应用副边谐振技术的单端反激式变换器,可有效降低电磁干扰

陈强、陈章勇 等?电工技术学报

http://dgjsxb.ces-transaction.com/CN/abstract/abstract5704.shtml

摘要

电子科技大学自动化工程学院电动汽车动力系统与安全技术研究所的研究人员陈强、陈章勇、陈勇,在2019年第4期《电工技术学报》上撰文(论文标题为“基于副边谐振技术的单端反激式变换器EMI分析”),针对传统单端变换器中电压和电流变化率大、电磁干扰严重的问题,研究一种基于副边谐振技术的单端反激式变换器,在应用副边谐振技术后,该变换器谐振电容电压的影响和励磁电感的设计可使开关管电压、电流应力降低,谐振腔的位置设计将整流二极管和谐振二极管的端电压钳位在输出电压,合适大小的谐振周期可以使谐振二极管实现零电流关断。


本文分析断续导通模式下副边谐振变换器的噪声耦合路径、等效模型、噪声优化理论。分析结果表明:引入副边谐振技术后,共模噪声源减小,合理设计谐振腔可增大等效阻抗,进一步减小共模电压;相比传统反激变换器,励磁电感设计得更大,从而降低变压器的电流纹波,减小差模噪声。搭建仿真模型和60W实物样机,实验验证了副边谐振技术可以有效降低电磁干扰水平。

当前,随着对开关电源高频化、小型化、模块化的研究不断深入,电磁干扰(Electromagnetic Interference, EMI)问题成为不可忽视的一个重要方面。解决EMI的方法有很多,最常用可靠的方法是在系统输入端加入EMI滤波器,可以阻断EMI传播路径,甚至消除EMI噪声,但EMI滤波器存在体积大、成本高等缺点,设计时须考虑阻抗失配原则,增加了其设计难度。


有一种技术是通过随机调制脉宽调制(Pulse Width Modulation, PWM)的频率,如混沌调制技术、双频率控制技术等方法,可以根本性地降低EMI水平。文献[8]就采用了频率调制的方法,发现该技术能均匀分散噪声频谱的峰值能量,但传导干扰的总量不变。这种拓展频带的技术可以将噪声的峰值能量均匀分散,对EMI的优化效果显着,不过容易造成系统的不稳定,频率抖动范围较大时反而会造成EMI噪声升高。


软开关技术通过降低系统产生的du/dt和di/dt改善EMI噪声。这类技术设计初期的目的是降低开关损耗,提高电源效率,顺带着降低EMI水平。文献[14]提出了一种移相软开关变换器,不仅实现了零电压开通(Zero Voltage Switching, ZVS),共模干扰还降低了10~20dB V。不过软开关技术根据应用拓扑的不同,实现方案多种多样,是否可以降低EMI水平不能一概而论,需要对特定拓扑和特定软开关方案做进一步研究。


文献[15,16]提出了副边谐振思想,但仅是研究其软开关特性,并未研究其EMI水平。本文在反激变换器中引入副边谐振技术研究其EMI水平的变化。只需在反激拓扑的副边增加一只小电容和一只二极管,利用副边漏感即可构造谐振支路。


在分析了副边谐振变换器的工作模态、EMI的噪声源及耦合路径的基础上,推导出EMI优化理论。搭建一组仿真模型和60W实物样机,采集功率器件的电压/电流波形并计算频谱与传统反激变换器做对比分析,实验结果发现该技术有效降低了EMI水平。


结论

本文研究了副边谐振反激变换器,阐述了其工作模态,基于主功率器件的高频模型分析出EMI噪声源及其耦合路径,根据等效模型推导出共模电压和差模电压的计算公式并对比分析了其优化理论。分析结果表明:副边谐振技术减小了共模噪声源,合理的谐振腔设计可增大传输中的等效阻抗进一步减小共模噪声;一次电流纹波的降低减小了差模噪声。


实验结果发现,副边谐振技术有效减小了低频段EMI频谱幅值,仿真中最高减小共模噪声12dB V,差模噪声8dB V,PCB实验中开关管处最高降低3.25V,整流二极管处最高降低6.8V,变压器处最高降低了0.9A。因此,副边谐振单端反激式变换器具有效率高、EMI水平低的优势,在中小功率场合具有广泛的应用前景。






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