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  • 開關(guān)電源中開關(guān)管與二極管EMI抑制方法分析
    • 發(fā)布時間:2019-12-06 16:34:35
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    開關(guān)電源中開關(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電子設(shè)備通過傳導(dǎo)或輻射到另一個電子設(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)用于計算機、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——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(dǎo)和輻射會污染電磁環(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。
    2、開關(guān)管及二極管EMI產(chǎn)生機理
    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)時還會產(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,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,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,而會出現(xiàn)一個快速的上沖。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)制需要一定的時間tr。該電壓上沖會導(dǎo)致一個寬帶的電磁噪聲。而在關(guān)斷時,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,PN結(jié)開始反向恢復(fù),在t1-t2時間內(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)。這時管壓降又出現(xiàn)一個負(fù)尖刺。通常t2《t1,所以該尖峰是一個非常窄的尖脈沖,產(chǎn)生的電磁噪聲比開通時還要強。因此,整流二極管的反向恢復(fù)干擾也是開關(guān)電源中的一個重要干擾源。
    開關(guān)管與二極管
    開關(guān)管與二極管
    3、EMI抑制方法
    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。
    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關(guān)在斷開時為開關(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)點就是結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜、便于實施,所以是常用的抑制電磁干擾的方法。
    開關(guān)管與二極管
    (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。
    3.2串接可飽和磁芯線圈
    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磁芯飽和,電感量很小,不會影響電路正常上作。一旦電流要反向時,磁芯線圈將產(chǎn)生很大的反電動勢,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(tǒng)準(zhǔn)諧振技術(shù)
    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)通時電流浪涌與斷開時電壓浪涌的發(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)斷時間中儲存在中的能量必須在開關(guān)開通時釋放掉。它的平均損耗為:
    開關(guān)管與二極管
    由此公式可以看出,減小會導(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。
    開關(guān)管與二極管
    開關(guān)管與二極管
    圖8為LLC串聯(lián)諧振的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。從圖中可以看出,兩個主開關(guān)Ql和Q2構(gòu)成一個半橋結(jié)構(gòu),其驅(qū)動信號是固定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(gòu)成一個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,同時由于諧振電流的存在,半橋上下兩個主開關(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,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。
    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,頻率提高;當(dāng)輸出負(fù)載增大時,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(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)點已在上面進行了分析。
    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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