开关电源传导EMI仿真与滤波电路设计

2024-03-26 01:26蒋云富卢伟斌王嘉义

船电技术 2024年3期

蒋云富，卢伟斌，王嘉义

开关电源传导EMI仿真与滤波电路设计

蒋云富，卢伟斌，王嘉义

（株洲中车时代电气股份有限公司，湖南株洲，412001）

本文基于开关电源的高频模型，建立了DC/DC变换器的传导EMI仿真模型，提出了一种基于传导EMI仿真模型进行变换器电磁兼容设计方法，利用仿真结果设计巴特沃斯滤波电路参数，确定衰减目标、输入阻抗和截止频率，最后通过对比仿真验证所设计滤波电路的有效性。

传导EMI；高频建模；滤波电路

0 引言

随着轨道交通技术的飞速发展，对变换器体积、重量提出更为严苛要求，而高频化有效降低磁性元件体积、重量，是变换器发展主要方向。但在提升功率和增大工作频率的应用场合，高频化引起更高的d/d和d/d，造成更强的电磁干扰（EMI）。而开关电源的对外电磁干扰主要包括传导和辐射。其中电源线上的传导EMI不仅使得传导电磁干扰加剧，也影响着辐射。因此，分析并降低传导EMI就显得更为重要。

1 开关电源高频参数建模

开关电源的工作频率和干扰电流的频率都非常高。国标《GB/T 24338.4-2018轨道交通电磁兼容第3-2部分：机车车辆设备》中功率变换器对外传导EMI测试频率范围为150 kHz～30 MHz。为了能够准确模拟开关电源工作时干扰情况，需要建立开关电源及其关键元件的高频模型。

变压器是开关电源产品的核心元件，在进行一般电路仿真时通常假定其为理想变压器。但在传导EMI分析中，其包含的漏感、分布电容等寄生参数是引起干扰的主要原因。因此，需要建立含寄生参数的变压器高频模型。变压器高频模型如图1所示，模型中包括原边、次边的漏感、电阻和电容，以及原边、次边之间的电容。

图1 变压器高频模型

开关管三个端子之间的电容也是引起干扰的主要原因，在考虑端子间电容的情况下，建立MOSFET高频模型，如图2所示。

图2 MOSFET高频模型

模型中的三个电容按下式（1）确定：

式中，C、C、C可以通过器件产品手册得到，端子杂散电感合并到引线中。

二极管中影响干扰的参数主要是与反向恢复有关的Q和二极管结电容C。建立的二极管高频模型如图3所示。

图3 二极管高频模型

实际电路中三类无源元件均包含不同的寄生参数。实际电容的高频模型如图4所示：从模型看出，实际的电容中寄生有串联的电感和电阻。实际电感高频模型如图5所示，电感上并联一个寄生电容，寄生电阻可以整合到引线中。实际电阻高频模型如图6所示：电阻上并联了一个寄生电容，寄生电感串联其上。

图4 实际电容高频等效模型

图5 实际电感高频等效模型

图6 实际电阻高频等效模型

开关电源中的功率管和磁性元件一般通过导热硅脂安装在散热器上，元件与散热器之间会产生寄生电容。此类寄生电容可以通过式（2）估算：

开关电源中各种元器件通过电缆连接，除铜牌和母排连接外，导线中寄生参数需要在高频模型中体现。导线的电阻可以通过电阻计算公式得到，导线上的寄生电感按1uH/m来估算。

2 传导EMI仿真及分析

在开关电源高频模型的输入端和电源之间增加LISN（线路阻抗稳定网络），即可分析被测产品的传导干扰情况，再通过电路仿真建立传导EMI仿真模型。

首先建立开关电源的理想模型并进行时域分析，以验证开关电源的基本功能。本文建立一款DC/DC变换器，其理想电路如图7所示，其主要参数如表1所示。根据计算、实测及产品手册，确定各个部件的高频参数如表2所示。

图7 DC/DC变换器理想电路模型

表2 各部件高频参数

根据以上参数，将LISN添加到电源与变换器输入端建立变换器传导EMI模型，如图8所示。

通过电路仿真得到LISN上两个50 Ω电阻的电压波形，从而求出差模干扰和共模干扰，再通过FFT变换将时域波形转变到频域，具体方法为：

1）建立包含LISN在内的变换器高频仿真模型，通过时域分析得到V和V；

2）根据式（3），得到时域下差模干扰波形和共模干扰波形；

3）由于标准中以μV为评价单位，因此需将2）中波形扩大106倍，将V转为μV；

4）选择3）中波形的一个稳定周期作为时域向频域变换的依据；

5）对4）中选定的数据做FFT变换，得到干扰的频域波形。

图8 DC/DC变换器传导EMI模型

仿真模型输出波形如图9所示，分析后变换器的共模干扰频域波形如图10所示，差模干扰频域波形如图11所示。从波形可以看到，差模干扰在低频段超标且大于共模干扰一倍以上。因此，在传导EMI整改中重点考虑对差模干扰衰减。

3 EMI滤波器设计

通过以上的分析和仿真，可知变换器在低频段不满足标准要求，需设计相应滤波器使变换器满足要求。

图9 仿真模型输出波形

图10 差模干扰频域波形

图11 共模干扰频域波形

EMI滤波器典型电路如图12所示。图中的C是正负线间的电容起到差模滤波作用；C是线对地电容，能够衰减共模干扰；电感按绕制的方式不同，分别对差模干扰和共模干扰起到衰减的作用。EMI滤波电路设计实质上就是低通滤波电路的设计，其中巴特沃斯法设计简单，性能优越，得到广泛应用。

根据图8所示EMI传导模型的干扰特性进行巴特沃斯法滤波器设计，主要有以下几个步骤：

1）确定衰减目标

从图10的低频部分可知，在150 kHz处干扰达115 dB，按标准此处不能超过99 dB，因此需要至少衰减16 dB。从图10的趋势上看，如果150 kHz处能衰减16 dB后续部分即不会超标。因此，衰减目标确定为：150 kHz处衰减30 dB。

2）确定滤波电路阶数及截止频率

考虑到简化电路结构，采用3阶滤波电路。根据巴特沃斯衰减特性可知，3阶滤波电路要达到30 dB的衰减量频率要到3×，即衰减目标为150 kHz处衰减30 dB，因此，滤波电路的截止频率选在50 kHz。

图12 滤波器典型电路

3）确定特征阻抗

滤波电路一端接电源，另一端接变换器输入端，电源端由于有LISN的存在阻抗稳定，变换器端阻抗随频率变化，因此，滤波电路的特征阻抗由变换器的输入阻抗决定。建立如下图13所示的二端口模型，通过二端口分析得到电路的输入阻抗幅频特性曲线，如下图14所示。图中50kHz的幅值是53.447dB。进而计算出输入阻抗的模，如式（4）所示：