開關電源傳導EMI仿真與濾波電路設計

2024-03-26 01:26:52蔣云富盧偉斌王嘉義

船電技術 2024年3期

關鍵詞：模型

蔣云富，盧偉斌，王嘉義

開關電源傳導EMI仿真與濾波電路設計

蔣云富，盧偉斌，王嘉義

（株洲中車時代電氣股份有限公司，湖南株洲，412001）

本文基于開關電源的高頻模型，建立了DC/DC變換器的傳導EMI仿真模型，提出了一種基于傳導EMI仿真模型進行變換器電磁兼容設計方法，利用仿真結果設計巴特沃斯濾波電路參數，確定衰減目標、輸入阻抗和截止頻率，最后通過對比仿真驗證所設計濾波電路的有效性。

傳導EMI；高頻建模；濾波電路

0 引言

隨著軌道交通技術的飛速發展，對變換器體積、重量提出更為嚴苛要求，而高頻化有效降低磁性元件體積、重量，是變換器發展主要方向。但在提升功率和增大工作頻率的應用場合，高頻化引起更高的d/d和d/d，造成更強的電磁干擾（EMI）。而開關電源的對外電磁干擾主要包括傳導和輻射。其中電源線上的傳導EMI不僅使得傳導電磁干擾加劇，也影響著輻射。因此，分析并降低傳導EMI就顯得更為重要。

1 開關電源高頻參數建模

開關電源的工作頻率和干擾電流的頻率都非常高。國標《GB/T 24338.4-2018軌道交通電磁兼容第3-2部分：機車車輛設備》中功率變換器對外傳導EMI測試頻率范圍為150 kHz～30 MHz。為了能夠準確模擬開關電源工作時干擾情況，需要建立開關電源及其關鍵元件的高頻模型。

變壓器是開關電源產品的核心元件，在進行一般電路仿真時通常假定其為理想變壓器。但在傳導EMI分析中，其包含的漏感、分布電容等寄生參數是引起干擾的主要原因。因此，需要建立含寄生參數的變壓器高頻模型。變壓器高頻模型如圖1所示，模型中包括原邊、次邊的漏感、電阻和電容，以及原邊、次邊之間的電容。

圖1 變壓器高頻模型

開關管三個端子之間的電容也是引起干擾的主要原因，在考慮端子間電容的情況下，建立MOSFET高頻模型，如圖2所示。

圖2 MOSFET高頻模型

模型中的三個電容按下式（1）確定：

式中，C、C、C可以通過器件產品手冊得到，端子雜散電感合并到引線中。

二極管中影響干擾的參數主要是與反向恢復有關的Q和二極管結電容C。建立的二極管高頻模型如圖3所示。

圖3 二極管高頻模型

實際電路中三類無源元件均包含不同的寄生參數。實際電容的高頻模型如圖4所示：從模型看出，實際的電容中寄生有串聯的電感和電阻。實際電感高頻模型如圖5所示，電感上并聯一個寄生電容，寄生電阻可以整合到引線中。實際電阻高頻模型如圖6所示：電阻上并聯了一個寄生電容，寄生電感串聯其上。

圖4 實際電容高頻等效模型

圖5 實際電感高頻等效模型

圖6 實際電阻高頻等效模型

開關電源中的功率管和磁性元件一般通過導熱硅脂安裝在散熱器上，元件與散熱器之間會產生寄生電容。此類寄生電容可以通過式（2）估算：

開關電源中各種元器件通過電纜連接，除銅牌和母排連接外，導線中寄生參數需要在高頻模型中體現。導線的電阻可以通過電阻計算公式得到，導線上的寄生電感按1uH/m來估算。

2 傳導EMI仿真及分析

在開關電源高頻模型的輸入端和電源之間增加LISN（線路阻抗穩定網絡），即可分析被測產品的傳導干擾情況，再通過電路仿真建立傳導EMI仿真模型。

首先建立開關電源的理想模型并進行時域分析，以驗證開關電源的基本功能。本文建立一款DC/DC變換器，其理想電路如圖7所示，其主要參數如表1所示。根據計算、實測及產品手冊，確定各個部件的高頻參數如表2所示。

圖7 DC/DC變換器理想電路模型

表2 各部件高頻參數

根據以上參數，將LISN添加到電源與變換器輸入端建立變換器傳導EMI模型，如圖8所示。

通過電路仿真得到LISN上兩個50 Ω電阻的電壓波形，從而求出差模干擾和共模干擾，再通過FFT變換將時域波形轉變到頻域，具體方法為：

1）建立包含LISN在內的變換器高頻仿真模型，通過時域分析得到V和V；

2）根據式（3），得到時域下差模干擾波形和共模干擾波形；

3）由于標準中以μV為評價單位，因此需將2）中波形擴大106倍，將V轉為μV；

4）選擇3）中波形的一個穩定周期作為時域向頻域變換的依據；

5）對4）中選定的數據做FFT變換，得到干擾的頻域波形。

圖8 DC/DC變換器傳導EMI模型

仿真模型輸出波形如圖9所示，分析后變換器的共模干擾頻域波形如圖10所示，差模干擾頻域波形如圖11所示。從波形可以看到，差模干擾在低頻段超標且大于共模干擾一倍以上。因此，在傳導EMI整改中重點考慮對差模干擾衰減。

3 EMI濾波器設計

通過以上的分析和仿真，可知變換器在低頻段不滿足標準要求，需設計相應濾波器使變換器滿足要求。

圖9 仿真模型輸出波形

圖10 差模干擾頻域波形

圖11 共模干擾頻域波形

EMI濾波器典型電路如圖12所示。圖中的C是正負線間的電容起到差模濾波作用；C是線對地電容，能夠衰減共模干擾；電感按繞制的方式不同，分別對差模干擾和共模干擾起到衰減的作用。EMI濾波電路設計實質上就是低通濾波電路的設計，其中巴特沃斯法設計簡單，性能優越，得到廣泛應用。

根據圖8所示EMI傳導模型的干擾特性進行巴特沃斯法濾波器設計，主要有以下幾個步驟：

1）確定衰減目標

從圖10的低頻部分可知，在150 kHz處干擾達115 dB，按標準此處不能超過99 dB，因此需要至少衰減16 dB。從圖10的趨勢上看，如果150 kHz處能衰減16 dB后續部分即不會超標。因此，衰減目標確定為：150 kHz處衰減30 dB。

2）確定濾波電路階數及截止頻率

考慮到簡化電路結構，采用3階濾波電路。根據巴特沃斯衰減特性可知，3階濾波電路要達到30 dB的衰減量頻率要到3×，即衰減目標為150 kHz處衰減30 dB，因此，濾波電路的截止頻率選在50 kHz。

圖12 濾波器典型電路

3）確定特征阻抗

濾波電路一端接電源，另一端接變換器輸入端，電源端由于有LISN的存在阻抗穩定，變換器端阻抗隨頻率變化，因此，濾波電路的特征阻抗由變換器的輸入阻抗決定。建立如下圖13所示的二端口模型，通過二端口分析得到電路的輸入阻抗幅頻特性曲線，如下圖14所示。圖中50kHz的幅值是53.447dB。進而計算出輸入阻抗的模，如式（4）所示：