(shí)，續(xù)流二極管Q反偏截止，如圖2所示，此時(shí)電源為負(fù)載提供能量，電感電流線性增加，其儲(chǔ)存的磁場(chǎng)能量增加，電容C開(kāi)始充電；當(dāng)S截止時(shí)，如圖3所示，由于電感電流不能突變，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)阻止電流減小，同時(shí)使續(xù)流二極管Q導(dǎo)通，電感儲(chǔ)能通過(guò)Q傳給負(fù)載，當(dāng)負(fù)載電壓低于電容兩端電壓時(shí)，電容向負(fù)載放電。

圖2 S導(dǎo)通，Q截止

圖3 S截止，Q導(dǎo)通

對(duì)于buck變換器，根據(jù)電感的福特-秒平衡關(guān)系，可以得到CCM的直流電壓增益為：

占空比D為IGBT開(kāi)關(guān)管S的導(dǎo)通時(shí)間與開(kāi)關(guān)周期之比。由于D的值介于0和1之間，故該電路可實(shí)現(xiàn)降壓功能。

2 DC/DC變換器電磁干擾源分析

在saber中建立buck變換器仿真電路圖如圖5所示。該電路輸入36V電壓，輸出電阻設(shè)置為5歐，采用脈沖寬度調(diào)制矩形脈沖電壓源驅(qū)動(dòng)IGBT開(kāi)關(guān)管的開(kāi)斷，脈沖電壓源參數(shù)設(shè)置如圖4所示，脈沖的頻率取決于脈沖電壓源的周期，這里取周期為1ms，即開(kāi)關(guān)頻率為1kHz。

圖4 saber仿真圖

測(cè)得輸出電壓波形如圖5所示。可看出該電路可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的降壓，降壓后輸出直流電壓為16V。

圖5 輸出電壓波形圖

2.1 功率開(kāi)關(guān)管的電壓、電流尖峰干擾

當(dāng)開(kāi)關(guān)管S導(dǎo)通時(shí)，開(kāi)關(guān)管流過(guò)電流is，由于電路存在漏感，在開(kāi)關(guān)管斷開(kāi)瞬間，電路將在漏感上產(chǎn)生一個(gè)極大的感應(yīng)電壓Up以阻礙電流的突變，該電壓以浪涌電壓的形式加在S上，產(chǎn)生電壓尖峰，S關(guān)斷等效圖如圖6所示。

圖6 S關(guān)斷等效圖

當(dāng)開(kāi)關(guān)管在很高的電壓下開(kāi)通時(shí)，儲(chǔ)存在開(kāi)關(guān)器件電容中的能量將以電流的形式全部耗散在該器件中，頻率越高，開(kāi)通電流尖峰越大。saber仿真電路中測(cè)得IGBT漏的電壓尖峰如圖7所示。

圖7 IGBT電壓尖峰

2.2 功率二極管引起的干擾

功率二極管從導(dǎo)通變?yōu)榻刂箷r(shí)，由于關(guān)斷的時(shí)間很短，容易產(chǎn)生反向電流的浪涌。由于反向恢復(fù)電流降到0的速度很快，故di/dt很大，該電流將在環(huán)路中向周?chē)臻g輻射高頻電磁波，干擾敏感原件。測(cè)得二極管上的電流尖峰波形圖如圖8所示。

圖8 二極管電流尖峰波形

3 EMI測(cè)量

該DC/DC變換器中的干擾主要通過(guò)傳導(dǎo)的方式耦合，選用LISN（Line Impedance Stabilization Network）進(jìn)行傳導(dǎo)測(cè)試。LISN即線路阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)，是EMC測(cè)試的重要輔助設(shè)備。LISN將電源與受試設(shè)備DUT進(jìn)行隔離，并提供穩(wěn)定的線路阻抗。常規(guī)的150kHz-100MHz測(cè)試頻段的DC_LISN拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖9所示。其中L1=5uH，C1=0.2F，C2=0.1uF，R1=1Ω，R2=1kΩ，R3為接收機(jī)內(nèi)阻抗，R3=50Ω。

圖9 LISN結(jié)構(gòu)圖

LISN測(cè)量原理圖如圖10所示。其中IL、IN分別為相線和中線的干擾電流，ICM、IDM分別為共模和差模電流。共模干擾通過(guò)L線、N線、地形成干擾回路，差模干擾通過(guò)L線、N線形成干擾回路。

圖10 LISN測(cè)量原理圖

由圖10可以得到共模和差模干擾電流：

推導(dǎo)得到回路差模和共模干擾電壓為：

在saber電路模型直流電源輸入端加入LISN阻抗網(wǎng)絡(luò)，EMI測(cè)量圖如圖11所示。根據(jù)上述分析，應(yīng)用saber軟件中Cosmos Scope的波形計(jì)算器計(jì)算系統(tǒng)共模和差模干擾電壓，測(cè)得回路共模和差模EMI干擾頻譜圖如圖12所示。

圖11 EMI測(cè)量圖

圖12 共模及差模測(cè)試結(jié)果

該頻譜圖顯示了回路在10kHz到10MHz頻段內(nèi)的共模和差模干擾，由圖可看出在該頻段內(nèi)的系統(tǒng)共模干擾明顯大于差模干擾。

4 EMI抑制和仿真

針對(duì)電路中較強(qiáng)的EMI干擾，本文采用在電源輸入端加入EMI濾波器的方法抑制傳導(dǎo)EMI干擾。

典型的EMI濾波器結(jié)構(gòu)如圖13所示。C1、C2是差模電容，CY1、CY2是共模電容，L1是共模扼流圈，兩個(gè)繞組分別接在零線和火線上。對(duì)于共模干擾電流，兩個(gè)線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)是同方向的，會(huì)呈現(xiàn)較大電感，起到衰減共模干擾信號(hào)的作用。共模扼流圈通常采用導(dǎo)磁率高、頻率特性好的鐵氧體磁性材料。

L2、L3是差模扼流圈，是一個(gè)繞組單獨(dú)接在零線和火線上的濾波電感器，可抑制回路的差模干擾。

圖13 EMI濾波器結(jié)構(gòu)

取差模電容C1為0.47uF，C2為0.1uF，Y電容容量一般不大于0.1uF，總?cè)葜狄话愣疾怀^(guò)4700pF，該系統(tǒng)選用的CY1、CY2均為2200pF。考慮到阻抗和頻率，共模扼流圈一般取1.5～5mH，這里取為2mH，差模扼流圈一般取10～50uH，這里取為10uH。

將上述EMI濾波器接入DC/DC變換器的電源輸入端，重新測(cè)試系統(tǒng)共模和差模干擾信號(hào)，結(jié)果如圖14和圖15所示。其中CM和DM分別是加入濾波器之前的共模和差摸干擾；CM1和DM1為加入濾波器后測(cè)得的共模和差模干擾，由測(cè)試圖可看出加入EMI濾波器之后，系統(tǒng)共模和差模電磁干擾均有明顯的降低。說(shuō)明該EMI濾波器有效降低了系統(tǒng)EMI干擾。

圖14 共模干擾測(cè)試結(jié)果

圖15 差模干擾測(cè)試結(jié)果

5 結(jié)束語(yǔ)

基于saber仿真軟件建立了非隔離型buck直流變換器電路模型，在該模型基礎(chǔ)上分析了電路工作原理以及EMI產(chǎn)生機(jī)理，提出了EMI抑制措施，并在saber軟件中進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。測(cè)試結(jié)果證明本文提出的抑制方法可有效抑制開(kāi)關(guān)電源的EMI干擾。這對(duì)開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)初期EMI分析抑制有重要參考價(jià)值。

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