单相PWM变换器传导EMI的分析与抑制

在开关电源中，储能元件(变压器、电感和电容)的尺寸随着开关频率的增加成近似线性的减小。因而，高度集成开关电源一般需要高开关频率和快速半导体设备。但是，高开关频率将伴随电压和电流的变化率(dv/dt和di/dt)增加，这将直接影响开关电源的电磁兼容性。与此同时，EMI滤波器的效能会因为高频寄生参数的影响而削弱，导致不能有效地滤出电源回路产生的高频EMI噪声。近年来，随着EMC标准的不断严格，对EMI的考虑也变得非常重要。目前，关于PWM变换器的EMI噪声的理论分析的文章有很多。但是，对于EMI噪声的产生和传导途径并没有比较全面而深入的研究。因而，EMI噪声，尤其是经过旁路电容流向系统地的共模干扰电流很值得我们研究。

本文通过寄生电感和电容来建立变换器电路模型，对共模和差模干扰的基本模型进行了分析。详细讲述了降低PWM变换器EMI的CM和DM滤波器的设计方法。

一、变换器的高频寄生参数模型

图1为基于IGBT的全桥PWM变换器电路。为了简化分析过程，变压器没有在图1中表示出来。为了对EMI滤波器进行预测和计算，必须建立准确的高频模型。其模型具体包括元器件模型、滤波器模型和导线模型。

图1PWM变换器电路图

1.元器件模型

图2为完整的IGBT等效电路。由图可知，电路包括了内部和外部导线电感和IGBT集电极与模型金属底座之间的电容。这些电容导致高频漏电流流向连接散热设备的金属底座。散热设备一般是良好接地以确保安全。IGBT设备是通过小的电子绝缘材料安放在金属底座上。为了使温度电阻尽可能小，其绝缘层要尽可能的薄，并且IGBT集电极与模型金属底座之间的旁路电容要尽可能的大。

图2IGBT寄生参数等效电路

2.滤波器模型

滤波器效率不仅受滤波器的类型影响，也受滤波器组成阻抗与附近器件阻抗不同的影响。为了提高滤波器效率，本身的阻抗与附近器件阻抗必须有很大的不同。例如，如果滤波器有较小的容性阻抗，较多的高频噪声电流将通过。如果滤波器有较大的感性阻抗则较多的高频噪声电压将被分开。但是，滤波器在高频状态下的阻抗往往不是我们所想象的这样的。

图3滤波器寄生参数

有很多寄生参数将对滤波器产生影响，首先讨论电容的寄生参数对滤波器的影响。图3(a)是一个简单的等效电路，电感Llead为电路的导线电感，Rs为等效电阻。图3b是电容阻抗大小的波德图，频率 f0()是电容的自适应频率。当频率从dc逐渐增大时，电容C的阻抗将线性减小-20dB/dec，在f0以上，电感的阻抗将线性增大+20db/dec。因此，如果电容的f0越大，导线电感将越小，则对于固定电容值的电容将有更好的效果。为了提高电容的效能，电容的引脚应尽可能的短。如果将电容值增大不但不能减小EMI，反而增加电路的EMI，其自适应频率是主要的原因。典型的频率如下：电解电容为1KHz，陶瓷电容为100KHz，聚脂薄膜电容为1MHz，塑胶电容为10MHz，聚脂陶瓷电容为100MHz。

电感上的寄生参数对EMI滤波器的影响也是很大的。典型的等效电路如图3(c)所示。Cpara和Rpara 表示电感的寄生电容和等效串联电阻。图3(d)是阻抗大小的波德图。在小于f1时电感表现为电阻性，在f1与f0()表现为感性，大于f0表现为容性。因此可以等出结论，电感f0越大，频率带越宽。类似于电容，寄生电容值越小，电感将有更好的性能。

3.导线模型

导线模型包括支线和母线。支线有导线电感，大约为1uH/m。如果支线较短，其寄生电容可以不用考虑。因此，连结线应该是越短越好。从实验结果可知，当输入输出电缆长度超过5m时，寄生电容将不能忽视。母线经常是用于联结直流电源与两IGBT引脚。其引线电感L一般比较小，但di/dt常常比较大，因此会非常大，这就是导致差模干扰的主要原因。

二、EMI噪声

EMI噪声主要包括两个部分：差模干扰和共模干扰。差模干扰电流一般是由导线流向中性点或者由中性点流向导线，共模干扰电流通常流入电路与保护地之间的寄生电容上[4]。由于输入端一般加有输入差模滤波器，共模EMI一般比差模EMI要大很多。