基于补偿原理的正激式变换器传导共模EMI抑制

摘要：本文分析了开关电源共模EMI产生原因及传播方式,介绍了传统共模EMI抑制方法的特点，并且针对正激式变换器分析了共模EMI传播模型，提出了利用补偿原理抑制正激式变换器共模EMI的方法。

叙词：正激式变换器 无源补偿 共模EMI抑制 寄生电容

Abstract：The generant reason and transimission method of CM EMI in switch power supply is analyzed in this paper. The method of suppress the traditional CM EMI is introduced . Aiming at the forward converter ,this paper analyzes the model that the CM EMI generate. A solution which uses passive compensation is proposed to suppress the CM EMI in the forward converter.

Keyword：Forward converter, Passive Compensation, CM EMI Suppression, Stray capacitance

1 引言

随着电力电子器件的广泛应用，功率变换器的开关频率越来越高，结构越来越紧凑，使得电磁干扰(Electromagnetic Interference，EMI)问题越来越严重。EMI信号不但具有很宽的频率范围，还具有一定的幅度，经传导和辐射会污染电磁环境，对通信设备和电子产品造成干扰。所以，如何降低甚至消除开关电源中的EMI问题已经成为开关电源设计中重要的问题。抑制共模干扰的通常方法是在输入线上串接较大的磁扼流线圈，但是这样就破坏了变换器的整体外形结构。本文首先分析了开关电源共模EMI产生机理和传统共模EMI抑制技术，在此基础上，针对正激式变换器，介绍了基于补偿原理的共模EMI抑制方法。即采取了一种用一个补偿变压器绕组和一个补偿电容来消除共模电磁干扰的方法，同其它的方法相比，结构更为简单且是无源结构，仅需要增加一个小的绕组和一个小电容。

2 开关电源共模EMI产生原因及传播方式

开关电源工作在高频情况时，由于du/dt很高，激发变压器线圈间寄生电容Ct以及开关管与散热片间的寄生电容Cq产生噪声电流，从而产生了共模干扰，如图1所示。共模干扰电流从具有较高du/dt的开关管出发，流经接地散热片和地线，再由高频LISN网络(由两个50Ω电阻等效)流回输入线路。

3 传统共模EMI抑制电路

传统的共模干扰抑制电路如图2所示。为了使滤波电容Cy流入地的漏电流维持在安全范围，Cy的值都较小，相应的扼流线圈电感Lcm就变大，特别是由于Lcm要传输全部的功率，其损耗、体积和重量都会变大。应用无源补偿技术，则可以在不影响主电路工作的情况下，较好的抑制电路的共模干扰，并可以减小Lcm的体积和重量而节省成本。

4 补偿原理及其应用

4.1 补偿原理

电力电子装置中，由于共模干扰是由开关管器件在高频通断时所产生的对地电流Cdu/dt。因此，用一个额外变压器绕组在补偿电容上产生一个180°的反向电压，产生的补偿电流再与寄生电容上的干扰电流叠加，从而消除干扰，这就是无源补偿的原理。

4.2共模EMI耦合通道模型分析

图3是正激式变换器共模EMI传输通道的原理图。LISN模块是用来测量传导发射的标准电路(由两个50Ω电阻等效)，电容Cpara、Ct和Cout是用虚线表示的分布电容，其中Cpara表示变压器原边、功率开关管和散热片的对地分布电容，Ct表示原边与副边的耦合电容，Cout表示负载对地分布电容。开关管在开通与关断时产生电位跳变，变化的电位经对地耦合电容形成共模噪声电流，如图3所示。共模电流分两路流向大地，一路经散热片和开关管的对地电容Cpara，另一路流经变压器耦合电容Ct和副边对地电容Cout。

图4是原边共模噪声的等效电路。由于副边输出电压较低，其产生的共模噪声可以忽略。由于开关管与散热片接触面积很大而间距很小，所以两者间的分布电容高达数10nF，如果散热片直接接地，共模噪声将会沿此分布电容与LISN阻抗构成回路，造成严重的共模噪声。

当开关管寄生电容Cpara远远大于原边与副边耦合电容Ct时，寄生电容Cpara是噪声的主要传播通道，简化电路如图5所示。根据原边共模噪声电流流经途径可以看出，只要在原电路上加一个与噪声源相反的电压，通过补偿电容产生同样大小的反向电流，就可以抑制共模EMI。

4.3 外加补偿电容抑制共模噪声

图6为加入补偿电路的正激式变换电路。该电路最突出的特点是可利用其自身的磁复位线圈作为补偿线圈，匝数与原边绕组一样，外加补偿电容，可以方便地实现补偿。补偿电容Ccomp的大小则与寄生电容Cpara一样，工作时的Nc使Ccomp产生一个与Cpara上干扰电流大小相同、方向相反的补偿电流，叠加后消除了干扰电流。补偿电流不流过全部的功率，仅传输干扰电流，补偿电路十分简单。

由于正激变换器有其自身的去磁绕组，这样就省去了外加补偿线圈，只需外加一个补偿电容，便可以实现共模EMI的改善和抑制。图7为加入了补偿电容的共模电流流通简化电路。

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需要特别指出的是，无源补偿技术有一定的应用条件，它受开关电流、电压的上升和下降时间，以及变压器结构等因素的影响。尤其对于此补偿电路，应用条件有一定限制，当变压器的线间耦合电容远大于开关管寄生电容时，干扰电流不经过补偿电容而是通过变压器耦合电容直接进入大地，此时抑制效果就不是很理想。

5 结语

本文通过分析典型开关电源共模EMI传播耦合方式、传统共模EMI抑制方法以及正激式变换器共模EMI耦合通道模型，提出了利用无源补偿原理对正激式变换器共模EMI进行抑制的方法。该方法受一定的应用条件限制，但补偿电路结构简单，实现方便，有一定的指导意义。

参考文献

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