DC/DC全橋變換器共模噪聲及其抑制方法研究*

楊文鐵 耿 攀 張 平 徐正喜

(武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所 武漢 430064)

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DC/DC全橋變換器共模噪聲及其抑制方法研究*

楊文鐵 耿 攀 張 平 徐正喜

(武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所 武漢 430064)

共模噪聲對(duì)DC/DC全橋變換電路本身以及電網(wǎng)中的其他設(shè)備正常工作都會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的影響,論文分析了共模噪聲產(chǎn)生的原因,電路參數(shù)對(duì)共模噪聲的影響,并給出了抑制措施。

全橋電路; 共模電流; 電磁噪聲抑制

Class Number TM464

1 引言

開關(guān)電源由于其開關(guān)器件工作在較高的頻率,隨之會(huì)帶來較大的dv/dt、di/dt干擾脈沖信號(hào),對(duì)電源自身的可靠工作產(chǎn)生影響,也會(huì)對(duì)其輸入端供電電源、輸出端負(fù)載產(chǎn)生很強(qiáng)的電磁干擾。電磁干擾根據(jù)其產(chǎn)生的原因一般分為兩類:差模干擾與共模干擾。DC/DC全橋電路輸入、輸出端均設(shè)有LC濾波電路,對(duì)于主要由電路的脈動(dòng)電流引起的差模噪聲,有較好的抑制作用;而共模噪聲的影響因素較為復(fù)雜,與開關(guān)頻率、電路雜散參數(shù)等均有關(guān)系,并且相比于差模電流,共模電流所經(jīng)過的回路更多,對(duì)電路的影響更大,是高頻EMI產(chǎn)生的主要原因[1～2]。

2 共模噪聲產(chǎn)生機(jī)理

開關(guān)電源高開關(guān)頻率導(dǎo)致電路中產(chǎn)生較大的dv/dt,其與電路對(duì)地寄生電容相互作用而引起的高頻振蕩產(chǎn)生共模噪聲。圖1為DC/DC全橋變換電路,其中ICM為電路中共模電流的流經(jīng)回路,共模電流ICM主要為共模電壓的的dv/dt對(duì)電路寄生電容不斷進(jìn)行充放電而引起的[3～4]。

圖1 共模干擾回路示意圖

任何開關(guān)電源,采用PWM控制方式,均會(huì)產(chǎn)生共模電壓,如圖,設(shè)全橋變換電路前級(jí)逆變輸出的共模電壓VCM,等于橋臂中點(diǎn)對(duì)電源的電壓±Vdc。另一方面,電路寄生電容影響因素更為復(fù)雜,導(dǎo)線之間、變壓器初次級(jí)繞組之間以及器件與機(jī)殼之間,其中開關(guān)電源的共模電流大小主要與開關(guān)管的集電極、發(fā)射極與散熱器之間寄生電容大小有關(guān),假設(shè)逆變電路中,每個(gè)橋臂中點(diǎn)對(duì)散熱器的寄生電容值均為Cp。根據(jù)共模電流產(chǎn)生的原理可以看到,共模電流的特性由回路中的共模電壓、雜散電容和電感的共同決定,即等效于共模電壓對(duì)RLC電路供電,且共模電壓的頻率為開關(guān)頻率[5～6]。

3 全橋變換電路共模噪聲分析

DC/DC全橋變換電路由前級(jí)逆變電路與后級(jí)高頻整流電路組成,由于電路中高頻變壓器側(cè)的存在,共模電流路徑有兩條,如圖2所示:一條是原邊輸入側(cè)回路,共模電流從逆變電路開關(guān)器件所在的散熱器流向參考地,流經(jīng)直流電源的對(duì)地電容,流回逆變電路。通常情況下,直流電源的對(duì)地電容相比于開關(guān)管對(duì)地的寄生電容,要大得多,其所帶來的影響可以忽略;另一路徑是副邊輸出側(cè)回路,大多數(shù)負(fù)載也存在寄生電容,并不能與參考地完全絕緣,因而會(huì)在輸出側(cè)產(chǎn)生共模干擾電流[7]。下面以輸入側(cè)為例對(duì)共模噪聲進(jìn)行分析,輸出側(cè)類似。

圖2 共模電流形成回路

全橋逆變器輸入側(cè)的共模電流等于兩個(gè)橋臂產(chǎn)生的共模電流之和。由于每個(gè)橋臂都由同型號(hào)開關(guān)器件組成的,因此可認(rèn)為每個(gè)橋臂中點(diǎn)對(duì)地的寄生電容相等,即Cp1=Cp2=Cp。由并聯(lián)等效原理可得,全橋變換器的共模電流可以采用如圖3所示的等效電路來分析。圖中兩個(gè)電壓源V1、V2分別用開關(guān)管Q1兩端電壓、Q3兩端電壓代替。

圖3 共模電流等效電路

Lcm為散熱器與參考地的雜散等效電感;Lcab為電源到電解電容的線路等效電感與輸入濾波電感之和;Cp為橋臂中點(diǎn)對(duì)散熱器的寄生電容;Cn為從電解電容到開關(guān)管的正負(fù)極對(duì)散熱器的等效電容;Rin為線路電阻以及電壓源內(nèi)阻的等效;V1、V2為該橋臂上管的端電壓,V1=V2=E。

圖4 共模電流戴維南等效簡(jiǎn)化電路

利用戴維南等效定理可將電路簡(jiǎn)化為一個(gè)LRC串聯(lián)諧振電路,如圖4所示,其中:R=Rin;C=2Cp+Cn;E=V·Cp/(Cp+Cn);L=Lcm+Lcab。

在圖4回路中諧振電流icm(t)可表示為

(1)

當(dāng)ζ2?1時(shí),諧振電路的電流可簡(jiǎn)化為

(2)

4 共模噪聲抑制措施及試驗(yàn)驗(yàn)證

電磁噪聲的源頭是由于電路中開關(guān)器件的高頻通斷,產(chǎn)生很快的電流、電壓變化,即dv/dt和di/dt所引起,因而改善電源的開關(guān)過程可有效抑制電磁噪聲。在2kW原理樣機(jī)上進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)。圖5為改進(jìn)前滯后橋臂驅(qū)動(dòng)及端電壓波形(曲線1為驅(qū)動(dòng),2為端電壓),可以看到,死區(qū)時(shí)間過長(zhǎng)導(dǎo)致開關(guān)管未實(shí)現(xiàn)軟開關(guān),以及二極管反向恢復(fù)等引起的電壓振蕩明顯。采取如下措施:合理設(shè)計(jì)死區(qū)時(shí)間,實(shí)現(xiàn)軟開關(guān);增加嵌位二極管及RC吸收電路,抑制二極管寄生振蕩;減小變壓器漏感,合理布線,多點(diǎn)布置高頻吸收電容,減小線路雜散電感的產(chǎn)生的di/dt等,圖6為改善后的電壓波形(曲線1為驅(qū)動(dòng),2為端電壓),可以看到,以上措施對(duì)尖峰抑制效果明顯。

對(duì)于小功率開關(guān)電源,還可采取外加無源濾波抑制措施,即在電源出端外加共模電感、電容,在輸出線上套磁環(huán)抑制共模噪聲,以及設(shè)計(jì)EMI濾波器等,均可十分有效地抑制電源輸出產(chǎn)生的高次諧波電流,減少共模噪聲[10]。圖7(a)為未采取任何措施前的輸出端共模電流波形,圖7(b)為改善電源開關(guān)過程并優(yōu)化設(shè)計(jì)輸出LC濾波參數(shù)后的輸出端共模電流波形?？梢钥吹?以上措施對(duì)共模噪聲改善顯著。

圖5 改進(jìn)前電壓波形

圖6 改進(jìn)后電壓波形

圖7 共模電流波形

5 結(jié)語

本文分析DC/DC全橋變換電路共模噪聲產(chǎn)生的機(jī)理,建立了全橋變換電路中共模電流回路的等效電路,分析了共?；芈穮?shù)對(duì)共模電流的影響,給出了其定量的關(guān)系,并根據(jù)此給出了對(duì)應(yīng)的抑制措施,對(duì)共模噪聲改善效果顯著。

[1] 阮新波,嚴(yán)仰光.直流開關(guān)電源的軟開關(guān)技術(shù)[M].北京:科學(xué)出版社,2000.

[2] 周開基,趙剛.電磁兼容性原理(第一版)[M].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)出版社,2003:7.

[3] Hongfei Ma, Dianguo Xu, Xiyou Chen. A New Common-mode Sinusoidal Inverter Output Filter[C]//IEEE-PESC’02,2:858-862.

[4] Redl R, Balogh L, Edwards D. Switch transitions in the soft-switching full-bridge PWM phase-shifted dc/dc converter: analysis, and improvements[C]//Proc. INTELEC,1993:350-357.

[5] 裴雪軍,張凱,康勇等.PWM逆變器共模干擾電流的衰減和抑制[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2004,24(11):81-84.

[6] 姜艷姝,徐殿國(guó),陳希有,等.一種新穎的用于消除PWM逆變器輸出共模電壓的有源濾波器[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2002,10:34-37.

[7] Alan Keenan. Board level EMI suppression using ferrite components[C]//IEEE International Symposium on Electromagnetic Compatibility,11-16 May 2003.2. 1252-1254.

[8] 裴雪軍,康勇,熊健,等.PWM逆變器共模傳導(dǎo)電磁干擾的預(yù)測(cè)[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2004,24(8):83-88.

[9] M. Nave. Prediction of conducted emissions in switched mode power supplies[C]//IEEE Symposium on EMC,1986:167-173.

[10] R. Zhang, X. Wu, T. Wang. Analysis of common mode EMI for three-phase voltage source converters[C]//IEEE PESC,2003:1510-1515.

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

楊文鐵,男,碩士,研究方向:電力電子。耿攀,男,碩士,研究方向:電力電子。張平,男,碩士,研究方向:電力電子。徐正喜,男,博士,研究方向:電力電子。

TM464

10.3969/j.issn.1672-9730.2015.09.046