寄生效應(yīng)如何產(chǎn)生意外的 EMI 濾波器諧振

電磁干擾 (EMI) 是電源設(shè)計(jì)中最難解決的問題之一。我認(rèn)為，這種名聲很大程度上源于這樣一個(gè)事實(shí)：大多數(shù)與 EMI 相關(guān)的挑戰(zhàn)都不是可以通過查看原理圖來解決的。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)中有一些相關(guān)功能不在原理圖中 - 例如代碼。

您還知道，原理圖并不表示印刷電路板寄生效應(yīng)之類的東西。然而，在 EMI 中，像這樣的寄生效應(yīng)會(huì)對(duì)您滿足要求的能力產(chǎn)生主導(dǎo)影響，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) 的氮化鎵 (GaN) 車載充電器 (OBC) 中產(chǎn)生意外的 EMI 濾波器諧振。

圖 1顯示了 OBC 的高級(jí)系統(tǒng)表示。其主要功能是電網(wǎng)到車輛的電壓和電流電池充電。次要功能是車輛到電網(wǎng)的電力流動(dòng)，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。

圖 1示意圖顯示了車載充電器 (OBC) 的高級(jí)系統(tǒng)表示。

現(xiàn)在，讓我們將注意力轉(zhuǎn)向 OBC 內(nèi)部的 EMI 考慮因素。

車載充電器的 EMI 評(píng)估

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 噪聲可能來自 PFC 和導(dǎo)體-電感器-電感器-電感器-電容器 (CLLLC)。圖 2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;然而，它的存在會(huì)引入影響 EMI 的寄生電容。

圖 2導(dǎo)致 EMI 的寄生效應(yīng)顯示在原理圖的右下角。

如圖 2 所示，開關(guān)節(jié)點(diǎn)與冷板之間、初級(jí)和次級(jí)接地與冷板之間以及 CLLLC 變壓器的初級(jí)和次級(jí)繞組之間存在寄生電容。這些寄生電容可能會(huì)在系統(tǒng)中產(chǎn)生或影響 CM 噪聲電流水平。

根據(jù)估計(jì)的寄生電容，仿真表明，在最壞情況下，僅使用 2.2 μF 輸入電容器 (C X1 ) 的裸 DM 噪聲約為 110 dBμV。同樣，沒有任何 CM 濾波器的裸 CM 噪聲在 350 kHz 左右約為 115 dBμV。設(shè)計(jì)兩級(jí) EMI 濾波器有助于將 EMI 噪聲衰減到國(guó)際無線電干擾特別委員會(huì) (CISPR) 32 標(biāo)準(zhǔn)以下。

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

理想情況下，采用設(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)滿足 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)時(shí)就充滿了諧振。事實(shí)上，正是這些諧振使得濾波器能夠衰減噪聲并使系統(tǒng)能夠通過 EMI 標(biāo)準(zhǔn)。圖 3顯示了 EMI 濾波器的典型衰減曲線。請(qǐng)注意，在 100 kHz 以上的頻率下，濾波器可以很好地降低振幅。然而，有些低于 100 kHz 的諧振如果存在于開關(guān)頻率之上，可能會(huì)造成很大問題。

圖 3這是車載充電器的典型 EMI 濾波器衰減情況。

顯然，沒有人會(huì)故意在開關(guān)頻率上產(chǎn)生諧振，但互連阻抗、元件寄生效應(yīng)或兩者有時(shí)會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)以非預(yù)期的方式運(yùn)行。

圖 4顯示了與圖 2 相比略有修改的 EMI 濾波器。差異在紅色元件中。L P1和 L P2表示 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 的輸入端并添加 C X0增加了濾波器的衰減。紅色的四個(gè)元件結(jié)合在一起，在 240 kHz 處產(chǎn)生諧振。在此設(shè)計(jì)中，240 kHz 是兩相 PFC 的轉(zhuǎn)換組合開關(guān)頻率。此諧振將放大開關(guān)電流，隨后使此頻率下的 EMI 惡化。

圖 4 EMI 濾波器在開關(guān)頻率下產(chǎn)生諧振。

圖 5以洋紅色顯示了流過 L P1 的交流線電流的時(shí)域波形，以藍(lán)色顯示了交流輸入電壓。請(qǐng)注意，電流具有明顯的 240 kHz 正弦波，峰峰值幅度為 28 A。該正弦波是三角 PFC 電流流過圖 4 中紅色元件產(chǎn)生的非預(yù)期放大器的直接結(jié)果。

圖 5交流線電流的時(shí)域波形以洋紅色顯示流過 L P1。

抑制這樣的共振可能具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)楸匾淖枘崞魍ǔＰ枰入娐分惺褂玫碾姼衅骰螂娙萜鞲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，以便共振不再位于開關(guān)頻率之上。從理論上講，這聽起來不錯(cuò)，但實(shí)際上，互連的存在是有原因的;因此，將其縮小并不可行。

另一個(gè)選擇是考慮保留 C X0和 C X1的必要性。您不能移除 C X1，因?yàn)?PFC 需要一些本地輸入電容來處理高頻電流。但是，C X0可以增加電容，目的是增加衰減。移除 C X0可將 EMI 改善約 6 dBμV。幅度減少了 50%，并且衰減量(65 dBμV)的很大一部分是通過標(biāo)準(zhǔn)所需的。這是一筆相當(dāng)劃算的交易。

兩個(gè)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

這里的要點(diǎn)有兩個(gè)。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，互連電感引起了意外諧振，從而放大了開關(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)少用一些通常很好的東西(濾波電容器)反而更好。通?？梢酝ㄟ^添加元件來解決 EMI 問題，但在這種情況下，元件的存在會(huì)使問題變得更糟。因此，通過移除 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。