结合平衡和滤波技术抑制GaN电源转换器的电磁干扰

赵凯,王闯,李尊朝,赵丽娟

(西安交通大学电子与信息工程学院, 710049, 西安)



结合平衡和滤波技术抑制GaN电源转换器的电磁干扰

赵凯,王闯,李尊朝,赵丽娟

(西安交通大学电子与信息工程学院, 710049, 西安)

针对GaN Boost型电源转换器的电磁干扰降低电源可靠性的问题,提出了一种结合阻抗平衡和滤波技术抑制GaN Boost电源转换器电磁干扰的方法。由于阻抗平衡技术利于抑制低频共模电磁干扰,而滤波技术利于抑制高频共模电磁干扰,所以将两者结合以抑制GaN Boost型电源转换器的共模电磁干扰。首先用GaN高电子迁移率晶体管搭建功率级电路;然后用耦合电感替代功率级电感,并在耦合电感的输出端加上电容以平衡寄生参数的影响;最后加入共模电感以抑制高频共模电磁干扰,综合考虑抑制效果和电路面积,合理选择滤波器共模电感值。该组合方法与阻抗平衡单项技术相比,能有效地抑制高频共模电磁干扰;与滤波器单项技术相比,减小了电路面积。仿真结果表明,抑制后与抑制前的电磁干扰相比,在200 kHz～10 MHz低频范围内,电源转换器的共模电磁干扰的抑制量达到40～60 dB;在10～30 MHz高频范围内,电源转换器的共模电磁干扰的抑制量约为80 dB。

电源转换器;电磁干扰抑制;滤波器;平衡技术

在电源转换器中,开关的打开与关闭会导致电路产生电磁干扰(EMI)。随着电源转换器工作频率的不断提高,EMI问题越发严重。EMI影响输出电压的稳定性,降低电源转换器的可靠性,可能导致后级电路系统性能下降[1-2]。

随着高性能电源转换器的需求量不断地增加[3-6],GaN电源转换器越来越受到青睐[7],但其工作频率高、功率大的特点导致更加严重的EMI。到目前为止,GaN电源转换器的EMI抑制技术还未见报道,所以有必要对GaN电源转换器的EMI抑制技术开展研究。

目前关于Si电源转换器EMI的抑制技术主要有3类:一是平衡技术[8],这类技术通过平衡阻抗使得共模EMI自相消,平衡技术对电源转换器中电容和开关管的共模EMI有不错的抑制效果,但未平衡功率级电感的共模EMI,导致其对高频共模EMI抑制效果不佳;二是滤波技术[9-11],即添加EMI滤波器来抑制EMI,但抑制低频共模EMI需要百微亨级或者毫亨级共模电感和大电容,增加电路面积;三是新型控制策略,比如频展方法[12]、混沌正弦脉冲调制方法[13]等,缺点是新型控制策略往往需要额外的控制电路,这会增加电路设计的成本。

本文设计了一种考虑寄生参数的GaN Boost型电源转换器,结合平衡技术和滤波技术,综合考虑抑制效果和电路面积,合理选择滤波器电感值,抑制了共模EMI。频率在30 MHz以下的EMI称为传导EMI,而30 MHz以上的EMI称为辐射EMI。电源转换器中传导EMI的影响比辐射EMI的影响要大,所以本文提到的EMI特指传导EMI。

1 带寄生参数的GaN电源转换器

本文设计了一个将16 V电压放大到32 V电压的GaN Boost电源转换器。它的有源器件有GaN HEMT管(CGH40006P)和二极管(MBRS360T3 G);无源器件包括1 μF的输入电容Ci、100 μF的输出电容Co以及400 μH的功率级电感L1。由于元器件往往会带有寄生参数,且金属线与PCB板间存在寄生电容,所以本文的GaN Boost电源转换器电路考虑了输入电容Ci、输出电容Co、功率电感L1、GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)、二极管的寄生参数以及金属线对地寄生电容C1、C2和C3。电源转换器如图1所示。

图1 GaN Boost型电源转换器

图1中,线路阻抗稳定网络(LISN)是测试EMI的模块,按照FCC标准设置。LISN有如下作用:①提供稳定的测试阻抗;②将输入电压与GaN电源转换器隔离;③转接测试信号[14]。LISN电路结构如图2所示。对于由分立器件搭建的电源转换器电路,其金属线与PCB板的寄生电容大约为几皮法到几十皮法,所以C1、C2和C3分别设为30、40和50 pF。

图2 LISN电路

2 平衡技术原理与设计

平衡技术是一种利用惠斯通电桥结构来抑制共模噪声的方法[8]。为了实现平衡技术,首先分析电路的噪声来源。图3是GaN Boost型电源转换器的噪声等效电路。该电路将输入电容、GaN HEMT管和输出电容分别等效为噪声电压源VCin,N、VH,N和VCo,N,将二极管等效为噪声电流源ID,N,用Z1和Z2表征LISN的等效阻抗。

图3 GaN Boost型电源转换器的噪声等效电路

图3包含3个噪声电压源VCin,N、VH,N和VCo,N以及1个噪声电流源ID,N。运用叠加定理讨论各个噪声源对系统噪声的贡献。噪声电流源ID,N被噪声电压源VH,N和VCo,N短路,在系统噪声中可不考虑。

为了实现平衡技术,将电感L1拆分成L2与L3两个电感。因为使用耦合电感能够减小电感寄生效应的影响[8],所以L2和L3使用耦合电感。拆分电感后的噪声等效电路如图4所示。

图4 拆分电感后的噪声等效电路

图4中,等效并联电容CEP,2、等效并联电阻REP,2和等效串联电阻RES,2是电感L2的寄生参数,等效并联电容CEP,3、等效并联电阻REP,3和等效串联电阻RES,3是电感L3的寄生参数。

为了保证大信号特性不变,L2和L3满足

L2+L3=L1

(1)

由于测试电路LISN是对称式结构,所以

Z1=Z2

(2)

图4中存在2个惠斯通电桥。第1个是以VCin,N为中心的惠斯通电桥,为了达到平衡状态,电感L2和L3满足

(3)

第2个是以VH,N为中心的惠斯通电桥。为了达到平衡状态,电感L2和L3、寄生电容C1、C2和C3满足

(4)

由式(2)～式(4)可得

(5)

对于噪声电压源VCo,N,可以通过并联具有更小寄生电阻和寄生电感的电容来抑制其共模噪声[8]。

加入平衡技术抑制电路后的GaN Boost型电源转换器电路如图5所示。

图5 平衡技术抑制共模噪声电路

图5中,电感L2和L3的值由式(1)和式(5)确定为L2=L3=200 μH,这里L2和L3的自感和互感都取为100 μH。实际应用中寄生电容C1与C2+C3的比值不可能恰好是1∶1,为了保证式(5)成立,需在C1处并联一个电容C4,此处C4的值应为60 pF。

3 滤波技术原理与设计

电源转换器的高速开关能够产生大量的高频EMI,所以有必要抑制高频共模EMI。共模电感是最简单的共模EMI滤波器,其对电源转换器的大信号没有影响,只滤除共模EMI。共模电感值可以由式(6)得到

(6)

式中:LCM代表共模电感值;ft为共模滤波器的截止频率。加了滤波器之后的GaN Boost电源电路如图6所示。

图6 结合平衡和滤波技术抑制共模EMI的GaN Boost电源电路

4 抑制效果

在ADS仿真环境下,按照图1、图5、图6分别搭建电路,对比抑制前与抑制后的共模口噪声强度,结果如图7所示。

图7a显示,在200～30 MHz的传导频率范围内,无抑制技术的共模噪声强度在80 dB·μV左右。

图7b显示采用平衡技术抑制后的共模噪声强度,在200～30 MHz的传导频率范围内,其大小为20～40 dB·μV,相比于无平衡技术的电路,抑制量(抑制前后共模噪声强度的差值)为40～60 dB。在200 kHz～10 MHz的低频范围内,只有个别频率处的共模噪声强度大于20 dB·μV;在10～30 MHz的高频范围内,共模噪声强度普遍大于20 dB·μV,且EMI幅值随频率的增加而变大。

为此,有必要采用滤波技术来抑制10 MHz以上高频范围共模噪声强度。将低通滤波器的截止频率选取为10 MHz,由式(6)计算出电感LCM的值约为0.8 μH。图7c显示采用平衡技术和0.8 μH电感滤波器后的共模噪声强度。可以看到,10～30 MHz的高频范围内的共模噪声强度得到了一定的抑制,但由于只使用了非常小的共模电感,导致抑制效果有限,使得10～30 MHz的高频范围内的共模噪声强度仍然普遍大于20 dB·μV。为了保证足够的抑制效果,可以适当增加共模电感的大小。

(a)无抑制技术

(b)平衡技术

(c)平衡技术结合0.8 μH共模电感图7 抑制前后共模噪声强度对比

从图7b可以看到,经平衡技术抑制后,在10～30 MHz的高频范围内,共模噪声强度随频率的增加而增加。为了研究不同电感值对共模噪声强度的抑制效果,图8给出了在30 MHz处,经平衡技术抑制后滤波技术的抑制量随共模电感值的变化曲线。

图8 共模电感的抑制效果

从图8可以看到,当共模电感小于13 μH时,随着电感值的增加,抑制效果显著提升;而当共模电感大于13 μH时,随着电感值的增加,抑制效果提升变缓。折中考虑EMI抑制效果和电路面积,可选取13 μH共模电感。

图9显示加入13 μH电感滤波器后的共模噪声强度,其中图9a表示采用平衡技术结合滤波器抑制的结果;作为对比,图9b给出仅采用滤波器抑制的结果。

(a)有平衡技术

(b)无平衡技术 图9 有、无平衡技术结合的13 μH共模电感抑制后的共模噪声强度

结合图9a和图7a可知,平衡技术结合13 μH共模电感对200 kHz～10 MHz低频范围共模噪声强度的抑制量为40～60 dB,对10～30 MHz高频范围的抑制量约为80 dB。

结合图9b和图7a可知,仅采用滤波器对200 kHz～10 MHz低频范围共模噪声强度几乎没有抑制效果,对10～30 MHz高频范围抑制量为10～40 dB。

本文设计的GaN Boost型电源转换器因高速开关而产生的峰值电流约为2.8 A。可以选用WURTH ELEKTRONIK生产的表面贴装型13 μH共模电感(744290130)来抑制共模噪声强度,其额定电流值为10 A,面积为14 mm×12.5 mm。

综上所述,滤波器技术与平衡技术相结合对共模噪声强度具有很好的抑制效果。

5 结 论

本文设计了一种考虑寄生参数的GaN Boost型电源转换器,研究了其共模噪声强度抑制技术。考虑到平衡技术对电感产生的高频共模噪声强度抑制效果欠佳,而小共模电感滤波器对高频共模噪声强度抑制效果良好,将两种技术组合用于电源转换器的EMI抑制。研究了抑制效果随共模电感值的变化规律,综合考虑抑制效果和电路面积,合理选择滤波器电感值。结果表明,组合技术电路面积小,并能有效抑制GaN Boost型电源转换器的共模噪声强度。

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(编辑 刘杨)

A Method for Suppressing Electromagnetic Interference of GaN Converter Utilizing Balance and Filter Technologies

ZHAO Kai,WANG Chuang,LI Zunchao,ZHAO Lijuan

(School of Electronic and Information Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China)

A hybrid method to suppress electromagnetic interference (EMI) is proposed to improve the problem that the reliability of GaN boost converters is reduced by EMI and the method combines the impedance balance and filter techniques. Since the impedance balance technique has the advantage of effectively suppressing low-frequency common-mode EMI, and the filter technique can easily suppress high-frequency common-mode EMI, both the techniques are combined to reduce the common-mode EMI of the GaN boost converter. The GaN high electron mobility transistor is used to build power circuit, then a coupled inductance is used to replace the inductance of power circuit, and a capacitance is added in the output of the coupled inductance to balance the parasitic parameters. Finally, a common-mode inductor is used to suppress the high-frequency common-mode EMI, and the filter inductance is reasonably chosen by trading off between the EMI reduction and circuit area. The hybrid method not only suppresses the high-frequency common-mode EMI more effectively than the impedance balance technique does, but also occupies less circuit area than the filter technique does. Simulation results show that the hybrid method leads to a 40-60 dB reduction of the common-mode EMI in the range of 200 kHz-10 MHz and a 80 dB reduction in the range of 10-30 MHz.

converter; electromagnetic interference reduction; filter; balance technique

2015-07-06。

赵凯(1991—),男,硕士生;李尊朝(通信作者),男,教授,博士生导师。 基金项目:国家自然科学基金资助项目(61176038);广东省公益研究与能力建设专项基金资助项目(2015A010103002)。

时间:2015-12-02

10.7652/xjtuxb201602007

TN911.7

A

0253-987X(2016)02-0038-05

网络出版地址:http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20151202.1901.006.html