隔離式DC／DC變換器的電磁兼容設(shè)計(jì)分析（一）

  隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，開關(guān)電源模塊以其相對(duì)體積小、效率高、工作可靠等優(yōu)點(diǎn)而逐漸取代傳統(tǒng)整流電源。但是，由于開關(guān)電源工作頻率高，內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生很高的電流、電壓變化率（即高dv／dt和di／df），導(dǎo)致開關(guān)電源模塊產(chǎn)生較強(qiáng)的電磁干擾，并通過(guò)傳導(dǎo)、輻射和串?dāng)_等耦合途徑影響自身電路及其它電子系統(tǒng)的正常工作，當(dāng)然其本身也會(huì)受到其它電子設(shè)備電磁干擾的影響，電磁干擾將造成傳輸信號(hào)畸變，影響電子設(shè)備的止常工作。對(duì)于雷電、靜電放電等高能量的電磁下擾，嚴(yán)重時(shí)會(huì)損壞電子設(shè)備。而對(duì)于某些電子設(shè)備，電磁輻射會(huì)引起重要信息的泄漏，嚴(yán)重時(shí)會(huì)威脅國(guó)家信息**。這就是我們所討論的電磁兼容性問(wèn)題。另外，國(guó)家開始對(duì)部分電子產(chǎn)品強(qiáng)制實(shí)行3C認(rèn)證，因此，一個(gè)電子設(shè)備能否滿足電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)，將關(guān)系到這一產(chǎn)品能否在市場(chǎng)上銷售，所以，進(jìn)行開關(guān)電源的電磁兼容性研究顯得非常重要。

1 內(nèi)部噪聲干擾源分析

l.l 二極管廈向恢復(fù)引起的噪聲干擾

在開關(guān)電源中常使用工頻整流二極管、高頻整流二極管、續(xù)流二極管等，由于這些二極管都工作在開關(guān)狀態(tài)，如圖l所示，在二極管由阻斷狀態(tài)到導(dǎo)通的轉(zhuǎn)換過(guò)程中，將產(chǎn)生一個(gè)很高的電壓尖峰UFP;在二極管由導(dǎo)通狀態(tài)到阻斷的轉(zhuǎn)換過(guò)程中，存在一個(gè)反向恢復(fù)時(shí)間trr在反向恢復(fù)過(guò)程中，由于二極管封裝電感及引線電感的存在，將產(chǎn)生一個(gè)反向電壓尖峰URP由于少子的存儲(chǔ)與復(fù)合效應(yīng)，會(huì)產(chǎn)生瞬變的反向恢復(fù)電流尖峰IRP，這種快速的電流、電壓突變是電磁干擾產(chǎn)生的根源。

1.2 開關(guān)管開關(guān)時(shí)產(chǎn)生的電磁干擾

在正激式、推挽式、橋式變換器中，流過(guò)開關(guān)管的電流波形在阻性負(fù)載時(shí)近似矩形波，含有豐富的高頻成分，這些高頻諧波會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的電磁干擾。在反激變換器中，流過(guò)開關(guān)管的電流波形在阻性負(fù)載時(shí)近似三角波，高次諧波成分相對(duì)較少。開關(guān)管在開通時(shí)，由于開通時(shí)間很短以及逆變回路中引線電感的存在，將產(chǎn)生很大的dv／dt和很高的尖峰電壓，在開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，由于關(guān)斷時(shí)間很短，將產(chǎn)生很大的di／dt和很高的電流尖峰，這些電流、電壓突變將產(chǎn)生很強(qiáng)的電磁干擾。

1.3 電感、變壓器等磁性元件引起的電磁干擾

在開關(guān)電源中存在輸入濾波電感、功率變壓器、隔離變壓器、輸出濾波電感等磁性元件，隔離變壓器初次級(jí)之間存在寄生電容，高頻干擾信號(hào)通過(guò)寄生電容耦合到次級(jí)；功率變壓器由于繞制工藝等原因，原、次級(jí)耦合不理想而存在漏感，漏感將產(chǎn)生電磁輻射干擾，另外，功率變壓器線圈繞組流過(guò)高頻脈沖電流，在周圍形成高頻電磁場(chǎng)；電感線圈中流過(guò)脈動(dòng)電流會(huì)產(chǎn)生電磁場(chǎng)輻射，而且在負(fù)載突切時(shí)，會(huì)形成電壓尖峰，同時(shí)，當(dāng)它工作在飽和狀態(tài)時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生電流突變，這些都會(huì)引起電磁干擾。

1.4 控制電路引起的電磁干擾

控制電路中周期性的高頻脈沖信號(hào)，如振蕩器產(chǎn)生的高頻脈沖信號(hào)等將產(chǎn)生高頻高次諧波，對(duì)周圍電路產(chǎn)生電磁干擾。

1.5 其他電磁干擾

電路中還會(huì)有地環(huán)路干擾、公共阻抗耦合干擾，以及控制電源噪聲干擾等。另外，不合理的布線將使電磁干擾通過(guò)線線之間的耦合電容和分布互感串?dāng)_或輻射到鄰近導(dǎo)線上，從而影響其它電路的正常工作。還有熱輻射產(chǎn)生的電磁干擾，熱輻射是以電磁波的形式進(jìn)行熱交換，這種電磁干擾會(huì)影響其它電子元器件或電路的正常穩(wěn)定工作。

2、外界的電磁干擾

對(duì)于某一電子設(shè)備，外界對(duì)其產(chǎn)生影響的電磁干擾包括電網(wǎng)中的諧波干擾、雷電、太陽(yáng)噪聲、靜電放電以及周圍的高頻發(fā)射設(shè)備。

      3、開關(guān)電源的電磁兼容設(shè)計(jì)

進(jìn)行開關(guān)電源的電磁兼容性設(shè)汁時(shí)，首先要明確系統(tǒng)需要滿足的電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)；確定系統(tǒng)內(nèi)的關(guān)鍵電路，包括強(qiáng)干擾源電路、高度敏感電路；明確電源設(shè)備工作環(huán)境中的電磁于擾源及敏感設(shè)備；然后確定對(duì)電源設(shè)備所要采取的電磁兼容性措施。因此，開關(guān)電源的電磁兼容設(shè)計(jì)主要從以下3個(gè)方面入手：

1）減小干擾源的電磁干擾能量；

2）切斷干擾傳播途徑；

3）提高受擾設(shè)備的抗干擾能力。

下面以隔離式DC／DC變換器為例，討論開關(guān)電源的電磁兼容性設(shè)計(jì)。

3.1 DC／DC變換器輸入電路的電磁兼容設(shè)計(jì)

如圖2所示，F(xiàn)V1為瞬態(tài)電壓抑制二極管RV1為壓敏電阻，都具有很強(qiáng)的瞬變浪涌吸收能力，能很好地保護(hù)后級(jí)元器件或電路免遭浪涌電壓的破壞。Z1為直流EMI濾波器，必須良好接地接地線要短，*好直接安裝在金屬外殼上，還要保證其輸入、輸出線之間的屏蔽隔離，才能有效地切斷傳導(dǎo)干擾沿輸入線的傳播和輻射干擾沿空間的傳播。L1及C1組成低通濾波電路，當(dāng)L1電感值鞍大時(shí)，還須增加如圖2所示的D1和R1，形成續(xù)流回路，吸收L1斷開時(shí)釋放的電場(chǎng)能量，否則，L1產(chǎn)生的電壓尖峰就會(huì)形成電磁干擾，電感L1所使用的磁芯*好為閉合磁芯，帶氣隙的開環(huán)磁芯的漏磁場(chǎng)會(huì)形成電磁干擾，C1的容量較大為好，這樣可以減小輸入線上的紋波電壓，從而減小在輸入導(dǎo)線周圍形成的電磁場(chǎng)。

3.2 高頻逆變電路的電磁兼容設(shè)計(jì)

如圖3所示，C2、C3、V2、V3組成的半橋逆變電路，V2、V3為lGBT或M0SFET等開關(guān)器件，在V2、V3開通和關(guān)斷時(shí)，由于開關(guān)時(shí)間很短以及引線電感、變壓器漏感的存在，回路會(huì)產(chǎn)生較高的di／dt、dv／dt，從而形成電磁干擾，為此，在變壓器原邊兩端增加R4、C4構(gòu)成的吸收回路，或在V2、V3兩端分別并聯(lián)電容器C5、C6，并縮短引線，減小a—b、c—d、g—h、e—f的引線電感。在設(shè)計(jì)中，G4C5、C6。一般采用低感電容，電容器容量的大小取決于引線電感量、同路中電流值以及允許的過(guò)沖電壓值的大小，由LI2／2=C△V2／2求得C的大?。↙為回路電感，I為回路電流，△V為過(guò)沖電壓值）。

為減小△V，就必須減小回路引線電感值，為此，在設(shè)計(jì)時(shí)常使用一種叫“多層低感復(fù)合母排”的裝置，由我集團(tuán)公司申請(qǐng)磚利的該種母排裝置能將回路電感降低到足夠小，達(dá)lOnH級(jí)，從而達(dá)到減小高頻逆變回路電磁干擾的目的。

在大電流或高電壓下的快速開關(guān)動(dòng)作是產(chǎn)生電磁噪聲的根本，因此，盡可能選用產(chǎn)生電磁噪聲小的電路拓?fù)?，如在同等條件下雙管正激拓?fù)浔葐喂苷ね負(fù)洚a(chǎn)生電磁噪聲要小，全橋電路比半橋電路產(chǎn)生電磁噪聲要小。另外，使用ZCS或ZVS軟開關(guān)變換技術(shù)能有效降低高頻逆變回路的電磁干擾。

圖4所示為增加緩沖電路后開關(guān)管上的電流、電壓波形與沒(méi)有緩沖回路時(shí)的波形比較，可見增加緩沖電路后電流電壓變化率降低很多。

由于變壓器是一個(gè)發(fā)熱元件，較差的散熱條件必然導(dǎo)致變壓器溫度升高，從而形成熱輻射，因此，變壓器必須有很好的散熱條件。

通常將高頻變壓器封裝在一個(gè)鋁殼盒內(nèi)，并灌注電子硅膠，鋁盒還可安裝在鋁散熱器上，這樣變壓器即可形成較好的電磁屏蔽，還可保證有較好的散熱效果．減小串磁輻射。

      3.4 輸出整流電路的電磁兼容設(shè)計(jì)

圖6所示為半波整流電路，D6為整流二極管，D7為續(xù)流二極管，由于D6、D7，工作于高頻開關(guān)狀態(tài)，因此，輸出整流電路的電磁干擾源主要是D6和D7．把R5、G12和R6、C13分別連接成D6、D7，的吸收電路，用于吸收其開關(guān)時(shí)產(chǎn)生的電壓尖峰。

減少整流二極管的數(shù)量可減小電磁干擾的能量，因此，在同等條件下，采用半波整流比采用全波整流和全橋整流產(chǎn)生的電磁干擾要小。

為減小二極管的電磁干擾，必須選用具有軟恢復(fù)特性的、反向恢復(fù)電流小的、反向恢復(fù)時(shí)間短的二極管。從理論上講，肖特基勢(shì)壘二極管（SBD）是多數(shù)載流子導(dǎo)流，不存在少子的存儲(chǔ)與復(fù)合效應(yīng)，因而也就不會(huì)有反向電壓尖峰干擾，但實(shí)際上對(duì)于具有較高反向工作電壓的肖特基二極管，隨著電子勢(shì)壘厚度的增加，反向恢復(fù)電流會(huì)增大，也會(huì)產(chǎn)生電磁噪聲。因此，在輸出電壓較低的情況下選用肖特基二極管產(chǎn)生的電磁干擾會(huì)比選用其它二極管要小。

3.5 輸出直流濾波電路的電磁兼容設(shè)計(jì)

輸出直流濾波電路主要用于切斷電磁傳導(dǎo)干擾沿導(dǎo)線向輸出負(fù)載端傳播，減小電磁干擾在導(dǎo)線周圍的電磁輻射。

如圖7所示，L2、C7、C18組成的LC濾波電路，能減小輸出電流、電壓紋波的大小，從而減小通過(guò)輻射傳播的電磁干擾。濾波電容C17、C18應(yīng)盡量采用多個(gè)電容并聯(lián)，以減小等效串聯(lián)電阻，從而減小紋波電壓。輸出電感L2應(yīng)盡量大，以減小輸出紋波電流的大小，另外，電感L2*好使用不開氣隙的閉環(huán)磁芯，*好不是飽和電感。在設(shè)計(jì)時(shí)要記住，導(dǎo)線上有電流、電壓的變化，在導(dǎo)線周圍就有變化的電磁場(chǎng)，電磁場(chǎng)就會(huì)沿空間傳播形成電磁輻射。

C19用于濾除導(dǎo)線上的共模干擾，盡量選用低感電容，且接線要短。C20、C21、C22、C23用于濾除輸出線上的差模干擾，宜選用低感的三端電容，且接地線要短，接地可靠。

Z3為直流EMI濾波器，根據(jù)情況決定使用或不使用，是采用單級(jí)還是多級(jí)，但要求Z3直接安裝在金屬機(jī)箱上，并且濾波器輸入、輸出線*好能屏蔽隔離。

3.6 接觸器、繼電器、風(fēng)機(jī)的電磁兼容設(shè)計(jì)

繼電器、接觸器、風(fēng)機(jī)等在失電后，其線圈將產(chǎn)生較大的電壓尖峰，從而產(chǎn)生電磁干擾，為此，在直流線圈兩端反并聯(lián)一個(gè)二極管或RC吸收電路，在交流線圈兩端并聯(lián)一個(gè)壓敏電阻用于吸收線圈失電后產(chǎn)生的電壓尖峰。如果接觸器線圈電源與輔助電源的輸人電源為同一個(gè)電源時(shí)，之間*好通過(guò)一個(gè)EMI濾波器。繼電器觸頭動(dòng)作時(shí)也將產(chǎn)生電磁干擾，因此，也要在觸頭兩端增加RC吸收電路。