- 四種抑制開關(guān)管及二極管EMI的方法
- 并聯(lián)RC吸收電路和串聯(lián)可飽和磁芯線圈主要抑制高電壓和浪涌電流
- 準(zhǔn)諧振技術(shù)主要減小開關(guān)管上的開關(guān)損耗并抑制其電磁干擾
- LLC串聯(lián)諧振技術(shù)可以抑制開關(guān)管及二極管EMI
摘要：隨著電子技術(shù)的不斷進(jìn)步,開關(guān)電源向高頻化、高效化方向迅猛發(fā)展，EMI抑制已成為開關(guān)電源設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)。本文結(jié)合開關(guān)電源中開關(guān)管及二極管EMI產(chǎn)生機(jī)理，列舉出：并接吸收電路、串接可飽和磁芯線圈、傳統(tǒng)準(zhǔn)諧振技術(shù)、LLC串聯(lián)諧振技術(shù)四種抑制EMI的方法，并對其抑制效果進(jìn)行比較分析。
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(shè)備通過傳導(dǎo)或輻射到另一個(gè)電子設(shè)備的過程。近年來，開關(guān)電源以其頻率高、效率高、體積小、輸出穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)而迅速發(fā)展起來。開關(guān)電源已逐步取代了線性穩(wěn)壓電源，廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)、通信、自控系統(tǒng)、家用電器等領(lǐng)域。但是由于開關(guān)電源工作在高頻狀態(tài)及其高di/dt和高dv/dt，使開關(guān)電源存在非常突出的缺點(diǎn)——容易產(chǎn)生比較強(qiáng)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(dǎo)和輻射會(huì)污染電磁環(huán)境，對通信設(shè)備和電子產(chǎn)品造成干擾。所以，如何降低甚至消除開關(guān)電源中的EMI問題已經(jīng)成為開關(guān)電源設(shè)計(jì)師們非常關(guān)注的問題。本文著重介紹開關(guān)電源中開關(guān)管及二極管EMI的四種抑制方法。
開關(guān)管工作在硬開關(guān)條件下開關(guān)電源自身產(chǎn)生電磁干擾的根本原因，就是在其工作過程中的開關(guān)管的高速開關(guān)及整流二極管的反向恢復(fù)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。開關(guān)管工作在硬開關(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(fù)載時(shí)，開關(guān)管工作在硬開關(guān)條件下的開關(guān)管的開關(guān)軌跡，圖中虛線為雙極性晶體管的安全工作區(qū)，如果不改善開關(guān)管的開關(guān)條件，其開關(guān)軌跡很可能會(huì)超出安全工作區(qū)，導(dǎo)致開關(guān)管的損壞。由于開關(guān)管的高速開關(guān)，使得開關(guān)電源中的高頻變壓器或儲(chǔ)能電感等感性負(fù)載在開關(guān)管導(dǎo)通的瞬間，迫使變壓器的初級出現(xiàn)很大的浪涌電流，將造成尖峰電壓。開關(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，開關(guān)管上的反向并聯(lián)二極管的反向恢復(fù)特性不好，或者電壓尖峰吸收電路的參數(shù)選擇不當(dāng)也會(huì)造成電磁干擾。由整流二極管的反向恢復(fù)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(dǎo)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(xiàn)一個(gè)快速的上沖。其原因是在開通過程中，二極管PN結(jié)的長基區(qū)注入足夠的少數(shù)載流子，發(fā)生電導(dǎo)調(diào)制需要一定的時(shí)間tr。該電壓上沖會(huì)導(dǎo)致一個(gè)寬帶的電磁噪聲。而在關(guān)斷時(shí)，存在于PN結(jié)長基區(qū)的大量過剩少數(shù)載流子需要一定時(shí)間恢復(fù)到平衡狀態(tài)從而導(dǎo)致很大的反向恢復(fù)電流。當(dāng)t=t1時(shí)，PN結(jié)開始反向恢復(fù)，在t1-t2時(shí)間內(nèi)，其他過剩載流子依靠復(fù)合中心復(fù)合，回到平衡狀態(tài)。這時(shí)管壓降又出現(xiàn)一個(gè)負(fù)尖刺。通常t2《t1，所以該尖峰是一個(gè)非常窄的尖脈沖，產(chǎn)生的電磁噪聲比開通時(shí)還要強(qiáng)。因此，整流二極管的反向恢復(fù)干擾也是開關(guān)電源中的一個(gè)重要干擾源。
di/dt和dv/dt是開關(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主要是由開關(guān)管的快速開關(guān)及二極管的反向恢復(fù)造成的。所以，如果要抑制開關(guān)電源中的EMI就必須解決開關(guān)管的快速開關(guān)及二極管的反向恢復(fù)所帶來的問題。
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關(guān)在斷開時(shí)為開關(guān)提供旁路，吸收蓄積在寄生分布參數(shù)中的能量，從而抑制干擾發(fā)生。常用的吸收電路有RC、RCD。此類吸收電路的優(yōu)點(diǎn)就是結(jié)構(gòu)簡單、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。
（1）并接RC電路
在開關(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 在開關(guān)管T 兩端加RCD吸收電路,如圖4所示。
二次整流回路中,與整流二極管D串接可飽和磁芯的線圈,如圖5所示。可飽和磁芯線圈在通過正常電流時(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。
一般來說，可以采用軟開關(guān)技術(shù)來解決開關(guān)管的問題，如圖6所示。圖6給出了開關(guān)管工作在軟開關(guān)條件下的開關(guān)軌跡。軟開關(guān)技術(shù)主要減小開關(guān)管上的開關(guān)損耗，也可以抑制開關(guān)管上的電磁干擾。在所有的軟開關(guān)技術(shù)中，準(zhǔn)諧振抑制開關(guān)管上電磁干擾的效果比較好，所以本文以準(zhǔn)諧振技術(shù)為例，介紹軟開關(guān)技術(shù)抑制EMI。所謂準(zhǔn)諧振就是開關(guān)管在電壓谷底開通，見圖7。開關(guān)中寄生電感與電容作為諧振元件的一部分，可完全控制開關(guān)導(dǎo)通時(shí)電流浪涌與斷開時(shí)電壓浪涌的發(fā)生。采用這種方式不僅能把開關(guān)損耗減到很小，而且能降低噪聲。谷底開關(guān)要求關(guān)斷時(shí)間中儲(chǔ)存在中的能量必須在開關(guān)開通時(shí)釋放掉。它的平均損耗為，由此公式可以看出，減小會(huì)導(dǎo)致大大降低，從而減小開關(guān)上的應(yīng)力，提高效率，減小dv/dt，即減小EMI。
圖8為LLC串聯(lián)諧振的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。從圖中可以看出，兩個(gè)主開關(guān)Ql和Q2構(gòu)成一個(gè)半橋結(jié)構(gòu)，其驅(qū)動(dòng)信號是固定50％占空比的互補(bǔ)信號，電感Ls、電容Cs和變壓器的勵(lì)磁電感Lm構(gòu)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(lì)磁電感Lm串聯(lián)在諧振回路中，開關(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(xiàn)主開關(guān)的零電壓開通。所以，LLC串聯(lián)諧振可以降低主開關(guān)管上的EMI，把電磁輻射干擾(EMI)減至最少。在LLC諧振拓?fù)渲?，只要諧振電流還沒有下降到零，頻率對輸出電壓的調(diào)節(jié)趨勢就沒有變，即隨著頻率的下降輸出電壓將繼續(xù)上升，同時(shí)由于諧振電流的存在，半橋上下兩個(gè)主開關(guān)的零電壓開通條件就得以保證。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(nèi)，原邊的主開關(guān)均工作在零電壓開通的條件下，并且不依賴于負(fù)載電流的大小。同時(shí)，副邊的整流二極管工作在斷續(xù)或臨界斷續(xù)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(fù)的問題得以解決，不再有電壓尖峰產(chǎn)生。
采用并聯(lián)RC吸收電路和串聯(lián)可飽和磁芯線圈均為簡單常用的方法，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(zhǔn)諧振技術(shù)與LLC串聯(lián)諧振技術(shù)較差。下面著重對準(zhǔn)諧振技術(shù)與LLC串聯(lián)諧振技術(shù)進(jìn)行比較分析。在準(zhǔn)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，其主要作用是用來吸收MOSFET功率開關(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，防止功率開關(guān)管過電壓擊穿。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(fù)問題。由上述分析可以看出，準(zhǔn)諧振技術(shù)主要減小開關(guān)管上的開關(guān)損耗，也可以抑制開關(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(dāng)輸入電壓增大時(shí)，頻率提高；當(dāng)輸出負(fù)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(dá)到人們所希望的結(jié)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(fù)問題，這樣抑制效果才能令人們滿意。LLC串聯(lián)諧振拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)比準(zhǔn)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(jié)語
隨著開關(guān)電源技術(shù)的不斷發(fā)展，其體積越來越小，功率密度越來越大，EMI問題已經(jīng)成為開關(guān)電源穩(wěn)定性的一個(gè)關(guān)鍵因素。開關(guān)電源內(nèi)部開關(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(fù)載的變化較小。
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