開關電源變壓器屏蔽層抑制共模EMI的研究

0 引言

電磁兼容(Electro magnetic Compatibility，EMC)是指電子設備或系統在電磁環境下能正常工作，且不對該環境中任何事物構成不能承受的電磁騷擾的能力。它包括電磁干擾(EMI)和電磁敏感(EMS)兩方面。由于開關電源中存在很高的di/dt和du/dt，因此，所有拓撲形式的開關電源都有電磁干擾的問題。目前克服電磁干擾的技術手段主要有：在電源的輸入、輸出端設置無源或有源濾波器，設置屏蔽外殼并接地，采用軟開關技術和變頻控制技術等。

開關電源中，EMI產生的根本原因在于存在著電流、電壓的高頻急劇變化，其通過導線的傳導，以及電感、電容的耦合形成傳導EMI。同而電流、電壓的變化必定伴有磁場、電場的變化，因此，導致了輻射EMI。本文著重分析變壓器中共模傳導EMI產生的機理，并以此為依據，闡述了變壓器中不同的屏蔽層設置方式對共模傳導EMI的抑制效果。

1 高頻變壓器中傳導EMI產生機理

以反激式變換器為例，其主電路如圖1所示。

開關管開通后，變壓器一次側電流逐漸增加，磁芯儲能也隨之增加。當開關管關斷后，二次側整流二極管導通，變壓器儲能被耦合到二次側，給負載供電。

圖1 反激變換器

在開關電源中，輸入整流后的電流為尖脈沖電流，開關開通和關斷時變換器中電壓、電流變化率很高，這些波形中含有豐富的高頻諧波。另外，在主開關管開關過程和整流二極管反向恢復過程中，電路的寄生電感、電容會發生高頻振蕩，以上這些都是電磁干擾的來源。開關電源中存在大量的分布電容，這些分布電容給電磁干擾的傳遞提供了通路，如圖2所示。圖2中，LISN為線性阻抗穩定網絡，用于線路傳導干擾的測量。干擾信號通過導線、寄生電容等傳遞到變換器的輸入、輸出端，形成了傳導干擾。變壓器的各繞組之間也存在著大量的寄生電容，如圖3所示。圖3中，A、B、C、D4點與圖1中標識的4點相對應。

圖2 反激式開關電源寄生電容典型的分布

圖3 變壓器中寄生電容的分布

在圖1所示的反激式開關電源中，變換器工作于連續模式時，開關管VT導通后，B點電位低于A點，一次繞組匝間電容便會充電，充電電流由A流向B;VT關斷后，寄生電容反向充電，充電電流由B流向A。這樣，變壓器中便產生了差模傳導EMI。同時，電源元器件與大地之間的電位差也會產生高頻變化。由于元器件與大地、機殼之間存在著分布電容，便產生了在輸入端與大地、機殼所構成回路之間流動的共模傳導EMI電流。

具體到變壓器中，一次繞組與二次繞組之間的電位差也會產生高頻變化，通過寄生電容的耦合，從而產生了在一次側與二次側之間流動的共模傳導EMI電流。交流等效回路及簡化等效回路如圖4所示。圖4中：ZLISN為線性阻抗穩定網絡的等效阻抗;CP為變壓器一次繞組與二次繞組間的寄生電容;ZG為大地不同點間的等效阻抗;CSG為輸出回路與地間的等效電容;Z為變壓器以外回路的等效阻抗。

圖4 變壓器中共模傳導EMI的流通回路

2 變壓器中共模傳導EMI數學模型

以圖3所示的變壓器為例，最上層一次繞組與二次繞組間的寄生電容最大，是產生共模傳導EMI的主要原因，故以下主要分析這兩層間分布電容對共模傳導EMI的影響，忽略變壓器其他繞組對共模傳導EMI的影響。

設一次繞組有3層，每層m匝，二次繞組僅一層，為n匝。當變壓器磁芯中的磁通發生變化，便會同時在一次側和次級產生感應電動勢。根據疊加定理，可認為這是僅一次繞組有感應電動勢、二次繞組電動勢為零和僅二次繞組有感應電動勢、一次繞組電動勢為零兩種情況的疊加。僅一次繞組有感應電動勢、二次繞組電動勢為零的情況如圖5所示。圖5中：e1為每匝一次繞組的感應電動勢;C1x為一匝最外層一次繞組與二次繞組間的寄生電容。

圖5 僅一次繞組有感應電動勢的情況

在此情況下，由一次側流向次級的共模電流為：

在僅二次繞組有感應電動勢、一次繞組電動勢為零的情況如圖6所示。圖6中：e2為每匝二次繞組的感應電動勢;C2x為一匝二次繞組與一次繞組最外層間的寄生電容。

圖6 僅二次繞組有感應電動勢的情況

在此情況下，由次級流向一次側的共模電流為：

根據疊加原理，可得在一次側最外層繞組和次級間流動的共模電流：

3 屏蔽繞組抑制共模傳導EMI原理

根據圖3所示的結構。繞制變壓器，并在交流整流濾波后增設13mH差模濾波電感和6.8差模濾波電容，對開關電源進行傳導EMI測試，結果如圖6所示。由圖6可見，傳導EMI非常嚴重，不能通過電磁干擾測試。在交流整流前增設35mH共模濾波電感，傳導EMI測試結果如圖7所示，產品即可通過測試。比較測試結果可得出：在圖3所示的電路中，主要是由于大量共模傳導EMI，才使電源不能通過電磁干擾測試。

圖7 變壓器內部不設置屏蔽的傳導EMI測試結果