基于补偿原理的正激式变换器传导共模EMI抑制

1 引言 
    随着电力电子器件的广泛应用，功率变换器的开关频率越来越高，结构越来越紧凑，使得电磁干扰(Electromagnetic Interference，EMI)问题越来越严重。EMI信号不但具有很宽的频率范围，还具有一定的幅度，经传导和辐射会污染电磁环境，对通信设备和电子产品造成干扰。所以，如何降低甚至消除开关电源中的EMI问题已经成为开关电源设计中重要的问题。抑制共模干扰的通常方法是在输入线上串接较大的磁扼流线圈，但是这样就破坏了变换器的整体外形结构。本文首先分析了开关电源共模EMI产生机理和传统 共模EMI抑制技术，在此基础上，针对 正激式变换器，介绍了基于补偿原理的共模EMI抑制方法。即采取了一种用一个补偿变压器绕组和一个补偿 电容来消除共模电磁干扰的方法，同其它的方法相比，结构更为简单且是无源结构，仅需要增加一个小的绕组和一个小 电容。 
     
2 开关电源共模EMI产生原因及传播方式 
    开关电源工作在高频情况时，由于du/dt很高，激发变压器线圈间寄生 电容Ct以及开关管与散热片间的 寄生 电容Cq产生噪声电流，从而产生了共模干扰，如图1所示。共模干扰电流从具有较高du/dt的开关管出发，流经接地散热片和地线，再由高频LISN网络（由两个50Ω电阻等效）流回输入线路。 


3 传统共模EMI抑制电路 
    传统的共模干扰抑制电路如图2所示。为了使滤波 电容Cy流入地的漏电流维持在安全范围，Cy的值都较小，相应的扼流线圈电感Lcm就变大，特别是由于Lcm要传输全部的功率，其损耗、体积和重量都会变大。应用 无源补偿技术，则可以在不影响主电路工作的情况下，较好的抑制电路的共模干扰，并可以减小Lcm的体积和重量而节省成本。 

 

4 补偿原理及其应用 
4.1 补偿原理 
    电力电子装置中，由于共模干扰是由开关管器件在高频通断时所产生的对地电流Cdu/dt。因此，用一个额外变压器绕组在补偿 电容上产生一个180°的反向电压，产生的补偿电流再与寄生 电容上的干扰电流叠加，从而消除干扰，这就是无源补偿的原理。 
     
4.2共模EMI耦合通道模型分析 

图3是正激式变换器共模EMI传输通道的原理图。LISN模块是用来测量传导发射的标准电路（由两个50Ω电阻等效），电容Cpara、Ct和Cout是用虚线表示的分布电容，其中Cpara表示变压器原边、功率开关管和散热片的对地分布电容，Ct表示原边与副边的耦合电容，Cout表示负载对地分布电容。开关管在开通与关断时产生电位跳变，变化的电位经对地耦合电容形成共模噪声电流，如图3所示。共模电流分两路流向大地，一路经散热片和开关管的对地电容Cpara，另一路流经变压器耦合电容Ct和副边对地电容Cout。 
    图4是原边共模噪声的等效电路。由于副边输出电压较低，其产生的共模噪声可以忽略。由于开关管与散热片接触面积很大而间距很小，所以两者间的分布电容高达数10nF，如果散热片直接接地，共模噪声将会沿此分布电容与LISN阻抗构成回路，造成严重的共模噪声。 
 

    当开关管寄生电容Cpara远远大于原边与副边耦合电容Ct时，寄生电容Cpara是噪声的主要传播通道，简化电路如图5所示。根据原边共模噪声电流流经途径可以看出，只要在原电路上加一个与噪声源相反的电压，通过补偿电容产生同样大小的反向电流，就可以抑制共模EMI。 
     
4.3 外加补偿电容抑制共模噪声  
    图6为加入补偿电路的正激式变换电路。该电路最突出的特点是可利用其自身的磁复位线圈作为补偿线圈，匝数与原边绕组一样，外加补偿电容，可以方便地实现补偿。补偿电容Ccomp的大小则与寄生电容Cpara一样，工作时的Nc使Ccomp产生一个与Cpara上干扰电流大小相同、方向相反的补偿电流，叠加后消除了干扰电流。补偿电流不流过全部的功率，仅传输干扰电流，补偿电路十分简单。 


    由于正激变换器有其自身的去磁绕组，这样就省去了外加补偿线圈，只需外加一个补偿电容，便可以实现共模EMI的改善和抑制。图7为加入了补偿电容的共模电流流通简化电路。 


    需要特别指出的是，无源补偿技术有一定的应用条件，它受开关电流、电压的上升和下降时间，以及变压器结构等因素的影响。尤其对于此补偿电路，应用条件有一定限制，当变压器的线间耦合电容远大于开关管寄生电容时，干扰电流不经过补偿电容而是通过变压器耦合电容直接进入大地，此时抑制效果就不是很理想。 
     
5 结语 
    本文通过分析典型开关电源共模EMI传播耦合方式、传统共模EMI抑制方法以及正激式变换器共模EMI耦合通道模型，提出了利用无源补偿原理对正激式变换器共模EMI进行抑制的方法。该方法受一定的应用条件限制，但补偿电路结构简单，实现方便，有一定的指导意义。