基于saber的开关电源EMI仿真分析

（天津理工大学 电气电子工程学院 天津市复杂系统控制理论及应用重点实验室，天津 300384）

0 引言

开关电源作为电子设备的供电装置，具有体积小、重量轻、效率高等优点，然而由于其工作在高频开关状态，属于强电磁干扰源，其产生的电磁干扰会严重影响电子设备的正常工作。因此仿真分析和抑制开关电源EMI干扰，对设计开关电源和保证电子设备安全可靠工作有重要意义。

本文应用saber软件对非隔离式buck型DC/DC变换电路进行研究，分析了该电路EMI干扰源，提出EMI干扰抑制方法。并在saber软件中对系统共模和差模干扰仿真进行测试，验证了本文提出的EMI抑制方法的有效性。

1 DC/DC变换器工作原理

非隔离buck型DC/DC变换器电路如图1所示，是一种对电压进行降压变换的直流斩波电路。其中Vi、Vo表示输入输出电压，S为IGBT功率开关管，Q为续流二极管，L、C表示滤波电感电容，R为输出电阻。

图1 DC/DC变换器

DC/DC变换器工作原理：驱动信号使S导通时，续流二极管Q反偏截止，如图2所示，此时电源为负载提供能量，电感电流线性增加，其储存的磁场能量增加，电容C开始充电；当S截止时，如图3所示，由于电感电流不能突变，感应电动势阻止电流减小，同时使续流二极管Q导通，电感储能通过Q传给负载，当负载电压低于电容两端电压时，电容向负载放电。

图2 S导通，Q截止

图3 S截止，Q导通

对于buck变换器，根据电感的福特-秒平衡关系，可以得到CCM的直流电压增益为：

占空比D为IGBT开关管S的导通时间与开关周期之比。由于D的值介于0和1之间，故该电路可实现降压功能。

2 DC/DC变换器电磁干扰源分析

在saber中建立buck变换器仿真电路图如图5所示。该电路输入36V电压，输出电阻设置为5欧，采用脉冲宽度调制矩形脉冲电压源驱动IGBT开关管的开断，脉冲电压源参数设置如图4所示，脉冲的频率取决于脉冲电压源的周期，这里取周期为1ms，即开关频率为1kHz。

图4 saber仿真图

测得输出电压波形如图5所示。可看出该电路可实现稳定的降压，降压后输出直流电压为16V。

图5 输出电压波形图

2.1 功率开关管的电压、电流尖峰干扰

当开关管S导通时，开关管流过电流is，由于电路存在漏感，在开关管断开瞬间，电路将在漏感上产生一个极大的感应电压Up以阻碍电流的突变，该电压以浪涌电压的形式加在S上，产生电压尖峰，S关断等效图如图6所示。

图6 S关断等效图

当开关管在很高的电压下开通时，储存在开关器件电容中的能量将以电流的形式全部耗散在该器件中，频率越高，开通电流尖峰越大。saber仿真电路中测得IGBT漏的电压尖峰如图7所示。

图7 IGBT电压尖峰

2.2 功率二极管引起的干扰

功率二极管从导通变为截止时，由于关断的时间很短，容易产生反向电流的浪涌。由于反向恢复电流降到0的速度很快，故di/dt很大，该电流将在环路中向周围空间辐射高频电磁波，干扰敏感原件。测得二极管上的电流尖峰波形图如图8所示。

图8 二极管电流尖峰波形

3 EMI测量

该DC/DC变换器中的干扰主要通过传导的方式耦合，选用LISN（Line Impedance Stabilization Network）进行传导测试。LISN即线路阻抗稳定网络，是EMC测试的重要辅助设备。LISN将电源与受试设备DUT进行隔离，并提供稳定的线路阻抗。常规的150kHz-100MHz测试频段的DC_LISN拓扑结构图如图9所示。其中L1=5uH，C1=0.2F，C2=0.1uF，R1=1Ω，R2=1kΩ，R3为接收机内阻抗，R3=50Ω。

图9 LISN结构图

LISN测量原理图如图10所示。其中IL、IN分别为相线和中线的干扰电流，ICM、IDM分别为共模和差模电流。共模干扰通过L线、N线、地形成干扰回路，差模干扰通过L线、N线形成干扰回路。

图10 LISN测量原理图

由图10可以得到共模和差模干扰电流：

推导得到回路差模和共模干扰电压为：

在saber电路模型直流电源输入端加入LISN阻抗网络，EMI测量图如图11所示。根据上述分析，应用saber软件中Cosmos Scope的波形计算器计算系统共模和差模干扰电压，测得回路共模和差模EMI干扰频谱图如图12所示。

图11 EMI测量图

图12 共模及差模测试结果

该频谱图显示了回路在10kHz到10MHz频段内的共模和差模干扰，由图可看出在该频段内的系统共模干扰明显大于差模干扰。

4 EMI抑制和仿真

针对电路中较强的EMI干扰，本文采用在电源输入端加入EMI滤波器的方法抑制传导EMI干扰。

典型的EMI滤波器结构如图13所示。C1、C2是差模电容，CY1、CY2是共模电容，L1是共模扼流圈，两个绕组分别接在零线和火线上。对于共模干扰电流，两个线圈产生的磁场是同方向的，会呈现较大电感，起到衰减共模干扰信号的作用。共模扼流圈通常采用导磁率高、频率特性好的铁氧体磁性材料。

L2、L3是差模扼流圈，是一个绕组单独接在零线和火线上的滤波电感器，可抑制回路的差模干扰。

图13 EMI滤波器结构

取差模电容C1为0.47uF，C2为0.1uF，Y电容容量一般不大于0.1uF，总容值一般都不超过4700pF，该系统选用的CY1、CY2均为2200pF。考虑到阻抗和频率，共模扼流圈一般取1.5～5mH，这里取为2mH，差模扼流圈一般取10～50uH，这里取为10uH。

将上述EMI滤波器接入DC/DC变换器的电源输入端，重新测试系统共模和差模干扰信号，结果如图14和图15所示。其中CM和DM分别是加入滤波器之前的共模和差摸干扰；CM1和DM1为加入滤波器后测得的共模和差模干扰，由测试图可看出加入EMI滤波器之后，系统共模和差模电磁干扰均有明显的降低。说明该EMI滤波器有效降低了系统EMI干扰。

图14 共模干扰测试结果

图15 差模干扰测试结果

5 结束语

基于saber仿真软件建立了非隔离型buck直流变换器电路模型，在该模型基础上分析了电路工作原理以及EMI产生机理，提出了EMI抑制措施，并在saber软件中进行了仿真验证。测试结果证明本文提出的抑制方法可有效抑制开关电源的EMI干扰。这对开关电源设计初期EMI分析抑制有重要参考价值。

[1]赵文晖,袁登科,张佳佳,顾帅,张逸成.电动汽车DC/DC变换器主电路EMI测试与分析[J].机电一体化,2011,(05):67-71.

[2]房媛媛,秦会斌.反激式开关电源传导干扰的Saber建模仿真[J].电子器件,2014,(05):958-961.

[3]汪泉弟,安宗裕,郑亚利,彭河蒙,李旭.电动汽车开关电源电磁兼容优化设计方法[J]. 电工技术学报,2014,(09):225-231.

[4]陈治通,李建雄,崔旭升,杨庆新,牛萍娟.反激式开关电源传导干扰建模仿真分析[J].电源技术,2014,(05):953-956.