隔離式DC／DC變換器的電磁兼容設(shè)計(jì)

　　引言

　　隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，開(kāi)關(guān)電源模塊以其相對(duì)體積小、效率高、工作可靠等優(yōu)點(diǎn)而逐漸取代傳統(tǒng)整流電源。但是，由于開(kāi)關(guān)電源工作頻率高，內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生很高的電流、電壓變化率(即高dv/dt和di/df)，導(dǎo)致開(kāi)關(guān)電源模塊產(chǎn)生較強(qiáng)的電磁干擾，并通過(guò)傳導(dǎo)、輻射和串?dāng)_等耦合途徑影響自身電路及其它電子系統(tǒng)的正常工作，當(dāng)然其本身也會(huì)受到其它電子設(shè)備電磁干擾的影響，電磁干擾將造成傳輸信號(hào)畸變，影響電子設(shè)備的止常工作。對(duì)于雷電、靜電放電等高能量的電磁下擾，嚴(yán)重時(shí)會(huì)損壞電子設(shè)備。而對(duì)于某些電子設(shè)備，電磁輻射會(huì)引起重要信息的泄漏，嚴(yán)重時(shí)會(huì)威脅國(guó)家信息安全。這就是我們所討論的電磁兼容性問(wèn)題。另外，國(guó)家開(kāi)始對(duì)部分電子產(chǎn)品強(qiáng)制實(shí)行3C認(rèn)證，因此，一個(gè)電子設(shè)備能否滿(mǎn)足電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)，將關(guān)系到這一產(chǎn)品能否在市場(chǎng)上銷(xiāo)售，所以，進(jìn)行開(kāi)關(guān)電源的電磁兼容性研究顯得非常重要。

　　1 內(nèi)部噪聲干擾源分析

　　l.l 二極管廈向恢復(fù)引起的噪聲干擾

　　在開(kāi)關(guān)電源中常使用工頻整流二極管、高頻整流二極管、續(xù)流二極管等，由于這些二極管都工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，如圖l所示，在二極管由阻斷狀態(tài)到導(dǎo)通的轉(zhuǎn)換過(guò)程中，將產(chǎn)生一個(gè)很高的電壓尖峰UFP;在二極管由導(dǎo)通狀態(tài)到阻斷的轉(zhuǎn)換過(guò)程中，存在一個(gè)反向恢復(fù)時(shí)間trr在反向恢復(fù)過(guò)程中，由于二極管封裝電感及引線(xiàn)電感的存在，將產(chǎn)生一個(gè)反向電壓尖峰URP由于少子的存儲(chǔ)與復(fù)合效應(yīng)，會(huì)產(chǎn)生瞬變的反向恢復(fù)電流尖峰IRP,這種快速的電流、電壓突變是電磁干擾產(chǎn)生的根源。

　　1.2 開(kāi)關(guān)管開(kāi)關(guān)時(shí)產(chǎn)生的電磁干擾

　　在正激式、推挽式、橋式變換器中，流過(guò)開(kāi)關(guān)管的電流波形在阻性負(fù)載時(shí)近似矩形波，含有豐富的高頻成分，這些高頻諧波會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的電磁干擾。在反激變換器中，流過(guò)開(kāi)關(guān)管的電流波形在阻性負(fù)載時(shí)近似三角波，高次諧波成分相對(duì)較少。開(kāi)關(guān)管在開(kāi)通時(shí)，由于開(kāi)通時(shí)間很短以及逆變回路中引線(xiàn)電感的存在，將產(chǎn)生很大的dv/dt和很高的尖峰電壓，在開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)，由于關(guān)斷時(shí)間很短，將產(chǎn)生很大的di/dt和很高的電流尖峰，這些電流、電壓突變將產(chǎn)生很強(qiáng)的電磁干擾。

　　1.3 電感、變壓器等磁性元件引起的電磁干擾

　　在開(kāi)關(guān)電源中存在輸入濾波電感、功率變壓器、隔離變壓器、輸出濾波電感等磁性元件，隔離變壓器初次級(jí)之間存在寄生電容，高頻干擾信號(hào)通過(guò)寄生電容耦合到次級(jí);功率變壓器由于繞制工藝等原因，原、次級(jí)耦合不理想而存在漏感，漏感將產(chǎn)生電磁輻射干擾，另外，功率變壓器線(xiàn)圈繞組流過(guò)高頻脈沖電流，在周?chē)纬筛哳l電磁場(chǎng);電感線(xiàn)圈中流過(guò)脈動(dòng)電流會(huì)產(chǎn)生電磁場(chǎng)輻射，而且在負(fù)載突切時(shí)，會(huì)形成電壓尖峰，同時(shí)，當(dāng)它工作在飽和狀態(tài)時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生電流突變，這些都會(huì)引起電磁干擾。

　　l.4 控制電路引起的電磁干擾

　　控制電路中周期性的高頻脈沖信號(hào)，如振蕩器產(chǎn)生的高頻脈沖信號(hào)等將產(chǎn)生高頻高次諧波，對(duì)周?chē)娐樊a(chǎn)生電磁干擾。

　　l.5 其他電磁干擾

　　電路中還會(huì)有地環(huán)路干擾、公共阻抗耦合干擾，以及控制電源噪聲干擾等。另外，不合理的布線(xiàn)將使電磁干擾通過(guò)線(xiàn)線(xiàn)之間的耦合電容和分布互感串?dāng)_或輻射到鄰近導(dǎo)線(xiàn)上，從而影響其它電路的正常工作。還有熱輻射產(chǎn)生的電磁干擾，熱輻射是以電磁波的形式進(jìn)行熱交換，這種電磁干擾會(huì)影響其它電子元器件或電路的正常穩(wěn)定工作。

　　2 外界的電磁干擾

　　對(duì)于某一電子設(shè)備，外界對(duì)其產(chǎn)生影響的電磁干擾包括電網(wǎng)中的諧波干擾、雷電、太陽(yáng)噪聲、靜電放電以及周?chē)母哳l發(fā)射設(shè)備。

　　3 開(kāi)關(guān)電源的電磁兼容設(shè)計(jì)

　　進(jìn)行開(kāi)關(guān)電源的電磁兼容性設(shè)汁時(shí)，首先要明確系統(tǒng)需要滿(mǎn)足的電磁兼容標(biāo)準(zhǔn);確定系統(tǒng)內(nèi)的關(guān)鍵電路，包括強(qiáng)干擾源電路、高度敏感電路;明確電源設(shè)備工作環(huán)境中的電磁于擾源及敏感設(shè)備;然后確定對(duì)電源設(shè)備所要采取的電磁兼容性措施。因此，開(kāi)關(guān)電源的電磁兼容設(shè)計(jì)主要從以下3個(gè)方面入手：

　　1)減小干擾源的電磁干擾能量;

　　2)切斷干擾傳播途徑;

　　3)提高受擾設(shè)備的抗干擾能力。

　　下面以隔離式DC/DC變換器為例，討論開(kāi)關(guān)電源的電磁兼容性設(shè)計(jì)。

　　3.1 DC/DC變換器輸入電路的電磁兼容設(shè)計(jì)

　　如圖2所示，F(xiàn)V1為瞬態(tài)電壓抑制二極管RV1為壓敏電阻，都具有很強(qiáng)的瞬變浪涌吸收能力，能很好地保護(hù)后級(jí)元器件或電路免遭浪涌電壓的破壞。Z1為直流EMI濾波器，必須良好接地接地線(xiàn)要短，最好直接安裝在金屬外殼上，還要保證其輸入、輸出線(xiàn)之間的屏蔽隔離，才能有效地切斷傳導(dǎo)干擾沿輸入線(xiàn)的傳播和輻射干擾沿空間的傳播。L1及C1組成低通濾波電路，當(dāng)L1電感值鞍大時(shí)，還須增加如圖2所示的D1和R1，形成續(xù)流回路，吸收L1斷開(kāi)時(shí)釋放的電場(chǎng)能量，否則，L1產(chǎn)生的電壓尖峰就會(huì)形成電磁干擾，電感L1所使用的磁芯最好為閉合磁芯，帶氣隙的開(kāi)環(huán)磁芯的漏磁場(chǎng)會(huì)形成電磁干擾，C1的容量較大為好，這樣可以減小輸入線(xiàn)上的紋波電壓，從而減小在輸入導(dǎo)線(xiàn)周?chē)纬傻碾姶艌?chǎng)。

　　3.2 高頻逆變電路的電磁兼容設(shè)計(jì)

　　如圖3所示，C2、C3、V2、V3組成的半橋逆變電路，V2、V3為lGBT或M0SFET等開(kāi)關(guān)器件，在V2、V3開(kāi)通和關(guān)斷時(shí)，由于開(kāi)關(guān)時(shí)間很短以及引線(xiàn)電感、變壓器漏感的存在，回路會(huì)產(chǎn)生較高的di/dt、dv/dt，從而形成電磁干擾，為此，在變壓器原邊兩端增加R4、C4構(gòu)成的吸收回路，或在V2、V3兩端分別并聯(lián)電容器C5、C6，并縮短引線(xiàn)，減小a—b、c—d、g—h、e—f的引線(xiàn)電感。在設(shè)計(jì)中，G4C5、C6。一般采用低感電容，電容器容量的大小取決于引線(xiàn)電感量、同路中電流值以及允許的過(guò)沖電壓值的大小，由LI2/2=C△V2/2求得C的大小(L為回路電感，I為回路電流，△V為過(guò)沖電壓值)。