隔离偏置变压器寄生电容如何影响 EMI 性能

小型隔离电源为从电动汽车牵引逆变器到工厂控制模块等应用中的隔离栅提供电力。在本电源提示中，我将研究不同的隔离式偏置电源拓扑及其电磁干扰 (EMI) 性能。正如您将看到的，隔离变压器上的寄生电容是共模噪声传播的主要因素。

小型隔离电源为从电动汽车牵引逆变器到工厂控制模块等应用中的隔离栅提供电力。在本电源提示中，我将研究不同的隔离式偏置电源拓扑及其电磁干扰 (EMI) 性能。正如您将看到的，隔离变压器上的寄生电容是共模噪声传播的主要因素。
在牵引逆变器中，栅极驱动器驱动高功率开关——通常是绝缘栅双极晶体管 (IGBT) 或碳化硅 (SiC) MOSFET——在高压电池和电机之间转换能量（见图 1 ）。栅极驱动器通常是隔离的，栅极驱动器 IC 的一部分连接到低压域（初级侧），另一部分连接到高压域（次级侧）。栅极驱动控制信号来自初级侧的微控制器，并传递到次级侧以打开和关闭电源开关。

隔离式栅极驱动器的次级侧需要隔离电源来驱动功率开关的开通和关断（见图2）。

图 2 隔离偏置电源跨过隔离栅为隔离栅极驱动器提供电源。资料德州仪器

隔离式偏置电源的额定功率通常相当低，小于 10 W。下面的公式将其功率要求估算为：
P DRV = V DRV x Q g x F SW(1)
其中 V DRV是栅极驱动电压，Q g是开关栅极电荷，F SW是开关的开关频率（不是隔离偏置电源开关频率）。栅极驱动电压取决于您选择的开关，但通常在正电源轨上的范围为 +15V 至 +25V，在负电源轨上的范围为 –8V 至 0V。
隔离式偏置电源的常见拓扑包括反激式、推挽式和电感器-电感器-电容器 (LLC)。一些完全集成的电源模块（包括封装中的变压器）在初级侧使用全桥配置。反激式转换器，例如德州仪器 (TI) 的LM5180-Q1，众所周知，提供良好的输出电压调节，相当高效，可以在没有光耦合器的情况下进行设计（使用初级侧调节），并且可以具有多个隔离输出。它们的缺点是频率范围 (<350 kHz) 受到限制并且变压器尺寸较大。推挽式转换器，例如 TI 的SN6507-Q1和 LLC 转换器，例如 TI 的UCC25800-Q1，很简单，但没有闭环反馈。因此，输出电压调节会受到影响，可能需要预调节器、后调节器或两者都需要。集成电源模块（例如 TI 的UCC14341-Q1）可以调节输出电压，并且简单且体积小，但其缺点是功率输出有限（通常<1.5 W）且效率比其他选项低。
您可能会遇到的一个问题是关于不同拓扑的 EMI 性能：某些拓扑对电磁兼容性结果有或多或少的影响？为了解决这些问题，我们首先检查一下隔离变压器。变压器的绕组之间确实存在一些寄生电容，当牵引逆变器开关节点（V SW) 在 HV+ 和 HV– 节点之间切换。在开关转换期间，共模电流的短脉冲对寄生电容进行充电或放电。共模电流与寄生电容和开关节点压摆率 (dv/dt) 成正比。大电容或更快的开关节点转换速率（正如您在氮化镓 (GaN) 和 SiC 等宽带隙半导体中可能看到的那样）将导致更多的共模电流。图 3突出显示了该寄生电容以及用于对其充电和放电的共模电流。

图 3当开关节点 (V SW ) 转换时，共模电流对变压器寄生电容充电。资料德州仪器

转换器拓扑确实会影响变压器设计以及由此产生的寄生电容。反激式转换器变压器（或耦合电感器，如果您喜欢这种命名法）设计为在初级侧和次级侧之间具有强耦合，以减少漏感。漏感会导致缓冲电路中出现不必要的电压尖峰和功率损耗。低漏感设计的不幸影响是绕组间电容通常会增加，并且可能达到 20 pF 或更高。另一方面，可以将 LLC 转换器设计为在其谐振回路中使用变压器的漏感。因此，您无需设计变压器即可限度地减少漏感；它们的寄生电容约为 2 pF。正如您将看到的，这有助于减少共模电流。
表 1显示了对四种隔离偏置拓扑进行研究的一些参数，以通过实验验证变压器寄生电容对共模电流的影响。所有转换器均设计用于 15V输入、15V输出、1.5W 应用。每种拓扑的开关频率均基于典型值，并相应设计变压器。如您所见，反激式转换器变压器具有的漏感和的寄生电容。LLC 转换器变压器具有的漏感和的寄生电容。
表 1四个示例隔离偏置电源转换器的变压器参数。资料德州仪器
比较这些隔离式偏置电源拓扑需要执行一系列广泛的测试：效率、负载调节、输入和输出纹波、热量以及传导和辐射 EMI。为了重点关注系统中隔离接地之间测量的共模电流，我的同事在两个接地之间连接了一根电线，并测量了高功率开关时的共模电流（在本例中，GaN 半桥使用LMG3522R030-Q1 ) 在 400V 电压下开启和关闭。图 4和图 5分别显示了高压开关节点压摆率 40V/ns 和 100V/ns 时的结果。

图 4开关节点上 40V/ns 压摆率下的共模电流比较。通道 1 是高压开关节点 (200 V/div)，通道 2 是共模电流 (500 mA/div)。资料德州仪器

图 5开关节点上 100V/ns 压摆率下的共模电流比较。通道 1 是高压开关节点 (200 V/div)，通道 2 是共模电流 (500 mA/div)。资料德州仪器

测量结果表明，反激变压器的共模电流（40V/ns 和 100V/ns 压摆率时分别为 935mA 和 1,420mA）。这是可以预料的，因为变压器具有的寄生电容。由于 LLC 转换器的寄生电容，因此测得的共模电流（40V/ns 和 100V/ns 压摆率时为 197mA 和 570mA）。大的共模电流尖峰是有害的，因为它们会将噪声从高压域传导到低压域，导致接地反弹；并可能导致转换器运行不良，包括跳过脉冲、失去调节或意外停机。
共模电流尤其难以缓解。解决共模电流问题的方法之一是首先避免产生共模电流。虽然这里讨论的应用是电动汽车中的牵引逆变器，但这些原理也适用于并网转换器和服务器电源等应用。