基于saber的开关电源EMI仿真分析

2018-01-23

制造业自动化 2017年12期

（天津理工大学电气电子工程学院天津市复杂系统控制理论及应用重点实验室，天津 300384）

0 引言

开关电源作为电子设备的供电装置，具有体积小、重量轻、效率高等优点，然而由于其工作在高频开关状态，属于强电磁干扰源，其产生的电磁干扰会严重影响电子设备的正常工作。因此仿真分析和抑制开关电源EMI干扰，对设计开关电源和保证电子设备安全可靠工作有重要意义。

本文应用saber软件对非隔离式buck型DC/DC变换电路进行研究，分析了该电路EMI干扰源，提出EMI干扰抑制方法。并在saber软件中对系统共模和差模干扰仿真进行测试，验证了本文提出的EMI抑制方法的有效性。

1 DC/DC变换器工作原理

非隔离buck型DC/DC变换器电路如图1所示，是一种对电压进行降压变换的直流斩波电路。其中Vi、Vo表示输入输出电压，S为IGBT功率开关管，Q为续流二极管，L、C表示滤波电感电容，R为输出电阻。

图1 DC/DC变换器

DC/DC变换器工作原理：驱动信号使S导通时，续流二极管Q反偏截止，如图2所示，此时电源为负载提供能量，电感电流线性增加，其储存的磁场能量增加，电容C开始充电；当S截止时，如图3所示，由于电感电流不能突变，感应电动势阻止电流减小，同时使续流二极管Q导通，电感储能通过Q传给负载，当负载电压低于电容两端电压时，电容向负载放电。

图2 S导通，Q截止

图3 S截止，Q导通

对于buck变换器，根据电感的福特-秒平衡关系，可以得到CCM的直流电压增益为：

占空比D为IGBT开关管S的导通时间与开关周期之比。由于D的值介于0和1之间，故该电路可实现降压功能。

2 DC/DC变换器电磁干扰源分析

在saber中建立buck变换器仿真电路图如图5所示。该电路输入36V电压，输出电阻设置为5欧，采用脉冲宽度调制矩形脉冲电压源驱动IGBT开关管的开断，脉冲电压源参数设置如图4所示，脉冲的频率取决于脉冲电压源的周期，这里取周期为1ms，即开关频率为1kHz。

图4 saber仿真图

测得输出电压波形如图5所示。可看出该电路可实现稳定的降压，降压后输出直流电压为16V。

图5 输出电压波形图

2.1 功率开关管的电压、电流尖峰干扰

当开关管S导通时，开关管流过电流is，由于电路存在漏感，在开关管断开瞬间，电路将在漏感上产生一个极大的感应电压Up以阻碍电流的突变，该电压以浪涌电压的形式加在S上，产生电压尖峰，S关断等效图如图6所示。

图6 S关断等效图

当开关管在很高的电压下开通时，储存在开关器件电容中的能量将以电流的形式全部耗散在该器件中，频率越高，开通电流尖峰越大。saber仿真电路中测得IGBT漏的电压尖峰如图7所示。

图7 IGBT电压尖峰

2.2 功率二极管引起的干扰

功率二极管从导通变为截止时，由于关断的时间很短，容易产生反向电流的浪涌。由于反向恢复电流降到0的速度很快，故di/dt很大，该电流将在环路中向周围空间辐射高频电磁波，干扰敏感原件。测得二极管上的电流尖峰波形图如图8所示。

图8 二极管电流尖峰波形

3 EMI测量

该DC/DC变换器中的干扰主要通过传导的方式耦合，选用LISN（Line Impedance Stabilization Network）进行传导测试。LISN即线路阻抗稳定网络，是EMC测试的重要辅助设备。LISN将电源与受试设备DUT进行隔离，并提供稳定的线路阻抗。常规的150kHz-100MHz测试频段的DC_LISN拓扑结构图如图9所示。其中L1=5uH，C1=0.2F，C2=0.1uF，R1=1Ω，R2=1kΩ，R3为接收机内阻抗，R3=50Ω。

图9 LISN结构图

LISN测量原理图如图10所示。其中IL、IN分别为相线和中线的干扰电流，ICM、IDM分别为共模和差模电流。共模干扰通过L线、N线、地形成干扰回路，差模干扰通过L线、N线形成干扰回路。

图10 LISN测量原理图

由图10可以得到共模和差模干扰电流：

推导得到回路差模和共模干扰电压为：

在saber电路模型直流电源输入端加入LISN阻抗网络，EMI测量图如图11所示。根据上述分析，应用saber软件中Cosmos Scope的波形计算器计算系统共模和差模干扰电压，测得回路共模和差模EMI干扰频谱图如图12所示。

图11 EMI测量图

图12 共模及差模测试结果

该频谱图显示了回路在10kHz到10MHz频段内的共模和差模干扰，由图可看出在该频段内的系统共模干扰明显大于差模干扰。

4 EMI抑制和仿真

针对电路中较强的EMI干扰，本文采用在电源输入端加入EMI滤波器的方法抑制传导EMI干扰。

典型的EMI滤波器结构如图13所示。C1、C2是差模电容，CY1、CY2是共模电容，L1是共模扼流圈，两个绕组分别接在零线和火线上。对于共模干扰电流，两个线圈产生的磁场是同方向的，会呈现较大电感，起到衰减共模干扰信号的作用。共模扼流圈通常采用导磁率高、频率特性好的铁氧体磁性材料。

L2、L3是差模扼流圈，是一个绕组单独接在零线和火线上的滤波电感器，可抑制回路的差模干扰。

图13 EMI滤波器结构

取差模电容C1为0.47uF，C2为0.1uF，Y电容容量一般不大于0.1uF，总容值一般都不超过4700pF，该系统选用的CY1、CY2均为2200pF。考虑到阻抗和频率，共模扼流圈一般取1.5～5mH，这里取为2mH，差模扼流圈一般取10～50uH，这里取为10uH。

将上述EMI滤波器接入DC/DC变换器的电源输入端，重新测试系统共模和差模干扰信号，结果如图14和图15所示。其中CM和DM分别是加入滤波器之前的共模和差摸干扰；CM1和DM1为加入滤波器后测得的共模和差模干扰，由测试图可看出加入EMI滤波器之后，系统共模和差模电磁干扰均有明显的降低。说明该EMI滤波器有效降低了系统EMI干扰。