基于補償原理的正激式變換器傳導共模EMI抑制

摘要：本文分析了開關電源共模EMI產生原因及傳播方式,介紹了傳統共模EMI抑制方法的特點，并且針對正激式變換器分析了共模EMI傳播模型，提出了利用補償原理抑制正激式變換器共模EMI的方法。

敘詞：正激式變換器 無源補償 共模EMI抑制 寄生電容

Abstract：The generant reason and transimission method of CM EMI in switch power supply is analyzed in this paper. The method of suppress the traditional CM EMI is introduced . Aiming at the forward converter ,this paper analyzes the model that the CM EMI generate. A solution which uses passive compensation is proposed to suppress the CM EMI in the forward converter.

Keyword：Forward converter, Passive Compensation, CM EMI Suppression, Stray capacitance

1 引言

隨著電力電子器件的廣泛應用，功率變換器的開關頻率越來越高，結構越來越緊湊，使得電磁干擾(Electromagnetic Interference，EMI)問題越來越嚴重。EMI信號不但具有很寬的頻率范圍，還具有一定的幅度，經傳導和輻射會污染電磁環境，對通信設備和電子產品造成干擾。所以，如何降低甚至消除開關電源中的EMI問題已經成為開關電源設計中重要的問題。抑制共模干擾的通常方法是在輸入線上串接較大的磁扼流線圈，但是這樣就破壞了變換器的整體外形結構。本文首先分析了開關電源共模EMI產生機理和傳統共模EMI抑制技術，在此基礎上，針對正激式變換器，介紹了基于補償原理的共模EMI抑制方法。即采取了一種用一個補償變壓器繞組和一個補償電容來消除共模電磁干擾的方法，同其它的方法相比，結構更為簡單且是無源結構，僅需要增加一個小的繞組和一個小電容。

2 開關電源共模EMI產生原因及傳播方式

開關電源工作在高頻情況時，由于du/dt很高，激發變壓器線圈間寄生電容Ct以及開關管與散熱片間的寄生電容Cq產生噪聲電流，從而產生了共模干擾，如圖1所示。共模干擾電流從具有較高du/dt的開關管出發，流經接地散熱片和地線，再由高頻LISN網絡(由兩個50Ω電阻等效)流回輸入線路。

3 傳統共模EMI抑制電路

傳統的共模干擾抑制電路如圖2所示。為了使濾波電容Cy流入地的漏電流維持在安全范圍，Cy的值都較小，相應的扼流線圈電感Lcm就變大，特別是由于Lcm要傳輸全部的功率，其損耗、體積和重量都會變大。應用無源補償技術，則可以在不影響主電路工作的情況下，較好的抑制電路的共模干擾，并可以減小Lcm的體積和重量而節省成本。

4 補償原理及其應用

4.1 補償原理

電力電子裝置中，由于共模干擾是由開關管器件在高頻通斷時所產生的對地電流Cdu/dt。因此，用一個額外變壓器繞組在補償電容上產生一個180°的反向電壓，產生的補償電流再與寄生電容上的干擾電流疊加，從而消除干擾，這就是無源補償的原理。

4.2共模EMI耦合通道模型分析

圖3是正激式變換器共模EMI傳輸通道的原理圖。LISN模塊是用來測量傳導發射的標準電路(由兩個50Ω電阻等效)，電容Cpara、Ct和Cout是用虛線表示的分布電容，其中Cpara表示變壓器原邊、功率開關管和散熱片的對地分布電容，Ct表示原邊與副邊的耦合電容，Cout表示負載對地分布電容。開關管在開通與關斷時產生電位跳變，變化的電位經對地耦合電容形成共模噪聲電流，如圖3所示。共模電流分兩路流向大地，一路經散熱片和開關管的對地電容Cpara，另一路流經變壓器耦合電容Ct和副邊對地電容Cout。

圖4是原邊共模噪聲的等效電路。由于副邊輸出電壓較低，其產生的共模噪聲可以忽略。由于開關管與散熱片接觸面積很大而間距很小，所以兩者間的分布電容高達數10nF，如果散熱片直接接地，共模噪聲將會沿此分布電容與LISN阻抗構成回路，造成嚴重的共模噪聲。

當開關管寄生電容Cpara遠遠大于原邊與副邊耦合電容Ct時，寄生電容Cpara是噪聲的主要傳播通道，簡化電路如圖5所示。根據原邊共模噪聲電流流經途徑可以看出，只要在原電路上加一個與噪聲源相反的電壓，通過補償電容產生同樣大小的反向電流，就可以抑制共模EMI。

4.3 外加補償電容抑制共模噪聲

圖6為加入補償電路的正激式變換電路。該電路最突出的特點是可利用其自身的磁復位線圈作為補償線圈，匝數與原邊繞組一樣，外加補償電容，可以方便地實現補償。補償電容Ccomp的大小則與寄生電容Cpara一樣，工作時的Nc使Ccomp產生一個與Cpara上干擾電流大小相同、方向相反的補償電流，疊加后消除了干擾電流。補償電流不流過全部的功率，僅傳輸干擾電流，補償電路十分簡單。

由于正激變換器有其自身的去磁繞組，這樣就省去了外加補償線圈，只需外加一個補償電容，便可以實現共模EMI的改善和抑制。圖7為加入了補償電容的共模電流流通簡化電路。

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