混合动力汽车直流变换系统的EMI分析

2017-05-18北方民族大学电气信息工程学院杨东东

电子世界 2017年9期

关键词：差模共模等效电路

北方民族大学电气信息工程学院杨东东

混合动力汽车直流变换系统的EMI分析

北方民族大学电气信息工程学院杨东东

混合动力汽车直流变换系统中电磁干扰问题越来越突出。本文以电磁干扰的三要素为基础，从理论上进行传导电磁干扰分析。基于干扰抑制的常用方法滤波技术，进行混模EMI滤波器分析及其设计。

直流变换系统；电磁干扰；EMI滤波器

1 引言

混合动力汽车相比传统汽车增加了大功率的电力电子设备：直流变换器系统。该系统中开关器件的工作电压和频率都很高，使得开关管和整流二极管成为最主要的电磁干扰源。车载电子电气设备之间的EMI 信号既占有很宽的频率范围，又有一定的幅度，经传导和辐射会造成电磁干扰。因此，抑制电磁干扰传导成为直流变换系统稳定可靠运行的关键技术之一。

2 直流变换系统电磁干扰分析

本文基于某混合动力汽车的DC/DC变换系统进行研究。图1是该直流变换系统主电路拓扑——隔离型Buck变换电路。变压器副边采用全波整流电路提高了系统输入输出的能量转换效率，又实现了高频变压器的磁复位。为了更好的实现变压器磁复位，在原边侧增加了由稳压管DZ1和二极管VD1构成的支路。

图1 主电路拓扑

（1）开关管电磁干扰分析

当开关管导通的瞬间，变压器原边绕组会产生很大的浪涌电流，并且在绕组两端形成浪涌尖峰电压；当开关管断开的瞬间，由于变压器原边绕组有漏磁通，使一部分没能传输到二次侧的能量储存在漏感中。储能漏感、串联谐振电感与开关管并联的电容形成谐振，产生带有尖峰的衰减振荡，与关断电压相叠加形成电压尖峰脉冲。如果尖峰电压过高，就会击穿损坏开关管。

（2）功率二极管电磁干扰分析

当整流二极管正向导通时，在P区和N区分别由电子和空穴载流子导电，形成正向电流；当整流二极管突然加上反向电压时，在反向电场的作用下PN结内储存电荷复合，形成反向恢复电流，尽管反向电流很小，但是转变时间短，产生很大的di/dt，在副边整流电路中形成高频衰减振荡，产生电压尖峰脉冲。它会对外界形成差模干扰，甚至导致整流二极管被反向击穿，损坏器件。此外，由副边绕组、整流二极管和电路输出滤波电容构成高频开关回路，同样对系统形成电磁辐射干扰。

3 EMI滤波器设计

EMI滤波器设计的基本原则是阻抗失配原则，即EMI滤波器的输入阻抗应远大于或远小于干扰源的输出阻抗；EMI滤波器的输出阻抗应远大于或远小于LISN的输入阻抗。

EMI滤波器的基本原理是用并联电容为干扰电流提供旁路，用串联电感阻止干扰电流。在电力电子应用中，共模和差模滤波器通常是结合在一起如图2所示。该滤波器中差模电容CX和差模电感LDM一起构成差模滤波器，其等效电路如图3所示。抑制共模干扰常用共模滤波器，由两个共模电容CY和共模电感LCM一起构成共模滤波器，其等效电路如图4所示。

图2 混模EMI滤波器的结构图

图3 差模等效电路

图4 共模等效电路

两个共模电容为两条共模干扰路径上的共模干扰电流提供旁路，共模电感和LISN构成一个分压器，共模阻抗非常大，因此LISN上的共模干扰被大大的衰减了。差模电感通常用共模扼流圈的漏感部分代替。共模扼流圈的耦合电感就是共模滤波器的共模电感。两个共模电容串联形成差模干扰的通路，电容值为1/2CY。在共模扼流圈中，差模干扰电流产生的磁通是相互抵消的。因此，差模等效电路中的共模电感相当于短路。