DC/DC全桥变换器共模噪声及其抑制方法研究*

杨文铁 耿 攀 张 平 徐正喜

(武汉第二船舶设计研究所 武汉 430064)



DC/DC全桥变换器共模噪声及其抑制方法研究*

杨文铁 耿 攀 张 平 徐正喜

(武汉第二船舶设计研究所 武汉 430064)

共模噪声对DC/DC全桥变换电路本身以及电网中的其他设备正常工作都会产生严重的影响,论文分析了共模噪声产生的原因,电路参数对共模噪声的影响,并给出了抑制措施。

全桥电路; 共模电流; 电磁噪声抑制

Class Number TM464

1 引言

开关电源由于其开关器件工作在较高的频率,随之会带来较大的dv/dt、di/dt干扰脉冲信号,对电源自身的可靠工作产生影响,也会对其输入端供电电源、输出端负载产生很强的电磁干扰。电磁干扰根据其产生的原因一般分为两类:差模干扰与共模干扰。DC/DC全桥电路输入、输出端均设有LC滤波电路,对于主要由电路的脉动电流引起的差模噪声,有较好的抑制作用;而共模噪声的影响因素较为复杂,与开关频率、电路杂散参数等均有关系,并且相比于差模电流,共模电流所经过的回路更多,对电路的影响更大,是高频EMI产生的主要原因[1～2]。

2 共模噪声产生机理

开关电源高开关频率导致电路中产生较大的dv/dt,其与电路对地寄生电容相互作用而引起的高频振荡产生共模噪声。图1为DC/DC全桥变换电路,其中ICM为电路中共模电流的流经回路,共模电流ICM主要为共模电压的的dv/dt对电路寄生电容不断进行充放电而引起的[3～4]。

图1 共模干扰回路示意图

任何开关电源,采用PWM控制方式,均会产生共模电压,如图,设全桥变换电路前级逆变输出的共模电压VCM,等于桥臂中点对电源的电压±Vdc。另一方面,电路寄生电容影响因素更为复杂,导线之间、变压器初次级绕组之间以及器件与机壳之间,其中开关电源的共模电流大小主要与开关管的集电极、发射极与散热器之间寄生电容大小有关,假设逆变电路中,每个桥臂中点对散热器的寄生电容值均为Cp。根据共模电流产生的原理可以看到,共模电流的特性由回路中的共模电压、杂散电容和电感的共同决定,即等效于共模电压对RLC电路供电,且共模电压的频率为开关频率[5～6]。

3 全桥变换电路共模噪声分析

DC/DC全桥变换电路由前级逆变电路与后级高频整流电路组成,由于电路中高频变压器侧的存在,共模电流路径有两条,如图2所示:一条是原边输入侧回路,共模电流从逆变电路开关器件所在的散热器流向参考地,流经直流电源的对地电容,流回逆变电路。通常情况下,直流电源的对地电容相比于开关管对地的寄生电容,要大得多,其所带来的影响可以忽略;另一路径是副边输出侧回路,大多数负载也存在寄生电容,并不能与参考地完全绝缘,因而会在输出侧产生共模干扰电流[7]。下面以输入侧为例对共模噪声进行分析,输出侧类似。

图2 共模电流形成回路

全桥逆变器输入侧的共模电流等于两个桥臂产生的共模电流之和。由于每个桥臂都由同型号开关器件组成的,因此可认为每个桥臂中点对地的寄生电容相等,即Cp1=Cp2=Cp。由并联等效原理可得,全桥变换器的共模电流可以采用如图3所示的等效电路来分析。图中两个电压源V1、V2分别用开关管Q1两端电压、Q3两端电压代替。

图3 共模电流等效电路

Lcm为散热器与参考地的杂散等效电感;Lcab为电源到电解电容的线路等效电感与输入滤波电感之和;Cp为桥臂中点对散热器的寄生电容;Cn为从电解电容到开关管的正负极对散热器的等效电容;Rin为线路电阻以及电压源内阻的等效;V1、V2为该桥臂上管的端电压,V1=V2=E。

图4 共模电流戴维南等效简化电路

利用戴维南等效定理可将电路简化为一个LRC串联谐振电路,如图4所示,其中:R=Rin;C=2Cp+Cn;E=V·Cp/(Cp+Cn);L=Lcm+Lcab。

在图4回路中谐振电流icm(t)可表示为

(1)

当ζ2≪1时,谐振电路的电流可简化为

(2)

4 共模噪声抑制措施及试验验证

电磁噪声的源头是由于电路中开关器件的高频通断,产生很快的电流、电压变化,即dv/dt和di/dt所引起,因而改善电源的开关过程可有效抑制电磁噪声。在2kW原理样机上进行了相关试验。图5为改进前滞后桥臂驱动及端电压波形(曲线1为驱动,2为端电压),可以看到,死区时间过长导致开关管未实现软开关,以及二极管反向恢复等引起的电压振荡明显。采取如下措施:合理设计死区时间,实现软开关;增加嵌位二极管及RC吸收电路,抑制二极管寄生振荡;减小变压器漏感,合理布线,多点布置高频吸收电容,减小线路杂散电感的产生的di/dt等,图6为改善后的电压波形(曲线1为驱动,2为端电压),可以看到,以上措施对尖峰抑制效果明显。

对于小功率开关电源,还可采取外加无源滤波抑制措施,即在电源出端外加共模电感、电容,在输出线上套磁环抑制共模噪声,以及设计EMI滤波器等,均可十分有效地抑制电源输出产生的高次谐波电流,减少共模噪声[10]。图7(a)为未采取任何措施前的输出端共模电流波形,图7(b)为改善电源开关过程并优化设计输出LC滤波参数后的输出端共模电流波形。可以看到,以上措施对共模噪声改善显著。

图5 改进前电压波形

图6 改进后电压波形

图7 共模电流波形

5 结语

本文分析DC/DC全桥变换电路共模噪声产生的机理,建立了全桥变换电路中共模电流回路的等效电路,分析了共模回路参数对共模电流的影响,给出了其定量的关系,并根据此给出了对应的抑制措施,对共模噪声改善效果显著。

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DC/DC Full-Bridge Converter Common-Mode EMI and Suppression Method

YANG Wentie GENG Pan ZHANG Ping XU Zhengxi

(Wuhan Second Ship Design and Research Institute, Wuhan 430064)

Common-mode noise on the DC/DC full bridge converter circuit will seriously affect the normal work itself and other devices in the grid. This paper analyzes the causes of common-mode noise generated, and the influence of the circuit parameters on the common-mode noise, and gives the suppression measures.

full-bridge converter, common-mode current, electromagnetic noise suppression

2015年3月7日,

2015年4月28日

杨文铁,男,硕士,研究方向:电力电子。耿攀,男,硕士,研究方向:电力电子。张平,男,硕士,研究方向:电力电子。徐正喜,男,博士,研究方向:电力电子。

TM464

10.3969/j.issn.1672-9730.2015.09.046