一种适用于全桥LLC 变换器的共模噪声抑制方法

刘 颜，张方华

（南京航空航天大学自动化学院，南京211106）

为满足传导噪声标准， 电磁干扰EMI（electro magnetic interference）滤波器被广泛应用于开关功率变换器，而通常EMI 滤波器的体积占功率变换器的1/4 以上。研究变换器的共模CM（common mode）噪声模型，并提出合适的共模噪声抑制方法，能够有效减小功率变换器的原始噪声， 从而减小EMI滤波器的体积和重量，提高变换器的功率密度[1-4]。

现有文献对变换器共模噪声的抑制方法展开了广泛研究[5-7]。文献[8]通过变压器屏蔽绕组技术有效抑制了半桥LLC 变换器的共模噪声，但变压器屏蔽绕组会带来额外的涡流损耗且增加了电路成本；文献[9]建立了移相全桥变换器的共模噪声模型，并通过无源抵消电路抑制变换器的共模噪声，但该方法比较复杂，应用困难；文献[10]提出了变压器的两电容集总电容模型，并应用于反激变换器的共模噪声分析，简化了变换器的共模噪声模型建立过程。

本文在文献[10]的基础上将两电容模型应用于全桥LLC 变换器， 建立了全桥LLC 变换器的共模噪声模型，分析了变换器的共模噪声源和共模噪声耦合路径，提出了一种共模噪声抵消方法，有效抑制了全桥LLC 变换器的共模噪声。 最后，通过实验验证了模型的准确性和方法的有效性。

1 全桥LLC 变换器共模噪声模型

1.1 共模噪声分析方法

共模噪声分析方法主要包括时域法和频域法[11]。其中，时域法需要对变换器的关键寄生参数进行提取，以模拟变换器的真实工作状态，通过提取到的寄生参数搭建仿真电路模型，最终对仿真结果进行傅里叶分析得到噪声频谱。时域法能够比较准确地预测噪声频谱，但是寄生参数提取复杂，仿真结果受仿真步长限制且存在收敛问题。频域法通过分析变换器的共模噪声源和共模噪声传播路径，建立共模噪声等效模型。 其核心是替代理论，即使用等效电压源或电流源替代开关器件。等效电压源和电流源的波形与原始电路保持一致以保证变换器工作状态不变。 变换器可能存在多种电压源、电流源替代方案，此时需要选取合适的替代方法以简化共模噪声的分析。使用替代理论时需要避免电压源环路和电流源节点。 频域法能够直观反映共模噪声源、共模噪声传播路径与共模噪声频谱之间的关系，但它的建模过程比较复杂。

本文采用的共模噪声分析方法是频域法。

1.2 共模噪声源和共模噪声传播路径

在直流输入场合， 隔离功率变换器主要包括原边电路、变压器和副边整流滤波电路。隔离功率变换器的传导噪声测试框图如图1 所示。图中：线性阻抗稳定网络LISN（line impedance stabilization network）提供稳定的50 Ω 阻抗用于测试传导噪声，同时给待测设备EUT（equipment under testing）提供一个干净的供电电源；噪声分离器用于分离出差共模噪声；E-MI 接收机根据相关测试标准扫描出10 kHz～10 MHz 范围内的传导噪声频谱；SG、PE 分别代表副边地和保护地，测试时变换器散热器接保护地。

图1 传导噪声测试框图Fig. 1 Block diagram of conducted noise measurement

图2 给出了全桥LLC 变换器共模噪声的主要传播路径。 图中：Q1～Q4组成逆变桥臂；谐振电容Cr1和Cr2、谐振电感Lr1和Lr2均大小相等，且关于变压器两侧对称分布以抵消共模噪声[9-10]；谐振电容、谐振电感和励磁电感Lm组成谐振网络。副边同步整流管SR1、SR2和输出电容Cf组成全波整流滤波电路。

图2 全桥LLC 变换器共模噪声传播路径Fig. 2 CM noise propagation path of full-bridge LLC converter

开关器件在高频动作时， 漏极电位迅速变化，所产生的高dv/dt 脉冲是共模噪声源。 共模噪声源通过变换器对地的寄生电容产生较大的位移电流，即共模噪声电流。 在隔离变换器中，共模噪声主要通过开关管漏极对散热器的寄生电容以及变压器原副边绕组间的寄生电容进行传播。

全桥LLC 变换器原副边共4 个具有高dv/dt 的电压跳变节点， 包括原边桥臂中点电压VA和VB、同步整流管漏极电压VSR1和VSR2。 CpA、CpB分别是桥臂中点A、B 到散热器的寄生电容，Cps是变压器原边到副边的寄生电容，Cs1、Cs2分别是SR1、SR2到散热器到寄生电容，Cs是副边地到散热器的寄生电容。 考虑到器件封装和安装工艺相同，可认为CpA=CpB，Cs1=Cs2。 由于VSR1和VSR2幅值相同、相位相反，所以这2 个噪声源产生的共模噪声相互抵消。

变换器的共模噪声传播路径在图2 中的虚线框内标出，主要包括原边桥臂中点经开关管漏极对散热器的寄生电容流入LISN， 原边桥臂中点经变压器原、副边绕组间寄生电容以及副边对散热器寄生电容流入LISN。

1.3 共模噪声模型

对全桥LLC 变换器使用替代理论得到变换器共模噪声模型。 为简化分析，在替代过程中尽量避免电压源环路和电流源节点。 将Q3、Q4、Cr1、Cr2、Lr1和Lr2替换成相应的电压源； 因输入、 输出电容较大，在传导噪声频率范围可视为短路；LISN 等效为25 Ω 阻抗；变压器采用两电容集总电容模型，使用Cae、Cbe替代变压器原、 副边绕组间寄生电容Cps，同时将变压器绕组等效为受控电压源或受控电流源；为避免电压源环路， 将Q1、Q2、SR1、SR2等效为电流源，最终得到全桥LLC 变换器的共模噪声模型，如图3 所示。

使用叠加定理对全桥LLC 变换器的共模噪声等效模型进行简化，如图4 所示。 当仅考虑电流源激励时，将电压源视为短路。 由图4（a）可以看到，电流源iQ1、iQ2被短路，受控电压源vab被短路，则副边电流源iSR1、iSR2被短路，即所有电流源都被短路，对共模噪声没有影响。 当仅考虑电压源激励时，将电流源视为开路，通过图4（b）可以看到，副边绕组电流is1、is2为0， 则原边受控电流源为0。 通过图4（b）最终得到简化后的变换器共模噪声模型，如图5 所示。

图3 全桥LLC 变换器共模噪声模型Fig. 3 CM noise model of full-bridge LLC converter

图4 全桥LLC 变换器共模噪声模型的简化Fig. 4 Simplification of CM noise model of full-bridge LLC converter

图5 简化后的全桥LLC 变换器共模噪声模型Fig. 5 CM noise model of full-bridge LLC converter after simplification

2 基于平衡电容的共模噪声抵消方法

在本文设计中， 全桥LLC 变换器开环定频控制， 原边桥臂中点电压VA、VB互补。 由于Cr1=Cr2、Lr1=Lr2，所以vCr1=vCr2、vLr1=vLr2。

通过简化后的变换器共模噪声模型可以看到，当Cae=Cbe时， 噪声源va、vb产生的共模噪声可以相互抵消。 但实际应用中， 由于绕组排布等问题，Cae不等于Cbe， 因此可以通过添加平衡电容的方法实现共模噪声的抵消。

为了得到平衡电容，需要对变压器的寄生电容参数进行提取。 以本文采用的2 电容模型为例：第1 步将变压器原边及副边绕组短路，通过阻抗分析仪测得原副边绕组的层间结构电容Co；第2 步使用信号发生器在原边绕组侧施加激励vab以模拟变压器实际工作时的电势分布；第3 步通过示波器测量变 压 器 端 点a 与e 以 及e 与b 之 间 的 电 压vae、veb。考虑示波器探头的寄生电容Cprobe，可以得到

根据式（1）和式（2）即可得到变压器的寄生电容参数，进而求得平衡电容的容值。需要注意：在定义了电势差和位移电流的参考方向后，集总电容可能存在负值。本文中定义端点电压与激励电压同相时，寄生电容为正，反之则为负。

3 实验验证

为验证全桥LLC 变换器的共模噪声模型以及上文所提共模噪声抵消方法，研制了一台输入电压270 V、 输出电压33.75 V 和功率为3 kW 的全桥LLC 变换器。 其中，fs=400 kHz，Lm=24 μH，Lr1=Lr2=300 nH，Cr1=Cr2=130 nF，变压器原副边匝比为8∶1∶1。

使用阻抗分析仪测得变压器原副边寄生电容Co为1 070 pF， 示波器探头寄生电容Cprobe为10.6 pF。在原边绕组施加频率400 kHz、 幅值4.58 V 的正弦激励，测得vae、veb的幅值和相位如表1 所示。 根据式（1）和式（2）计算得到Cae、Cbe分别为512 pF、557 pF。

表1 变压器寄生电容提取Tab. 1 Extraction of transformer’s parasitic capacitances

根据共模噪声抵消原理，在端点a 与e 之间并联一个44 pF 的平衡电容。 图6 给出了实验测得的添加平衡电容前后变换器的共模噪声，图中黑色曲线为LLC 变换器原始噪声， 灰色曲线为添加平衡电容后的变换器噪声。

由图6 可以看到： 添加平衡电容后，400 kHz频率处的共模噪声幅值由96.01 dBμV 衰减至76.47 dBμV，衰减幅值达到19.54 dBμV；其余频点的噪声均有2～10 dBμV 的衰减。 实验结果验证了共模噪声模型的准确性以及共模噪声抵消方法的有效性。

图6 添加平衡电容前后变换器共模噪声Fig. 6 CM noise of the converter before and after adding a balance capacitor

4 结语

本文通过频域分析法，运用替代理论建立了全桥LLC 变换器的共模噪声模型，并通过叠加定理对噪声模型进行简化。基于简化后的变换器共模噪声模型，提出了一种基于平衡电容的共模噪声抵消方法。实验结果验证了所建立模型的准确性以及所提方法的可行性。