多路输出反激式电源电磁兼容分析

0 引言

电磁兼容性（Electromagnetic Compatibility）是指电气设备（系统、子系统）在共同的电磁环境中，能一起正常执行各自功能而不降低自身性能，它包括了电磁干扰(EMI)和电磁敏感（EMS）两方面的内容。EMI是指电气设备成为电磁环境中电磁污染源，EMS则是指电气产品能在预期的电磁环境中正常工作的能力。

开关电源中的功率半导体器件的开关频率较高（从几十kHz到数MHz），功率开关管的高速开关动作，不可避免地导致严重的EMI。与此同时，现代开关电源的功率密度急剧提高，电源内部的电磁环境越来越复杂，比如在电源系统内有多个子系统的场合，多个子系统电源之间的电磁兼容问题就更加的突出。因此，为了提高大功率逆变器的抗干扰性及可靠性，必须重视电源系统的电磁兼容性设计。

1 电路概述与方案介绍

本文所分析的反激式电源用作5kW恒流逆变器中的辅助电源，其输出多达10路，除数字地外其它输出均要求电气隔离。电气规格见表1。图1是150W多路输出反激式开关电源的结构框图。

表1 辅助电源电气规格

图1 辅助电源电路方案

由于存在高频变压器绕制以及原边与多路副边绕组不易耦合等诸多困难，在方案选择上，该电源采取了两组反激式DC/DC变换器并联拓扑，双芯片电流峰值控制，以减小变压器体积。鉴于每组变换器功率等级较低，并考虑到充分利用反激式拓扑结构简单的特点，实际电路采取硬开关工作方式，开关频率为100kHz。由于是两组高频变压器相互并联，原边共用整流桥输出直流母线电压，因此，除考虑每组变流器原副边以及与工频电网的EMI问题以外，防止两组变流器相互之间的电磁干扰也是难点之一。

2 电磁干扰分析

高频开关电源中，由于功率半导体器件的高速开关形成的电流瞬变、电压瞬变(di/dt和dv/dt)是不可避免的电磁噪声源。通过对开关电源的电磁兼容分析表明：减弱噪声源，切断或削弱EMI传播途径，降低易受干扰电路的电磁敏感程度是提高开关电源EMC的关键。

2.1 开关电源自身引起的EMI

电流瞬变的di/dt和电压瞬变的dv/dt由于来源和干扰途径不同，产生的噪声对电源的影响方式也不相同，主要包括2个方面。

1）近区电磁场辐射耦合可分为共模(common mode或CM)辐射和差模（differential mode或DM）辐射两部分：

——差模辐射耦合其来源主要是瞬变电流的di/dt，耦合途径为两电路之间的寄生磁耦合电感M。当开关电源用于低压大电流场合，情况更为恶劣，有数据表明[2]，di/dt典型值可达250×10⁶A/s。而这种电流的瞬变将通过寄生耦合电感M，以磁耦合的方式在其相邻电路上形成一个感生电压e。该电压的幅值和di/dt的幅度成正比，即

e=M（1）

——共模辐射耦合其来源主要是瞬变电压的dv/dt，耦合途径是两电路间的分布电容C。与di/dt类似，dv/dt要远大于开关动作水平。在开关电源应用于高压小电流场合情况更为恶劣，dv/dt典型值[2]可达到10×10⁹V/s。电压的瞬变通过寄生耦合电容在其相邻电路形成感生电流i。也就是说，感生电流，其源是高频电场，可以为任何电气节点或者电路元器件上存在的电压瞬变。同样，这种节点或元器件对大地E之间存在寄生电容C_d，感生出的共模电流通过C_d流向大地，并最终流经电源输入端内阻形成环路。感生电流i幅值和dv/dt成正比，即

i=C_d（2）

从本质上说，由元器件或电路布线中寄生参数形成的电感性和电容性直接传导耦合均属于近场电磁场辐射耦合，大都可归结为以上两种类型。

2）公共阻抗传导耦合两电路(m和n)之间存在有公共阻抗时，回路m上传导电流的变化将会引起回路n电压变化。公共阻抗包括设备安全地和接地网络中的公共阻抗（公共阻抗主要是公共电阻以及电气连线的寄生电感）。公共阻抗耦合的本质属于直接传导耦合，干扰源是di/dt，造成的干扰表现为差模电压e，即

e_m=Z_m,ni；e_n=Z_n,mi（3）

2.2 外部环境对开关电源的EMI

主要来自2个方面。

1）来自电网中各种高频谐波及瞬态噪声，主要以传导耦合方式进入开关电源并对电路正常工作进行干扰，通常也被称为瞬态干扰。

瞬态干扰表现为交流电网上出现的浪涌电压、振铃电压、火花放电等瞬间干扰信号，其特点是作用时间极短，但电压幅度高、瞬态能量大，多在时域范围内对其描述和分析。在国际电工委员会制定的标准中，浪涌电压和振铃电压典型值峰值[5]为V_p=3000V。如果耦合到输入滤波电容，超过MOSFET源、漏极额定耐压值V_DS(limit)，将会击穿MOS管或者通过变压器耦合到输出端造成其他危害。

2）作为大功率逆变器的一个子系统，辅助电源还会受到逆变器主功率电路发出的高频电磁噪声辐射。辐射能量很可能通过多种途径进入辅助电源，干扰电路正常工作。

3 EMC设计对策

在进行EMC设计时，考虑到反激式多路输出电源电磁干扰以及电源包括两组子系统的特点，EMC设计应贯穿于实验、设计、调试的始终，包括项目设计前预先考虑到的措施，实验中遇到问题后有针对性地采取的措施，以及经过比较的其它方案。

3.1 减弱差模辐射耦合

如图2所示，耦合途径为寄生磁耦合电感M通过干扰源产生的噪声磁场与被干扰回路发生磁通铰链而形成。设噪声磁场的磁通密度为B，穿过一个闭合面积为S的回路，则在该回路感生出干扰电压e，即

e=（4）