非隔离DC/DC通信电源传导干扰与抑制研究

发布时间：2016-05-24 08:12

第 1 章  绪   论

1.1  课题背景及研究目的和意义
过去十年来，电力电子在分布式能源、储能系统、交通系统以及微电网中的应用越来越广泛，以电力电子功率变换器为基础的系统大有取代传统的机械、液压系统之势，这是因为电力电子设备可以以更小的体积、重量以及维护操作成本保证更高的效率、安全性以及可靠性[1]。但是这些设备在工作的同时往往要产生一些有用或者无用的电磁能量，这些能量如果影响到其他设备的正常工作，或者其他设备发出的能量影响到某个我们使用的设备的正常工作，就形成了电磁干扰[2]。为了营造一个良好的电磁环境，减少各种设备间的相互干扰和电磁污染，有关国际组织和许多国家对电子、电气产品规定了相应的电磁兼容质量标准，具有权威性和广泛影响的是 CISPR、IEC、CENELEC、MIL、FCC、GB 等标准[3]。为了使产品能够进入当地市场，则必须满足当地市场的相关标准要求，因此对电力电子设备的电磁兼容研究是十分必要的。 现代电力电子变换技术，对电能有着灵活多变的变换形式。无论何种形式的变换，为了追求良好的电源装置整机效率以及小型化，装置中的功率半导体器件通常工作在开关状态，其开关频率从几十 Hz 到几 MHz 不等，同时器件两端电压、电流的摆幅也很大，从几十 V 到几十 kV 不等[4-6]。由功率半导体器件的开通和关断形成的电压、电流波形，其前后沿具有较高的 dv/dt和 di/dt 变化率。同时由于电路寄生参数的效应，其上会附有强度较大的电压、电流毛刺。这些电压脉冲序列和电流脉冲序列形成了很强的噪声干扰源，会形成不同类型的电磁干扰[7]。随着碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）这类快速开关半导体器件的出现，电源装置在向着高开关频率、高效率、高功率密度的技术方向发展的同时也给电磁兼容的设计带来了更大的挑战[8]。 分布式能源、储能系统、微电网系统以及通信电源系统都是由多个电源模块级联而成，这种电源模块间的相互影响导致了更为复杂和隐秘的传导发射噪声。为了能够使产品前期 EMC（Electromagnetic Compatibility）设计和后期 EMI（Electromagnetic  Interference）整改都更为顺利，缩短产品研发时间，减小耗费的人力和物力。对开关电源模块传导发射的研究是十分必要的，包括确定传导发射源头、建立传导发射模型及优化 EMI 滤波器设计。
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1.2  开关电源传导发射建模与抑制国内外研究现状
开关电源的传导发射建模对于传导发射噪声消除具有重大意义，正确的传导发射模型可以准确地预估传导发射噪声幅值，从而能够提前对产品的设计进行整改，缩短产品的研发时间；基于传导发射模型设计的 EMI 滤波器，可以做到同时兼顾滤波性能和体积优化要求。目前针对传导发射建模主要集中在时域建模和频域建模两个方面，各自的优缺点将在下面进行详细的阐述。时域模型比较适用于基于电路分析的仿真软件。采用时域仿真，需要知道具体的原件参数和详细的半导体器件物理模型，因此时域仿真是基于物理原理的仿真[9]。虽然时域仿真很直观，但是元件的高频模型往往很难提取，影响到仿真的精度，而且为了提高仿真的精度，通常把时域仿真步长设置的很小，这往往会增加仿真的时间，并且物理模型的复杂性有时也会导致仿真的不收敛问题。尽管有时为了简化仿真，往往把功率半导体器件的干扰源简化为一个梯形波[10]，但是由于时域仿真模型高度依赖器件的布局，走线的方向。即使微小的变动也会导致仿真结果大相径庭，限制了模型的精确度。因此为了简化模型，并且提高模型的准确度，频域建模应运而生。
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第 2 章  双相交错并联 Boost 变换器传导发射问题 

2.1  引言
本章提出了一种新的传导发射测试布局，这种实验布局可以模拟后级开关电源模块对非隔离 DC/DC 变换器传导发射的影响。明确了非隔离 DC/DC电源模块带电阻负载和接后级开关电源模块负载时传导发射噪声的异同。
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2.2  非隔离 DC/DC 变换器应用及其 EMI 问题

非隔离的 DC/DC 变换器因其具有低成本、高效率和高功率密度等特点[34]被广泛地应用在通信二次电源系统中。传统的开关电源传导发射测试布局是在待测设备的输出端接入相应的电阻负载，通过 LISN（Line  Impedance Stabilization Network）上测得的噪声幅值大小判断待测设备是否符合 EMI 传导发射的要求。但是对于应用在通信电源二次系统中的非隔离 DC/DC 变换器来说，由于其负载是级联的开关电源模块，因此不能简单地将负载当作纯电阻来处理。这是因为后级开关电源模块的输入母线与地之间往往并联有共模滤波电容，这个共模滤波电容很有可能为非隔离 DC/DC 变换器的输出电压噪声回流到输入侧 LISN 提供回路，所以带电阻负载时测得的传导发射噪声并不能真实地反映非隔离 DC/DC 变换器在实际工作环境中的传导发射噪声。为此，针对应用在通信电源二次系统中的非隔离 DC/DC 变换器，提出了一种新的 EMI 传导发射测试布局。 这种新的传导发射测试布局如图 2-1 所示，在非隔离 DC/DC 变换器的输出侧与相应的电阻负载之间串联一个 LISN，此时输入侧的 LISN 和输出侧的LISN 共地。这种通过在电源输出侧加 LISN 来模拟后级电源模块中共模电容的影响的方法，具有测试结果归一化和实验布局简单等特点。为了清楚阐明非隔离 DC/DC 变换器传导发射机理，设计制作了一台额定输入电压-48V、输出电压-53V、功率等级 140W，开关频率 172kHz 的双相交错并联 Boost 变换器，，其作为中间母线变换器应用在通信电源二次系统中。 双相交错并联 Boost 变换器拓扑结构如图 2-2 所示，主开关管 S1和 S3工作在交错状态下，由于一相的主开关管超前另一相的主开关管半个周期，因此流过每相的电流呈现相互交错的状态，两相电流纹波相互抵消，使输入电流纹波降为原来的一半，两相电感电流波形如图 2-3 所示。双相交错并联的拓扑结构不仅适合应用于大电流场合，同时也会使传导发射噪声频谱中的基频翻倍，使得设计 EMI 滤波器时需要参考的转折频率升高，降低了对 EMI滤波器中滤波电感、滤波电容的参数设计要求，可以达到减小 EMI 滤波器体积的目的。

 

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第 3 章  双相交错并联 BOOST 变换器传导发射预测 .......... 12 
3.1  引言 ............ 12 
3.2 BOOST 变换器中无源器件建模........... 12 
3.2.1  功率电感高频模型 ............ 12 
3.2.2  铝电解电容的高频模型 .... 16 
3.2.3 PCB 寄生参数模型 ............ 18 
3.3 MOS 管的高频模型 ......... 20 
3.4  双相交错并联 BOOST 电路传导辐射预测 ...... 20 
3.5  本章小结 ..... 22 
第 4 章  BOOST 变换器带电阻负载时的传导发射建模 ....... 23 
4.1  引言 ............ 23 
4.2  双相交错并联 BOOST 变换器传导噪声发射模型 ..... 23 
4.3  差模（DM）传导发射模型的建立 ...... 25 
4.4  共模（CM）发射模型的建立 .... 27 
4.5  本章小结 ..... 28 
第 5 章  BOOST 变换器输出侧接 LISN 时的传导发射建模与抑制 ....... 30 
5.1  引言 ............ 30
5.2  输出侧接 LISN 对 BOOST 变换器传导发射的影响 ........... 30
5.3  传统 Γ 型 EMI 滤波器设计 ....... 37
5.4  改进型的 EMI 滤波器设计 ........ 42 
5.5  本章小结 ..... 45 

第 5 章  Boost 变换器输出侧接 LISN 时的传导发射建模与抑制 

5.1  引言 
第四章建立了双相交错并联 Boost 变换器带电阻负载时的传导发射模型，确定了差模（DM）传导发射和共模（CM）传导发射的干扰源及其干扰路径。本章主要建立双相交错并联 Boost 变换器输出侧接 LISN 时的传导发射模型，确定新的测试布局下的传导发射干扰源及其干扰路径。针对 Boost 变换器输出侧接 LISN 时的传导发射抑制，提出了传统 EMI 滤波器设计时的技术要点，并提出了一种改进型的 EMI 滤波器，其可以用更小的体积达到同样的滤波效果。在 Boost 变换器输出侧接 LISN 的测试布局下，由于输入侧 LISN 和输出侧 LISN 共地，为传导噪声电流的传播提供了新的路径。图 5-2 是只有电压源作用时产生的在相线和中线间流通的电流。此时，可以将功率电感 L1、L2和噪声电压源 Vds1、Vds2的串联等效为功率电感 L1、L2和噪声电流源 IL2、IL2的并联，如图 5-3所示。因为在测试频带内功率电感的阻抗要远远大于输入端口处 CX电容的阻抗，因此我们可以忽略功率电感的影响，将图 5-3 简化为图 5-4 所示，定义此时流经输入侧 LISN 中两个 50Ω 电阻的电流分别为 Il1和 In1。   
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结   论 

本文以一台应用在通信二次电源系统中作为中间母线变换器使用的双相交错并联 Boost DC/DC 变换器为实验对象，针对级联后级开关电源模块负载使该非隔离 DC/DC 变换器共模传导发射大幅增加这一现象，首先建立了Boost 变换器带电阻负载时的传导发射模型，接着建立了 Boost 变换器输出侧接 LISN 时的传导发射模型。以 Boost 变换器输出侧接 LISN 时的传导发射模型为基础，提出了设计传统 Γ 型 EMI 滤波器时的技术要点并设计了一种改进型的 EMI 滤波器结构。主要工作总结如下： 
（1）提出了一种针对非隔离 DC/DC 电源模块用作中间母线变换器时的传导发射测试布局，这种测试布局通过在电源模块输出侧加 LISN 的方式来模拟级联电源模块对非隔离 DC/DC 变换器传导发射的影响，明确了非隔离DC/DC 电源模块带电阻负载和输出侧接 LISN 时传导发射的异同； 
（2）建立了双相交错并联 Boost 变换器带电阻负载时的传导发射模型，阐述了差模和共模传导发射的干扰源及其干扰路径，解释了双相交错并联的控制方式对噪声频谱的影响，并仿真验证； 
（3）建立了双相交错并联 Boost 变换器输出侧接 LISN 时的传导发射模型，根据干扰源作用于电路的方式不同，分析并建立了噪声电压源、噪声电流源产生的三种不同性质的传导发射噪声的干扰模型。通过对三种不同性质的干扰模型的分析，阐明了 Boost 变换器输出侧接 LISN 时导致传导发射恶化的原因； 
（4）针对 Boost 变换器输出侧接 LISN 时传导发射噪声激增的现象，设计传统 Γ 型 EMI 滤波器。为了进一步减小 EMI 滤波器的体积，提出了一种在 Boost 变换器输出侧母线串联差模电感的协调设计方法，其能以更小的体积达到同样的滤波效果，并仿真验证。
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参考文献(略)

本文编号：48968