反激變換器傳導干擾的建模與抑制

鄢治國，張福東，劉　杰

（1.中國東方電氣集團有限公司，四川 成都　611731；2.肇慶學院 機械與汽車工程學院，廣東 肇慶 526061）

0　引言

反激變換器是輸出與輸入隔離的最簡單的變換器，具有拓撲結構簡單、輸入輸出電氣隔離、轉換效率高、多路輸出負載自動均衡等優點，而且，由于反激變壓器有著變壓器和電感的雙重功能，反激變換器不需要輸出濾波電感，在低成本多輸入電源中，這一點對于減少變換器體積和降低成本尤為重要.由于開關器件的高頻動作，產生較高的dv/dt和di/dt,這是產生電磁干擾問題的主要因素.在設計環節，其EMC問題越早考慮和越早解決，其費用越小，效果也越好.

對電磁干擾問題，采取的措施有接地、屏蔽、PCB布局、加濾波器等[1]，其中，濾波裝置是一種常用而有效的措施.常用的濾波器設計方式有基于噪聲的濾波設計、基于插入損耗的設計、基于阻抗、電壓增益等等[2-3].本文通過分析傳導干擾的來源及特點，運用Saber軟件對開關電源中的有源器件進行建模，結合濾波器的工作頻率，基于經驗設計濾波器，無需復雜計算，在設計初期為電源設計提供了一定依據.

1　傳導干擾的來源及特點

1.1　傳導干擾的來源

反激式開關電源的基本拓撲結構如圖1所示，主要由無源器件、變壓器、MOSFET和功率二極管等組成.反激式開關電源的開關工作頻率很高，一般在幾十kHz到數MHz，由此產生了較高的dv/dt和di/dt.由于開關器件本身寄生參數的影響，其電壓波形和電流波形的頻率響應都分布在一個很寬的頻率范圍內，上升沿和下降沿都包含大量諧波，由此產生了差模干擾和共模干擾[4].二極管、功率開關器件、變壓器的寄生參數及其與大地之間的分布電容，是造成電磁干擾的主要因素.

圖1　反激式開關電源基本拓撲結構圖

1.2　傳導干擾的特點

傳導干擾分為差模干擾和共模干擾.差模干擾是指作用于信號兩極之間的干擾電壓，是電子設備內部噪音電壓產生的與信號電流或電源電流相同路徑的噪音電流.主要是電路中的di/dt回路造成的.共模電壓是信號對地的電位差，是在設備內噪音電壓的驅動下，經過大地與設備之間的寄生電容，在大地與電纜之間流動的噪音電流產生的.它主要是由電路中的dv/dt造成的.

開關電源干擾信號主要可以分為3個頻段[5]：在0.15～0.5 MHz，以差模干擾為主；0.5～5 MHz，差模干擾和共模干擾共存；5～30 MHz，以共模干擾為主.可見在開關電源噪聲中，共模噪聲所占頻段范圍更廣，是干擾噪聲的主要成分.

2　反激式開關電源的EMI仿真

2.1　器件建模

Saber仿真軟件是美國Synopsys公司的一款EDA軟件，其功能非常強大，大量的器件模型、先進的仿真技術和精確的建模工具，為客戶提供了全面的系統解決方案，在電力電子、數模混合仿真、汽車電子及機電一體化領域得到廣泛應用.本次仿真采用的就是Saber軟件.反激式開關電源易產生傳導干擾的元器件主要有功率開關管、變壓器以及電容.對這些元件建模是非常有必要的[6].

2.1.1MOSFET建模

Model Architect是Saber軟件自帶的建模工具，以此工具建立的MOSTET高頻模型，是以其制造工藝為依據，考慮到了柵漏極之間的可變電容Cgd,柵源級間的固定電容Cgsc和可變電容Cgs.級間的固定電容產生是由于柵極的絕緣氧化層以及柵源級的導電層.模型中存在可變電容是因為MOSFET中電子的往返運動與電容的充放電原理類似，將其等效成可變電容便于分析.Saber模型中還包含了MOSFET的寄生電感和電阻，具體模型如圖2所示.本次仿真設計采用的MOSFET器件為irl2910s，可以根據其數據手冊，通過數據手冊上IdvsVgs,IdvsVgs和Rds(on)vsId3條曲線的擬合，軟件可以自動分析出Crss,Coss和Ciss的值.建模完成后，可對其門極充電特性及開關特性進行仿真，驗證模型的正確性，所搭建的MOSFET充放電特性如圖3所示.

圖2　MOSFET高頻模型　

圖3　所建MOSFET模型充放電特性

2.1.2變壓器模型

采用Model Architect中的Magnetic component tool工具建立變壓器模型，這個模型可以非常細致地調節變壓器的各種參數[7].根據數據手冊的變壓器參數，設置骨架、繞線區、磁芯等給定條件，確定線徑、阻抗、導線的絕緣層，每層繞組間的絕緣層的厚度及其介電常數，還有磁芯的特性，比如B-H曲線等就可以將模型建立出來.模型將自動計算出繞組之間、層與層之間、匝與匝之間以及繞組與磁芯的寄生電容.建好的模型如圖4所示.

2.2　PCB參數提取

開關電源EMI與PCB板的好壞有直接關系.這是由于PCB板中存在著很多雜散參數，包括布線導體之間的互感、寄生電容以及導體自身的分布電阻、電感、對地電容等.將PCB在Altium designer中轉換成anf格式的文件，再經過Ansoftlinks選擇需要的網絡，生成Q3D可以打開的工程.ANSYS Q3D Extractor軟件可以根據有限元法與矩量法進行計算，最后給出PCB中各導體自身以及導體之間的寄生參數，這些參數包括C矩陣、DC RL矩陣、AC RL矩陣.圖5為在ANSYS Q3D軟件中建立的3D模型圖.

圖4　所建變壓器模型　

圖5　Q3D模型圖

2.3　仿真電路模型搭建

在Saber中搭建仿真電路模型，當設置MOSFET對地電容Cg分別為20 ρF和100 ρF時，所得MOSFET漏極電壓與其對應的母線電壓波形分別如圖6和圖7所示.

圖6　MOSFET對地電容為20 pF時,Vds與直流母線電壓Vdc的仿真曲線

圖7　MOSFET對地電容為100 pF時，Vds與直流母線電壓Vdc的仿真曲線

產生的振蕩在初級功率MOSFET關斷期間，次級功率二級管續流結束后，由變壓器初級繞組勵磁電感、變壓器初級繞組分布電容、功率MOSFET寄生電容三者諧振產生.可以得出如下結論：當其對地電容越大，MOSFET漏極電壓Vds在下降沿波動越大；在Vds波動的時候，可對應看出母線直流電壓也相應產生波動，可以看到在Vds上升沿和下降沿，直流母線噪聲毛刺幅度最大，在100 ρF的情況下尤其明顯.由此可見在布局時減小MOSFET對地電容可以改善電源傳導干擾.傳導干擾電壓頻譜如圖8和圖9所示.

圖8　MOSFET對地20 ρF時傳導干擾電壓頻譜

圖9　MOSFET對地100 ρF時電壓頻譜

可見，當開關頻率為100 kHz的整數倍時噪聲最大，當100 ρF時高頻噪聲明顯增加，這證明增大了漏極對地電容，主要影響的是共模電壓.在進行電磁兼容設計時，抑制共模電壓可以從減小MOS管對地分布電容來考慮.

3　無源濾波器設計

常見EMI濾波器的電路拓撲結構如圖10所示，其共模等效電路與差模等效電路如圖11與圖12所示[9].

圖10　常見EMI濾波器電路拓撲

圖11　共模等效電路　

圖12　差模等效電路

由圖10～12可知，共模等效電路為L型低通濾波器，衰減頻率為40 dB/dec，差模等效電路為π型低通濾波器，衰減頻率為60 dB/dec[10].共模等效電感LCM=LC+LD/2,共模等效電容CCM=2Cy;差模等效電感LDM=LDM=2LD+Lleak,差模等效電容CDM=Cx.從原理上說，濾波器的設計根據噪聲頻譜確定，但當實際設計中若無法得知應該衰減的量時，則可由計算大致獲得.開關頻率為fs,則共模濾波器的轉折頻率fCM=fs×10(Att/40),Att=-24 dB.綜上，本設計中fs=100 kHz，則fCM可取25 kHz.

y電容選取時，需注意其耐壓及漏電流限值（一般小于1 mA），按經驗一般選Cy為2 200～6 800 pF，漏電流Id=2πfCU,基于漏電流的考慮，此設計中選取3 300pF.

LD很小，計算時可以先忽略，帶入可得，LCM為3.07 mH.漏感一般為共模電感自身電感量的0.5%～2%，所以取Lleak=30μH.差模截止頻率fDM取12 kHz，由于有2個變量LD和Cx,設計者可以有多種選擇.

1）若以全部漏感當差模電感，而不另外增加，則取LDM=Lleak=30 μH,由式（2）可得，Cx1=Cx2=5.86μF.由于一般差模電容最大不超過1μF，故雖然可以并聯，但不符合實際.

2）若選Cx=0.22μF,由式（2）可得，LDM=799μH,是現實中可以取到的值，則LD=(LDM-Lleak)/2=380 μH.

3）若選Cx=0.47μF,由式（2）可得，LDM=374μH,則同理可得LD=172μH,

由己知的EMI濾波器等效共模、差模電路，我們可以通過濾波器設計仿真軟件進行仿真[11].本文采用的是Filter solutions仿真軟件，它避免了大量的參數轉換和數學計算，在電子、電力電子、通信等領域得到了廣泛應用.經過多年的發展和更新，功能越來越完善，仿真效果跟實際的濾波器特性也越來越符合.設定輸入、輸出阻抗均為50 Ω，濾波器參數如上設置，則可以得到共模、差模濾波部分等效電路仿真信號衰減幅分別如圖13和14所示.

圖13　共模部分仿真信號幅值衰減　

圖14　差模部分仿真信號幅值衰減

濾波后的傳導干擾仿真結果如圖15所示.

圖15　加濾波器后的傳導干擾頻譜

仿真結果表明，所設計的濾波器能夠使傳導干擾電壓基本在限值46 dBV左右，滿足CISPR相關標準.

4　結論

開關電源干擾的抑制是個十分復雜的問題，在設計開關電源時，應該對電源可能的電磁干擾問題進行充分估計.本文針對反激式開關電源傳導干擾的來源、特點進行了簡要介紹，在Saber中自帶的ModelArchitect建模工具對此反激電源中的高頻器件建模，并考慮了寄生參數，在Saber中進行仿真.根據仿真數據對濾波器進行設計，給出了濾波元件參數的求取途徑.通過仿真分析，得到預期結果.

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