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      6. 開(kāi)關(guān)電源中開(kāi)關(guān)管與二極管EMI抑制方法分析
        • 發(fā)布時(shí)間:2019-12-06 16:34:35
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        開(kāi)關(guān)電源中開(kāi)關(guān)管與二極管EMI抑制方法分析
        1、引言
        電磁干擾(EMI)就是電磁兼容不足,是破壞性電磁能從一個(gè)電子設備通過(guò)傳導或輻射到另一個(gè)電子設備的過(guò)程。近年來(lái),開(kāi)關(guān)電源以其頻率高、效率高、體積小、輸出穩定等優(yōu)點(diǎn)而迅速發(fā)展起來(lái)。開(kāi)關(guān)電源已逐步取代了線(xiàn)性穩壓電源,廣泛應用于計算機、通信、自控系統、家用電器等領(lǐng)域。但是由于開(kāi)關(guān)電源工作在高頻狀態(tài)及其高di/dt和高dv/dt,使開(kāi)關(guān)電源存在非常突出的缺點(diǎn)——容易產(chǎn)生比較強的電磁干擾(EMI)信號。EMI信號不但具有很寬的頻率范圍,還具有一定的幅度,經(jīng)傳導和輻射會(huì )污染電磁環(huán)境,對通信設備和電子產(chǎn)品造成干擾。所以,如何降低甚至消除開(kāi)關(guān)電源中的EMI問(wèn)題已經(jīng)成為開(kāi)關(guān)電源設計師們非常關(guān)注的問(wèn)題。本文著(zhù)重介紹開(kāi)關(guān)電源中開(kāi)關(guān)管及二極管EMI的四種抑制方法。
        2、開(kāi)關(guān)管及二極管EMI產(chǎn)生機理
        開(kāi)關(guān)管工作在硬開(kāi)關(guān)條件下開(kāi)關(guān)電源自身產(chǎn)生電磁干擾的根本原因,就是在其工作過(guò)程中的開(kāi)關(guān)管的高速開(kāi)關(guān)及整流二極管的反向恢復產(chǎn)生高di/dt和高dv/dt,它們產(chǎn)生的浪涌電流和尖峰電壓形成了干擾源。開(kāi)關(guān)管工作在硬開(kāi)關(guān)時(shí)還會(huì )產(chǎn)生高di/dt和高dv/dt,從而產(chǎn)生大的電磁干擾。圖1繪出了接感性負載時(shí),開(kāi)關(guān)管工作在硬開(kāi)關(guān)條件下的開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)軌跡,圖中虛線(xiàn)為雙極性晶體管的安全工作區,如果不改善開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)條件,其開(kāi)關(guān)軌跡很可能會(huì )超出安全工作區,導致開(kāi)關(guān)管的損壞。由于開(kāi)關(guān)管的高速開(kāi)關(guān),使得開(kāi)關(guān)電源中的高頻變壓器或儲能電感等感性負載在開(kāi)關(guān)管導通的瞬間,迫使變壓器的初級出現很大的浪涌電流,將造成尖峰電壓。開(kāi)關(guān)管在截止期間,高頻變壓器繞組的漏感引起的電流突變,從而產(chǎn)生反電勢E=-Ldi/dt,其值與電流變化率(di/dt)成正比,與漏感量成正比,疊加在關(guān)斷電壓上形成關(guān)斷電壓尖峰,從而形成電磁干擾。此外,開(kāi)關(guān)管上的反向并聯(lián)二極管的反向恢復特性不好,或者電壓尖峰吸收電路的參數選擇不當也會(huì )造成電磁干擾。由整流二極管的反向恢復引起的干擾源有兩個(gè),它們分別是輸入整流二極管和輸出整流二極管。它們都是由電流的換向引起的干擾。由圖2表明,t0=0時(shí)二極管導通,二極管的電流迅速增大,但是其管壓降不是立即下降,而會(huì )出現一個(gè)快速的上沖。其原因是在開(kāi)通過(guò)程中,二極管PN結的長(cháng)基區注入足夠的少數載流子,發(fā)生電導調制需要一定的時(shí)間tr。該電壓上沖會(huì )導致一個(gè)寬帶的電磁噪聲。而在關(guān)斷時(shí),存在于PN結長(cháng)基區的大量過(guò)剩少數載流子需要一定時(shí)間恢復到平衡狀態(tài)從而導致很大的反向恢復電流。當t=t1時(shí),PN結開(kāi)始反向恢復,在t1-t2時(shí)間內,其他過(guò)剩載流子依靠復合中心復合,回到平衡狀態(tài)。這時(shí)管壓降又出現一個(gè)負尖刺。通常t2《t1,所以該尖峰是一個(gè)非常窄的尖脈沖,產(chǎn)生的電磁噪聲比開(kāi)通時(shí)還要強。因此,整流二極管的反向恢復干擾也是開(kāi)關(guān)電源中的一個(gè)重要干擾源。
        開(kāi)關(guān)管與二極管
        開(kāi)關(guān)管與二極管
        3、EMI抑制方法
        di/dt和dv/dt是開(kāi)關(guān)電源自身產(chǎn)生電磁干擾的關(guān)鍵因素,減小其中的任何一個(gè)都可以減小開(kāi)關(guān)電源中的電磁干擾。由上述可知,di/dt和dv/dt主要是由開(kāi)關(guān)管的快速開(kāi)關(guān)及二極管的反向恢復造成的。所以,如果要抑制開(kāi)關(guān)電源中的EMI就必須解決開(kāi)關(guān)管的快速開(kāi)關(guān)及二極管的反向恢復所帶來(lái)的問(wèn)題。
        3.1并接吸收裝置
        采取吸收裝置是抑制電磁干擾的好辦法。吸收電路的基本原理就是開(kāi)關(guān)在斷開(kāi)時(shí)為開(kāi)關(guān)提供旁路,吸收蓄積在寄生分布參數中的能量,從而抑制干擾發(fā)生。常用的吸收電路有RC、RCD。此類(lèi)吸收電路的優(yōu)點(diǎn)就是結構簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜、便于實(shí)施,所以是常用的抑制電磁干擾的方法。
        開(kāi)關(guān)管與二極管
        (1)并接RC電路: 
        在開(kāi)關(guān)管T兩端加RC吸收電路,如圖3所示。在二次整流回路中的整流二極管D兩端加RC吸收電路,如圖5所示,抑制浪涌電流。
        (2)并接RCD電路
        在開(kāi)關(guān)管T兩端加RCD吸收電路,如圖4所示。
        3.2串接可飽和磁芯線(xiàn)圈
        二次整流回路中,與整流二極管D串接可飽和磁芯的線(xiàn)圈,如圖5所示??娠柡痛判揪€(xiàn)圈在通過(guò)正常電流時(shí)磁芯飽和,電感量很小,不會(huì )影響電路正常上作。一旦電流要反向時(shí),磁芯線(xiàn)圈將產(chǎn)生很大的反電動(dòng)勢,阻止反向電流的上升。因此,將它與二極管D串聯(lián)就能有效地抑制二極管D的反向浪涌電流。
        3.3傳統準諧振技術(shù)
        一般來(lái)說(shuō),可以采用軟開(kāi)關(guān)技術(shù)來(lái)解決開(kāi)關(guān)管的問(wèn)題,如圖6所示。圖6給出了開(kāi)關(guān)管工作在軟開(kāi)關(guān)條件下的開(kāi)關(guān)軌跡。軟開(kāi)關(guān)技術(shù)主要減小開(kāi)關(guān)管上的開(kāi)關(guān)損耗,也可以抑制開(kāi)關(guān)管上的電磁干擾。在所有的軟開(kāi)關(guān)技術(shù)中,準諧振抑制開(kāi)關(guān)管上電磁干擾的效果比較好,所以本文以準諧振技術(shù)為例,介紹軟開(kāi)關(guān)技術(shù)抑制EMI。所謂準諧振就是開(kāi)關(guān)管在電壓谷底開(kāi)通,見(jiàn)圖7。開(kāi)關(guān)中寄生電感與電容作為諧振元件的一部分,可完全控制開(kāi)關(guān)導通時(shí)電流浪涌與斷開(kāi)時(shí)電壓浪涌的發(fā)生。采用這種方式不僅能把開(kāi)關(guān)損耗減到很小,而且能降低噪聲。谷底開(kāi)關(guān)要求關(guān)斷時(shí)間中儲存在中的能量必須在開(kāi)關(guān)開(kāi)通時(shí)釋放掉。它的平均損耗為:
        開(kāi)關(guān)管與二極管
        由此公式可以看出,減小會(huì )導致大大降低,從而減小開(kāi)關(guān)上的應力,提高效率,減小dv/dt,即減小EMI。
        開(kāi)關(guān)管與二極管
        開(kāi)關(guān)管與二極管
        圖8為L(cháng)LC串聯(lián)諧振的拓撲結構。從圖中可以看出,兩個(gè)主開(kāi)關(guān)Ql和Q2構成一個(gè)半橋結構,其驅動(dòng)信號是固定50%占空比的互補信號,電感Ls、電容Cs和變壓器的勵磁電感Lm構成一個(gè)LLC諧振網(wǎng)絡(luò )。在LLC串聯(lián)諧振變換器中,由于勵磁電感Lm串聯(lián)在諧振回路中,開(kāi)關(guān)頻率可以低于LC的本征諧振頻率fs,而只需高于LLC的本征諧振頻率fm便可實(shí)現主開(kāi)關(guān)的零電壓開(kāi)通。所以,LLC串聯(lián)諧振可以降低主開(kāi)關(guān)管上的EMI,把電磁輻射干擾(EMI)減至最少。在LLC諧振拓撲中,只要諧振電流還沒(méi)有下降到零,頻率對輸出電壓的調節趨勢就沒(méi)有變,即隨著(zhù)頻率的下降輸出電壓將繼續上升,同時(shí)由于諧振電流的存在,半橋上下兩個(gè)主開(kāi)關(guān)的零電壓開(kāi)通條件就得以保證。因此,LLC諧振變換器的工作頻率有一個(gè)下限,即Cs與Ls和Lm的串聯(lián)諧振頻率fm。在工作頻率范圍fm<f<fs內,原邊的主開(kāi)關(guān)均工作在零電壓開(kāi)通的條件下,并且不依賴(lài)于負載電流的大小。同時(shí),副邊的整流二極管工作在斷續或臨界斷續狀態(tài)下,整流二極管可以零電流條件下關(guān)斷,其反向恢復的問(wèn)題得以解決,不再有電壓尖峰產(chǎn)生。
        4、抑制方法對比分析研究
        采用并聯(lián)RC吸收電路和串聯(lián)可飽和磁芯線(xiàn)圈均為簡(jiǎn)單常用的方法,主要是抑制高電壓和浪涌電流,起到吸收和緩沖作用,其對EMI的抑制效果相比準諧振技術(shù)與LLC串聯(lián)諧振技術(shù)較差。下面著(zhù)重對準諧振技術(shù)與LLC串聯(lián)諧振技術(shù)進(jìn)行比較分析。在準諧振中加入RCD緩沖電路,即由二極管,電容器和電阻組成的尖峰電壓吸收電路,其主要作用是用來(lái)吸收MOSFET功率開(kāi)關(guān)管在關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生的上升沿尖峰電壓能量,減少尖峰電壓幅值,防止功率開(kāi)關(guān)管過(guò)電壓擊穿。但是,這樣將會(huì )增加損耗,而且由于緩沖電路中采用了二極管,也將增加二極管的反向恢復問(wèn)題。由上述分析可以看出,準諧振技術(shù)主要減小開(kāi)關(guān)管上的開(kāi)關(guān)損耗,也可以抑制開(kāi)關(guān)管上的電磁干擾,但是它不能抑制二極管上的電磁干擾,而且當輸入電壓增大時(shí),頻率提高;當輸出負載增大時(shí),頻率降低,所以它的抑制效果不是很好,一般不能達到人們所希望的結果。所以如果想得到更好的抑制效果,必須解決二極管上的反向恢復問(wèn)題,這樣抑制效果才能令人們滿(mǎn)意。LLC串聯(lián)諧振拓撲結構比準諧振抑制EMI的效果好。其優(yōu)點(diǎn)已在上面進(jìn)行了分析。
        5、結語(yǔ)
        隨著(zhù)開(kāi)關(guān)電源技術(shù)的不斷發(fā)展,其體積越來(lái)越小,功率密度越來(lái)越大,EMI問(wèn)題已經(jīng)成為開(kāi)關(guān)電源穩定性的一個(gè)關(guān)鍵因素。開(kāi)關(guān)電源內部開(kāi)關(guān)管及二極管是EMI主要發(fā)生源。本文主要介紹了四種抑制開(kāi)關(guān)管及二極管EMI的方法并進(jìn)行了分析對比,目的是找到更為有效的抑制EMI的方法。通過(guò)分析對比得出LLC串聯(lián)諧振技術(shù)的抑制效果較好,而且其效率隨電壓升高而升高,其工作頻率隨電壓變化較大,而隨負載的變化較小。
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