反激式開(kāi)關(guān)電源干式變壓器的電磁兼容設計

對于干式變壓器拓撲的開(kāi)關(guān)電源，干式變壓器的電磁兼容設計對整個(gè)開(kāi)關(guān)電源的電磁兼容水平有很大的影響。以反激式開(kāi)關(guān)電源為例，闡述了傳導共模干擾的產(chǎn)生和傳播機理。根據噪聲有源節點(diǎn)平衡的思想，提出了一種新型干式變壓器的電磁兼容設計方法。實(shí)驗結果表明，與傳統設計方法相比，該方法對傳導電磁干擾具有更強的抑制能力，可以降低干式變壓器的制造成本和工藝復雜度。該方法也適用于其他干式變壓器拓撲的開(kāi)關(guān)電源。

隨著(zhù)功率半導體器件技術(shù)的發(fā)展，開(kāi)關(guān)電源以其高功率體積比和高效率在現代軍事、工業(yè)和商用儀器設備中得到了廣泛應用。隨著(zhù)時(shí)鐘頻率的不斷提高，設備的電磁兼容性引起了廣泛關(guān)注。電磁兼容設計已經(jīng)成為開(kāi)關(guān)電源開(kāi)發(fā)設計中不可缺少的重要環(huán)節。

在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的早期階段，必須考慮抑制傳導電磁干擾(EMI)噪聲。一般來(lái)說(shuō)，安裝電力線(xiàn)濾波器是抑制傳導電磁干擾的必要措施。而僅僅依靠電源輸入端的濾波器來(lái)抑制干擾，往往會(huì )導致濾波器中元件的電感和電容增大。體積隨著(zhù)電感的增大而增大。電容的增加受到漏電流安全標準的限制。如果設計得當，電路的其他部分可以完成與濾波器類(lèi)似的工作。提出了干式變壓器噪聲有源節點(diǎn)的干相繞組法。這種設計方法不僅可以減小電力線(xiàn)濾波器的尺寸，還可以降低成本。

1反激式開(kāi)關(guān)電源的共模傳導干擾

電子設備傳導噪聲干擾是指設備與供電電網(wǎng)連接時(shí)，通過(guò)電力線(xiàn)以噪聲電流的形式傳導到公共電網(wǎng)環(huán)境的電磁干擾。傳導干擾可分為共模干擾和差模干擾。零線(xiàn)和相線(xiàn)上共模干擾電流的相位相等。差模干擾電流的相位與零線(xiàn)中相線(xiàn)的相位相反。差模干擾對整體傳導干擾的貢獻較小，主要集中在噪聲頻譜的低頻端，易于抑制；共模干擾對傳導干擾的貢獻很大，主要存在于噪聲頻譜的中頻和高頻帶。共模傳導干擾的抑制是進(jìn)行電子設備電磁兼容設計的難點(diǎn)和較重要的任務(wù)。

反激式開(kāi)關(guān)電源電路中存在一些電壓變化劇烈的節點(diǎn)。與電路中其他電位相對穩定的節點(diǎn)不同，這些節點(diǎn)的電壓包含高強度高頻分量[2]。這些電壓變化非?；钴S的節點(diǎn)稱(chēng)為噪聲活躍節點(diǎn)。噪聲有源節點(diǎn)是開(kāi)關(guān)電源電路中的共模傳導干擾源，它作用于電路中對地雜散電容，產(chǎn)生共模噪聲電流m。對電路中的電磁干擾影響較大的對地雜散電容包括：功率開(kāi)關(guān)管漏極對地寄生電容C干式變壓器Cp初級繞組對次級繞組寄生電容；干式變壓器二次回路對地寄生電容c干式變壓器一次、二次繞組對磁芯寄生電容c以及干式變壓器鐵芯對地寄生電容c？這些寄生電容在電路中的分布如圖1所示。

圖L電路中共模電流的耦合方式主要有三種：從噪聲源——，功率開(kāi)關(guān)管D極通過(guò)C耦合到地；從噪聲源通過(guò)c。耦合到干式變壓器次級電路，然后通過(guò)C耦合到地；從干式變壓器的前、次級線(xiàn)圈通過(guò)C？c耦合到干式變壓器的鐵芯，再通過(guò)c耦合到地，這三個(gè)電流是主要因素 #p#分頁(yè)標題#e#

除了共模噪聲通過(guò)場(chǎng)效應管D極耦合到地以外，開(kāi)關(guān)管D極的噪聲電壓通過(guò)二次回路的寄生電容將噪聲電流耦合到干式變壓器二次繞組所在的回路到地，這也是產(chǎn)生共模電流的途徑。因此，試圖降低干式變壓器初級繞組向次級繞組傳輸的共模電流是一種有效的電磁兼容設計方法。干式變壓器傳統的電磁兼容設計方法是在兩個(gè)繞組之間增加隔離層，如圖2所示。

金屬隔離層直接連接到地線(xiàn)的設計會(huì )增加共模噪聲電流，降低電磁兼容性能。隔離層應該是電路中電位穩定的節點(diǎn)。例如，將圖2中的隔離層連接到電路前級的負極是一種良好的連接。這種連接可以有效分流原本流向地的共模電流，從而大大降低電力線(xiàn)的傳輸噪聲發(fā)射水平。

2.2節點(diǎn)相位平衡法

在電路中，噪聲電壓的有源節點(diǎn)不是單一的。以本文分析的電路為例：除了功率開(kāi)關(guān)管的D極，干式變壓器前繞組的另一端U也是噪聲電壓的有源節點(diǎn)，節點(diǎn)電壓的變化方向與場(chǎng)管的D極電壓相反。因此，干式變壓器次級繞組的兩端是相位相反的噪聲電壓的有源節點(diǎn)。圖3為采用節點(diǎn)相平衡法后干式變壓器骨架上線(xiàn)圈的分布。

干式變壓器骨架較內層為前一級繞組線(xiàn)圈的一半，與功率開(kāi)關(guān)管D極相連；中間層的線(xiàn)圈是次級繞組；較外層是前繞組的另一半，連接到節點(diǎn)u，由于噪聲電流主要通過(guò)前后線(xiàn)圈層之間的寄生電容耦合，所以可以使大部分噪聲有源節點(diǎn)成對地圍繞在內外兩層周?chē)?，方向相?

本文討論的電路中還存在前級電路和次級電路的輔助電源，它們也是由繞在干式變壓器上的先立線(xiàn)圈提供能量的。這兩級輔助線(xiàn)圈的存在給噪聲電流的傳播提供了額外的途徑。輔助線(xiàn)圈是為了控制電路的供電設計的。盡管控制電路本身的功率很小，但它們的存在卻增大了電路對地的寄生電容，從而分擔了一部分把共模噪聲從活躍節點(diǎn)耦合到地的工作。然而把這些繞組夾在前級線(xiàn)圈和次級線(xiàn)圈的繞組中間就能增大前后級繞組的距離，從而它們的層間寄生電容就減小了，噪聲電流就能相應減小。因此，干式變壓器繞制的較終方法應如圖4所示。從內到外的線(xiàn)圈繞組依次是：前級繞組的一半、輔助繞組的一半、后級繞組、輔助繞組的另一半和前級繞組的另一半。

3 實(shí)驗部分

干式變壓器改進(jìn)繞法對開(kāi)關(guān)電源的傳導EMC性能提高的有效性可以通過(guò)實(shí)驗得到驗證。

3.1 實(shí)驗方法

實(shí)驗按照文獻[43中的電壓法進(jìn)行。頻段范圍為0.15～30 MHz;頻譜分析儀的檢波方式為準峰值檢波;測量帶寬為9 kHz;頻譜橫軸(頻率)取對數形式;噪聲信號的單位為dB/~Vl5j#p#分頁(yè)標題#e#

3.2 實(shí)驗結果

圖5為干式變壓器設計改進(jìn)前后實(shí)驗樣品的傳導噪聲頻譜對比。

圖5中的上下兩條平行折線(xiàn)分別為際無(wú)線(xiàn)電干擾特別委員會(huì )(簡(jiǎn)稱(chēng)CISPR)頒布的CISPR22標準中b級要求的準峰值檢波限值和平均值檢波限值;而曲線(xiàn)為開(kāi)關(guān)電源的傳導噪聲頻譜。從實(shí)驗結果可以看出：與傳統方法相比，新方法有著(zhù)更出色的對共模噪聲電流的抑制能力，尤其在中頻1～ 5MHz的頻段。在較低頻段，電源線(xiàn)上的傳導干擾主要是差模電流引起的;而在中高頻段，共模電流起主要作用。而本文提出的方法對共模電流的抑制較強，實(shí)驗和理論是相符合的。在10 MHz以上的頻段，主要由電路中的其他寄生參數決定EMC性能，與干式變壓器關(guān)系不大。

4 結束語(yǔ)

開(kāi)關(guān)電源電路中的噪聲活躍節點(diǎn)是電路中的共模噪聲源。要降低開(kāi)關(guān)電源的傳導干擾水平，實(shí)際上是減小共模電流強度、增大噪聲源的對地阻抗。在傳統的隔離式EMC設計中，隔離層連接到電路中電位穩定的節點(diǎn)上(如：干式變壓器前級的負極)要比直接連到地線(xiàn)對EMI干擾的抑制更有效。

開(kāi)關(guān)電源電路中的噪聲活躍節點(diǎn)通常都是成對存在的，這些成對節點(diǎn)之間的相位相反，利用這一特點(diǎn)活躍節點(diǎn)相位平衡繞法對EMI抑制的有效性高于傳統的隔離式設計。由于不需要添加隔離金屬層，干式變壓器的體積與成本都能被有效減小或降低。