功率驱动电路开关噪声的电磁干扰特性研究

发布时间：2020-11-07 18:18

　　 作为功率电子系统的核心,功率驱动电路采用半导体开关器件,其开关变化产生的开关噪声尤为突出,由此引起的电磁干扰(EMI)问题会使系统无法满足电磁兼容标准规范要求,甚至不能正常工作,并对其他电路系统造成影响。随着功率电子系统向高速度、高集成、高电压、大电流等趋势发展,EMI问题会更加严重。然而,由于开关器件等引入了各种复杂寄生参数,导致电磁干扰源(开关噪声)及其传输方式(传导、辐射干扰)的建模与分析复杂性大大提高,传统的建模和分析方法已不能准确判断相关参数对EMI影响程度。因此,对功率驱动电路中开关噪声及电磁干扰特性研究至关重要。本文以功率驱动电路中的典型电路结构单开关管电路和推挽结构电路为研究对象,发光二极管照明(LED)驱动电路和等离子显示(PDP)驱动电路为实际案例,重点研究开关噪声非线性模型、时域频域特性及基于等效传输路径的EMI传导特性、基于电磁仿真的EMI辐射特性等,并基于研究结果得到了有效抑制功率驱动电路电磁干扰的方法。本文主要创新点如下：1、建立了基于状态变量描述法的开关噪声非线性模型。采用状态变量描述法克服了传统建模方法中没有全面地考虑开关器件非线性的问题,并清晰地描述了相关参数与开关噪声之间的解析关系,仿真和测试结果验证了不同条件下模型的准确性。基于所建模型,利用时域波形分解法及考虑测量带宽的频谱计算方法提取了开关噪声的高频特征。2、建立了开关噪声传导干扰的解析模型。采用等效电路分析的方法兼顾了共模、差模干扰传播路径的差异及开关器件的不同开关状态,通过三维数值仿真进行了功率驱动电路中对地等效电容、输入滤波电容、开关器件极间电容等参数对EMI影响程度的定量分析,弥补了时域电路模型不能准确判断关键参数的问题,为EMI抑制提供了依据。3、实现了基于三维空间模型的驱动电路全波电磁仿真。针对功率驱动电路工作频率与仿真频率差距大的特殊性,采用线性化仿真方法显著缩短了仿真时长,重点分析了印刷电路板(PCB)表面电流分布、高频电流环路面积、高频电流幅值、输入/输出电缆长度等对远场辐射强度的影响。4、根据上述分析,从减小开关噪声、改变传输路径两个角度,分别优化驱动电路中浮地电容、限流电阻等关键器件参数及PCB关键路径布线的方法对两个应用案例进行定量设计和测试验证。实测结果表明,将等离子显示(PDP)驱动电路中开关噪声控制在总电源电压10%以下,噪声峰值从191V下降至154V,近场辐射干扰平均降低约8dBμV,提高了系统稳定性并使其满足了产品EMI限定要求；将发光二极管(LED)驱动电路中传导干扰水平降低约21dBμV,使其满足了EN55022标准限值要求。本文从理论分析、定量仿真及实验验证三个层面,对功率驱动电路中开关噪声的非线性模型、电磁干扰源的分析方法、电磁干扰的传导干扰模型、辐射仿真及方法等方面进行了研究,提出了相应分析和优化设计方法,并通过应用案例完成了测试验证。本文工作为系统深入地研究功率驱动电路系统的电磁干扰抑制方法奠定了基础,为高可靠性的功率驱动系统设计提供了理论及实践指导。
【学位单位】：东南大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2015
【中图分类】：TN303
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
    1.1 功率驱动电路概述及电磁干扰问题
    1.2 开关噪声与电磁干扰国内外研究现状
    1.3 EMI组织机构和标准体系
    1.4 本文研究内容和创新点
第二章 功率驱动电路开关噪声产生机理
    2.1 功率开关器件的非线性特性
        2.1.1 MOSFET器件非线性特性
        2.1.2 IGBT器件非线性特性
    2.2 PCB迹线的寄生电感
    2.3 单开关管电路的开关振荡噪声
    2.4 推挽结构电路的电源/地线上开关噪声
    2.5 本章小结
第三章 开关噪声建模及其特性研究
    3.1 开关噪声的非线性建模与分析
        3.1.1 单管结构开关噪声的建模与验证
            3.1.1.1 单管反激变换器工作原理及状态分析
1振荡噪声模型'>            3.1.1.2 Q₁振荡噪声模型
2振荡噪声模型'>            3.1.1.3 Q₂振荡噪声模型
            3.1.1.4 模型对比验证
        3.1.2 推挽结构开关噪声的建模与验证
            3.1.2.1 推挽PDP驱动电路工作原理及状态分析
            3.1.2.2 推挽PDP驱动电路的电源/浮地上噪声模型
            3.1.2.3 模型对比验证
    3.2 开关噪声的时域特性分析
        3.2.1 开关振荡噪声的关键参数仿真与分析
        3.2.2 电源/地线上开关噪声的关键参数仿真与分析
            3.2.2.1 寄生电感对开关噪声的影响
            3.2.2.2 电阻对开关噪声的影响
            3.2.2.3 不同电容对开关噪声的影响
    3.3 开关噪声的频域特性分析
        3.3.1 考虑测量带宽的频谱计算方法
            3.3.1.1 一般的FFT计算方法
            3.3.1.2 考虑测量带宽的FFT计算方法
        3.3.2 开关振荡噪声的谱分析
        3.3.3 电源/地线上开关噪声的谱分析
    3.4 本章小结
第四章 开关噪声的电磁干扰传输特性研究
    4.1 典型传输路径分析
        4.1.1 传导干扰的基本传输路径
        4.1.2 辐射天线模型与PCB等效天线
    4.2 基于等效路径分析的开关噪声传导干扰特性
        4.2.1 传导干扰的频谱包络特性分析
        4.2.2 浮地Flyback拓扑结构的共模传播模型与仿真分析
        4.2.3 浮地Flyback拓扑结构的差模传播模型与仿真分析
    4.3 基于三维空间模型的开关噪声辐射干扰特性
        4.3.1 辐射干扰的频谱包络特性分析
        4.3.2 三维空间模型的建立与线性化仿真
            4.3.2.1 三维空间的PCB辐射模型
            4.3.2.2 线性化仿真方法
        4.3.3 辐射干扰特性的场仿真分析
    4.4 本章小结
第五章 开关噪声的电磁干扰抑制技术研究与验证
    5.1 开关噪声的EMI抑制方法与对比
    5.2 基于优化元件参数减小开关噪声的应用案例与验证
    5.3 基于优化PCB布线改变传输路径的应用案例与验证
    5.4 本章小结
第六章 总结与展望
    6.1 总结
    6.2 展望
致谢
参考文献
博士期间取得的成果

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本文编号：2874313