寄生效應(yīng)如何產(chǎn)生意想不到的 EMI 濾波器諧振

電磁干擾 (EMI) 被譽(yù)為電源設(shè)計(jì)中最困難的方面之一。我認(rèn)為這種聲譽(yù)在很大程度上來自這樣一個(gè)事實(shí)，即大多數(shù)與 EMI 相關(guān)的挑戰(zhàn)并不是通過查看原理圖就能解決的問題。這可能令人沮喪，因?yàn)樵韴D是工程師了解電路功能的中心位置。當(dāng)然，您知道設(shè)計(jì)中有一些不在原理圖中的相關(guān)功能——比如代碼。

您還知道原理圖并不代表印刷線路板寄生效應(yīng)之類的東西。然而，在 EMI 中，像這樣的寄生效應(yīng)可能會(huì)影響您滿足要求的能力，迫使您擁有必要的經(jīng)驗(yàn)來識(shí)別哪些類型的寄生效應(yīng)會(huì)對(duì) EMI 頻譜產(chǎn)生積極或消極的影響。這篇 Power Tip 文章將探討這些類型的寄生效應(yīng)如何在電動(dòng)汽車 (EV) 的基于氮化鎵 (GaN) 的車載充電器 (OBC) 中產(chǎn)生意想不到的 EMI 濾波器諧振。

顯示了 OBC 的高級(jí)系統(tǒng)表示。它的主要功能是對(duì)電網(wǎng)到車輛的電壓和電流電池充電。第二個(gè)功能是車輛到電網(wǎng)的功率流，以便電動(dòng)汽車可以補(bǔ)充可能具有波動(dòng)峰值容量的可再生能源。

車載充電器的 EMI 評(píng)測(cè)

EMI 包括差模 (DM) 和共模 (CM) 噪聲。對(duì)于 OBC 系統(tǒng)，DM 噪聲主要由功率因數(shù)校正 (PFC) 的輸入電流產(chǎn)生，而 CM 噪聲可能由 PFC 和導(dǎo)體-電感-電感-電感-電容 (CLLLC) 產(chǎn)生。在原理圖的右下角顯示了 OBC 的冷卻解決方案(冷板)。冷板對(duì)于防止組件過熱至關(guān)重要;但是，它的存在會(huì)引入影響 EMI 的寄生電容。

在開關(guān)節(jié)點(diǎn)到冷板之間、在冷板的初級(jí)和次級(jí)接地之間以及在 CLLLC 變壓器的初級(jí)和次級(jí)繞組之間存在寄生電容。這些寄生電容會(huì)產(chǎn)生或影響系統(tǒng)中的 CM 噪聲電流水平。

使用估計(jì)的寄生電容，仿真表明，在最壞的情況下，只有 2.2μF 輸入電容 (C X1 ) 的裸 DM 噪聲約為 110dBμV。同樣，沒有任何 CM 濾波器的裸 CM 噪聲在大約 350 kHz 時(shí)約為 115 dBμV。設(shè)計(jì)兩級(jí) EMI 濾波器有助于將 EMI 噪聲衰減到低于 Comité International Spécial des Perturbations Radioélectriques (CISPR) 32 標(biāo)準(zhǔn)。

L CM1和 L CM2在 350 kHz 時(shí)的共模阻抗約為 3 kΩ。它們的漏感約為 6.4 μH，用于 DM 噪聲衰減。C X1和 C X2是用于 DM 噪聲衰減的 2.2-μF 薄膜電容器，而 C Y1、 C Y2、 C Y3和 C Y4是用于 CM 噪聲衰減的 4.7-nF 陶瓷電容器。

理想情況下，通過設(shè)計(jì)的濾波器，裸 CM 噪聲和裸 DM 噪聲均應(yīng)衰減 65 dBμV 以上，EMI 噪聲應(yīng)符合 CISPR 32 標(biāo)準(zhǔn)。然而，仍有一些實(shí)際挑戰(zhàn)需要解決。

EMI濾波器諧振

EMI 濾波器在設(shè)計(jì)上充滿了共振。事實(shí)上，正是這些諧振使濾波器能夠衰減噪聲并使系統(tǒng)能夠通過 EMI 標(biāo)準(zhǔn)。顯示了 EMI 濾波器的典型衰減曲線。請(qǐng)注意，在高于 100 kHz 的頻率下，濾波器可以很好地降低幅度。但是，在 100 kHz 以下有一些諧振，如果它們存在于開關(guān)頻率之上，則可能會(huì)產(chǎn)生很大的問題。

顯然，沒有人會(huì)故意在開關(guān)頻率上放置諧振，但互連阻抗、組件寄生或兩者有時(shí)會(huì)促使系統(tǒng)以一種無意的方式運(yùn)行。

顯示了與圖 2 相比略有修改的 EMI 濾波器。不同之處在于紅色的組件。L P1和 L P2代表 EMI 濾波器和 PFC 輸入之間互連的寄生電感。L P1和 L P2的存在需要一些局部電容才能使 PFC 電流流過。因此，將 C X1移至 PFC 的輸入并添加 C X0增加了濾波器的衰減。紅色的四個(gè)元素組合在一起產(chǎn)生 240 kHz 的共振。在本設(shè)計(jì)中，240 kHz 是兩相 PFC 的轉(zhuǎn)換組合開關(guān)頻率。這種諧振會(huì)放大開關(guān)電流，并隨后使該頻率下的 EMI 變得更糟。

顯示了流經(jīng) L P1的交流線路電流的時(shí)域波形，洋紅色顯示，交流輸入電壓顯示為藍(lán)色。請(qǐng)注意，電流具有顯著的 240kHz 正弦波，峰峰值幅度為 28A。該正弦波是三角形 PFC 電流流經(jīng)中紅色組件所產(chǎn)生的非預(yù)期放大器的直接結(jié)果。

抑制這樣的諧振可能具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)楸匾淖枘崞魍ǔＰ枰入娐分惺褂玫母蟮碾姼衅骰螂娙萜?。另一種可能的解決方案可能是降低互連的電感，以使諧振不再位于開關(guān)頻率之上。從理論上講，這聽起來不錯(cuò)，但實(shí)際上，這種互連是有原因的。所以，讓它變小是不可行的。

另一種選擇是考慮保留 C X0和 C X1的必要性。您無法移除 C X1，因?yàn)?PFC 需要一些本地輸入電容來提供高頻電流。然而，C X0是為了增加電容，目的是增加衰減。移除 C X0將 EMI 改善了大約 6 dBμV。幅度降低了 50%，并且通過標(biāo)準(zhǔn)所需的衰減 (65 dBμV) 的很大一部分。這是一筆不錯(cuò)的交易。

兩個(gè)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

這里的要點(diǎn)是雙重的。首先是原始前提：原理圖并不能說明 EMI 的全部情況。在這種情況下，互連電感會(huì)導(dǎo)致意外諧振，放大開關(guān)頻率噪聲。識(shí)別問題的根本原因始終是調(diào)試中最關(guān)鍵的一步。

第二個(gè)要點(diǎn)是，有時(shí)通常好的東西(濾波電容器)越少越好。您通常可以通過添加組件來解決 EMI 問題，但在這種情況下，組件的存在會(huì)使問題變得更糟。因此，通過去除 C X1，我們能夠減小濾波器的尺寸、降低系統(tǒng)成本并改善 EMI。