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                        6. 開關電源中開關管與二極管EMI抑制方法分析
                          • 發布時間:2019-12-06 16:34:35
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                          開關電源中開關管與二極管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備通過傳導或輻射到另一個電子設備的過程。近年來,開關電源以其頻率高、效率高、體積小、輸出穩定等優點而迅速發展起來。開關電源已逐步取代了線性穩壓電源,廣泛應用于計算機、通信、自控系統、家用電器等領域。但是由于開關電源工作在高頻狀態及其高di/dt和高dv/dt,使開關電源存在非常突出的缺點——容易產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,經傳導和輻射會污染電磁環境,對通信設備和電子產品造成干擾。所以,如何降低甚至消除開關電源中的EMI問題已經成為開關電源設計師們非常關注的問題。本文著重介紹開關電源中開關管及二極管EMI的四種抑制方法。
                          2、開關管及二極管EMI產生機理
                          開關管工作在硬開關條件下開關電源自身產生電磁干擾的根本原因,就是在其工作過程中的開關管的高速開關及整流二極管的反向恢復產生高di/dt和高dv/dt,它們產生的浪涌電流和尖峰電壓形成了干擾源。開關管工作在硬開關時還會產生高di/dt和高dv/dt,從而產生大的電磁干擾。圖1繪出了接感性負載時,開關管工作在硬開關條件下的開關管的開關軌跡,圖中虛線為雙極性晶體管的安全工作區,如果不改善開關管的開關條件,其開關軌跡很可能會超出安全工作區,導致開關管的損壞。由于開關管的高速開關,使得開關電源中的高頻變壓器或儲能電感等感性負載在開關管導通的瞬間,迫使變壓器的初級出現很大的浪涌電流,將造成尖峰電壓。開關管在截止期間,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,疊加在關斷電壓上形成關斷電壓尖峰,從而形成電磁干擾。此外,開關管上的反向并聯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,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,而會出現一個快速的上沖。其原因是在開通過程中,二極管PN結的長基區注入足夠的少數載流子,發生電導調制需要一定的時間tr。該電壓上沖會導致一個寬帶的電磁噪聲。而在關斷時,存在于PN結長基區的大量過剩少數載流子需要一定時間恢復到平衡狀態從而導致很大的反向恢復電流。當t=t1時,PN結開始反向恢復,在t1-t2時間內,其他過剩載流子依靠復合中心復合,回到平衡狀態。這時管壓降又出現一個負尖刺。通常t2《t1,所以該尖峰是一個非常窄的尖脈沖,產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干擾也是開關電源中的一個重要干擾源。
                          開關管與二極管
                          開關管與二極管
                          3、EMI抑制方法
                          di/dt和dv/dt是開關電源自身產生電磁干擾的關鍵因素,減小其中的任何一個都可以減小開關電源中的電磁干擾。由上述可知,di/dt和dv/dt主要是由開關管的快速開關及二極管的反向恢復造成的。所以,如果要抑制開關電源中的EMI就必須解決開關管的快速開關及二極管的反向恢復所帶來的問題。
                          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在斷開時為開關提供旁路,吸收蓄積在寄生分布參數中的能量,從而抑制干擾發生。常用的吸收電路有RC、RCD。此類吸收電路的優點就是結構簡單、價格便宜、便于實施,所以是常用的抑制電磁干擾的方法。
                          開關管與二極管
                          (1)并接RC電路: 
                          在開關管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??娠柡痛判揪€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
                          一般來說,可以采用軟開關技術來解決開關管的問題,如圖6所示。圖6給出了開關管工作在軟開關條件下的開關軌跡。軟開關技術主要減小開關管上的開關損耗,也可以抑制開關管上的電磁干擾。在所有的軟開關技術中,準諧振抑制開關管上電磁干擾的效果比較好,所以本文以準諧振技術為例,介紹軟開關技術抑制EMI。所謂準諧振就是開關管在電壓谷底開通,見圖7。開關中寄生電感與電容作為諧振元件的一部分,可完全控制開關導通時電流浪涌與斷開時電壓浪涌的發生。采用這種方式不僅能把開關損耗減到很小,而且能降低噪聲。谷底開關要求關斷時間中儲存在中的能量必須在開關開通時釋放掉。它的平均損耗為:
                          開關管與二極管
                          由此公式可以看出,減小會導致大大降低,從而減小開關上的應力,提高效率,減小dv/dt,即減小EMI。
                          開關管與二極管
                          開關管與二極管
                          圖8為LLC串聯諧振的拓撲結構。從圖中可以看出,兩個主開關Ql和Q2構成一個半橋結構,其驅動信號是固定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構成一個LLC諧振網絡。在LLC串聯諧振變換器中,由于勵磁電感Lm串聯在諧振回路中,開關頻率可以低于LC的本征諧振頻率fs,而只需高于LLC的本征諧振頻率fm便可實現主開關的零電壓開通。所以,LLC串聯諧振可以降低主開關管上的EMI,把電磁輻射干擾(EMI)減至最少。在LLC諧振拓撲中,只要諧振電流還沒有下降到零,頻率對輸出電壓的調節趨勢就沒有變,即隨著頻率的下降輸出電壓將繼續上升,同時由于諧振電流的存在,半橋上下兩個主開關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的串聯諧振頻率fm。在工作頻率范圍fm<f<fs內,原邊的主開關均工作在零電壓開通的條件下,并且不依賴于負載電流的大小。同時,副邊的整流二極管工作在斷續或臨界斷續狀態下,整流二極管可以零電流條件下關斷,其反向恢復的問題得以解決,不再有電壓尖峰產生。
                          4、抑制方法對比分析研究
                          采用并聯RC吸收電路和串聯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的抑制效果相比準諧振技術與LLC串聯諧振技術較差。下面著重對準諧振技術與LLC串聯諧振技術進行比較分析。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,其主要作用是用來吸收MOSFET功率開關管在關斷時產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問題。由上述分析可以看出,準諧振技術主要減小開關管上的開關損耗,也可以抑制開關管上的電磁干擾,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,頻率提高;當輸出負載增大時,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題,這樣抑制效果才能令人們滿意。LLC串聯諧振拓撲結構比準諧振抑制EMI的效果好。其優點已在上面進行了分析。
                          5、結語
                          隨著開關電源技術的不斷發展,其體積越來越小,功率密度越來越大,EMI問題已經成為開關電源穩定性的一個關鍵因素。開關電源內部開關管及二極管是EMI主要發生源。本文主要介紹了四種抑制開關管及二極管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串聯諧振技術的抑制效果較好,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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