反激变换器传导干扰的建模与抑制

鄢治国，张福东，刘　杰

（1.中国东方电气集团有限公司，四川 成都　611731；2.肇庆学院 机械与汽车工程学院，广东 肇庆 526061）

0　引言

反激变换器是输出与输入隔离的最简单的变换器，具有拓扑结构简单、输入输出电气隔离、转换效率高、多路输出负载自动均衡等优点，而且，由于反激变压器有着变压器和电感的双重功能，反激变换器不需要输出滤波电感，在低成本多输入电源中，这一点对于减少变换器体积和降低成本尤为重要.由于开关器件的高频动作，产生较高的dv/dt和di/dt,这是产生电磁干扰问题的主要因素.在设计环节，其EMC问题越早考虑和越早解决，其费用越小，效果也越好.

对电磁干扰问题，采取的措施有接地、屏蔽、PCB布局、加滤波器等[1]，其中，滤波装置是一种常用而有效的措施.常用的滤波器设计方式有基于噪声的滤波设计、基于插入损耗的设计、基于阻抗、电压增益等等[2-3].本文通过分析传导干扰的来源及特点，运用Saber软件对开关电源中的有源器件进行建模，结合滤波器的工作频率，基于经验设计滤波器，无需复杂计算，在设计初期为电源设计提供了一定依据.

1　传导干扰的来源及特点

1.1　传导干扰的来源

反激式开关电源的基本拓扑结构如图1所示，主要由无源器件、变压器、MOSFET和功率二极管等组成.反激式开关电源的开关工作频率很高，一般在几十kHz到数MHz，由此产生了较高的dv/dt和di/dt.由于开关器件本身寄生参数的影响，其电压波形和电流波形的频率响应都分布在一个很宽的频率范围内，上升沿和下降沿都包含大量谐波，由此产生了差模干扰和共模干扰[4].二极管、功率开关器件、变压器的寄生参数及其与大地之间的分布电容，是造成电磁干扰的主要因素.

图1　反激式开关电源基本拓扑结构图

1.2　传导干扰的特点

传导干扰分为差模干扰和共模干扰.差模干扰是指作用于信号两极之间的干扰电压，是电子设备内部噪音电压产生的与信号电流或电源电流相同路径的噪音电流.主要是电路中的di/dt回路造成的.共模电压是信号对地的电位差，是在设备内噪音电压的驱动下，经过大地与设备之间的寄生电容，在大地与电缆之间流动的噪音电流产生的.它主要是由电路中的dv/dt造成的.

开关电源干扰信号主要可以分为3个频段[5]：在0.15～0.5 MHz，以差模干扰为主；0.5～5 MHz，差模干扰和共模干扰共存；5～30 MHz，以共模干扰为主.可见在开关电源噪声中，共模噪声所占频段范围更广，是干扰噪声的主要成分.

2　反激式开关电源的EMI仿真

2.1　器件建模

Saber仿真软件是美国Synopsys公司的一款EDA软件，其功能非常强大，大量的器件模型、先进的仿真技术和精确的建模工具，为客户提供了全面的系统解决方案，在电力电子、数模混合仿真、汽车电子及机电一体化领域得到广泛应用.本次仿真采用的就是Saber软件.反激式开关电源易产生传导干扰的元器件主要有功率开关管、变压器以及电容.对这些元件建模是非常有必要的[6].

2.1.1MOSFET建模

Model Architect是Saber软件自带的建模工具，以此工具建立的MOSTET高频模型，是以其制造工艺为依据，考虑到了栅漏极之间的可变电容Cgd,栅源级间的固定电容Cgsc和可变电容Cgs.级间的固定电容产生是由于栅极的绝缘氧化层以及栅源级的导电层.模型中存在可变电容是因为MOSFET中电子的往返运动与电容的充放电原理类似，将其等效成可变电容便于分析.Saber模型中还包含了MOSFET的寄生电感和电阻，具体模型如图2所示.本次仿真设计采用的MOSFET器件为irl2910s，可以根据其数据手册，通过数据手册上IdvsVgs,IdvsVgs和Rds(on)vsId3条曲线的拟合，软件可以自动分析出Crss,Coss和Ciss的值.建模完成后，可对其门极充电特性及开关特性进行仿真，验证模型的正确性，所搭建的MOSFET充放电特性如图3所示.

图2　MOSFET高频模型　

图3　所建MOSFET模型充放电特性

2.1.2变压器模型

采用Model Architect中的Magnetic component tool工具建立变压器模型，这个模型可以非常细致地调节变压器的各种参数[7].根据数据手册的变压器参数，设置骨架、绕线区、磁芯等给定条件，确定线径、阻抗、导线的绝缘层，每层绕组间的绝缘层的厚度及其介电常数，还有磁芯的特性，比如B-H曲线等就可以将模型建立出来.模型将自动计算出绕组之间、层与层之间、匝与匝之间以及绕组与磁芯的寄生电容.建好的模型如图4所示.

2.2　PCB参数提取

开关电源EMI与PCB板的好坏有直接关系.这是由于PCB板中存在着很多杂散参数，包括布线导体之间的互感、寄生电容以及导体自身的分布电阻、电感、对地电容等.将PCB在Altium designer中转换成anf格式的文件，再经过Ansoftlinks选择需要的网络，生成Q3D可以打开的工程.ANSYS Q3D Extractor软件可以根据有限元法与矩量法进行计算，最后给出PCB中各导体自身以及导体之间的寄生参数，这些参数包括C矩阵、DC RL矩阵、AC RL矩阵.图5为在ANSYS Q3D软件中建立的3D模型图.

图4　所建变压器模型　

图5　Q3D模型图

2.3　仿真电路模型搭建

在Saber中搭建仿真电路模型，当设置MOSFET对地电容Cg分别为20 ρF和100 ρF时，所得MOSFET漏极电压与其对应的母线电压波形分别如图6和图7所示.

图6　MOSFET对地电容为20 pF时,Vds与直流母线电压Vdc的仿真曲线

图7　MOSFET对地电容为100 pF时，Vds与直流母线电压Vdc的仿真曲线

产生的振荡在初级功率MOSFET关断期间，次级功率二级管续流结束后，由变压器初级绕组励磁电感、变压器初级绕组分布电容、功率MOSFET寄生电容三者谐振产生.可以得出如下结论：当其对地电容越大，MOSFET漏极电压Vds在下降沿波动越大；在Vds波动的时候，可对应看出母线直流电压也相应产生波动，可以看到在Vds上升沿和下降沿，直流母线噪声毛刺幅度最大，在100 ρF的情况下尤其明显.由此可见在布局时减小MOSFET对地电容可以改善电源传导干扰.传导干扰电压频谱如图8和图9所示.

图8　MOSFET对地20 ρF时传导干扰电压频谱

图9　MOSFET对地100 ρF时电压频谱

可见，当开关频率为100 kHz的整数倍时噪声最大，当100 ρF时高频噪声明显增加，这证明增大了漏极对地电容，主要影响的是共模电压.在进行电磁兼容设计时，抑制共模电压可以从减小MOS管对地分布电容来考虑.

3　无源滤波器设计

常见EMI滤波器的电路拓扑结构如图10所示，其共模等效电路与差模等效电路如图11与图12所示[9].

图10　常见EMI滤波器电路拓扑

图11　共模等效电路　

图12　差模等效电路

由图10～12可知，共模等效电路为L型低通滤波器，衰减频率为40 dB/dec，差模等效电路为π型低通滤波器，衰减频率为60 dB/dec[10].共模等效电感LCM=LC+LD/2,共模等效电容CCM=2Cy;差模等效电感LDM=LDM=2LD+Lleak,差模等效电容CDM=Cx.从原理上说，滤波器的设计根据噪声频谱确定，但当实际设计中若无法得知应该衰减的量时，则可由计算大致获得.开关频率为fs,则共模滤波器的转折频率fCM=fs×10(Att/40),Att=-24 dB.综上，本设计中fs=100 kHz，则fCM可取25 kHz.

y电容选取时，需注意其耐压及漏电流限值（一般小于1 mA），按经验一般选Cy为2 200～6 800 pF，漏电流Id=2πfCU,基于漏电流的考虑，此设计中选取3 300pF.

LD很小，计算时可以先忽略，带入可得，LCM为3.07 mH.漏感一般为共模电感自身电感量的0.5%～2%，所以取Lleak=30μH.差模截止频率fDM取12 kHz，由于有2个变量LD和Cx,设计者可以有多种选择.

1）若以全部漏感当差模电感，而不另外增加，则取LDM=Lleak=30 μH,由式（2）可得，Cx1=Cx2=5.86μF.由于一般差模电容最大不超过1μF，故虽然可以并联，但不符合实际.

2）若选Cx=0.22μF,由式（2）可得，LDM=799μH,是现实中可以取到的值，则LD=(LDM-Lleak)/2=380 μH.

3）若选Cx=0.47μF,由式（2）可得，LDM=374μH,则同理可得LD=172μH,

由己知的EMI滤波器等效共模、差模电路，我们可以通过滤波器设计仿真软件进行仿真[11].本文采用的是Filter solutions仿真软件，它避免了大量的参数转换和数学计算，在电子、电力电子、通信等领域得到了广泛应用.经过多年的发展和更新，功能越来越完善，仿真效果跟实际的滤波器特性也越来越符合.设定输入、输出阻抗均为50 Ω，滤波器参数如上设置，则可以得到共模、差模滤波部分等效电路仿真信号衰减幅分别如图13和14所示.

图13　共模部分仿真信号幅值衰减　

图14　差模部分仿真信号幅值衰减

滤波后的传导干扰仿真结果如图15所示.

图15　加滤波器后的传导干扰频谱

仿真结果表明，所设计的滤波器能够使传导干扰电压基本在限值46 dBV左右，满足CISPR相关标准.

4　结论

开关电源干扰的抑制是个十分复杂的问题，在设计开关电源时，应该对电源可能的电磁干扰问题进行充分估计.本文针对反激式开关电源传导干扰的来源、特点进行了简要介绍，在Saber中自带的ModelArchitect建模工具对此反激电源中的高频器件建模，并考虑了寄生参数，在Saber中进行仿真.根据仿真数据对滤波器进行设计，给出了滤波元件参数的求取途径.通过仿真分析，得到预期结果.

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