電磁干擾 (EMI) 被譽為電源設計中最困難的問題之一。我認為這種聲譽在很大程度上來自這樣一個事實：大多數(shù)與 EMI 相關的挑戰(zhàn)并不是通過查看原理圖就能解決的。這可能會令人沮喪，因為原理圖是工程師了解電路功能的中心位置。當然，您知道設計中有一些原理圖中沒有的相關功能，例如代碼。
您還知道原理圖并不代表印刷線路板寄生效應之類的東西。然而，在 EMI 中，此類寄生效應會對您滿足要求的能力產(chǎn)生決定性影響，迫使您擁有必要的經(jīng)驗來識別哪些類型的寄生效應會對 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如何在電動汽車 (EV) 的基于氮化鎵 (GaN) 的車載充電器 (OBC) 中產(chǎn)生意外的 EMI 濾波器諧振。其主要功能是對電網(wǎng)到車輛的電壓和電流進行電池充電。第二個功能是車輛到電網(wǎng)的功率流，以便電動汽車可以補充可能具有波動峰值容量的可再生能源。
現(xiàn)在，讓我們將注意力轉向 OBC 內(nèi)部的 EMI 考慮因素。
車載充電器的EMI審查
EMI 包括差模 (DM) 和共模 (CM) 噪聲。對于 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 噪聲則可能由 PFC 和導體-電感器-電感器-電感器-電容器 (CLLLC) 產(chǎn)生。圖 1原理圖右下角顯示了 OBC 的冷卻解決方案(冷板)。冷板對于防止組件過熱至關重要;然而，它的存在會引入影響 EMI 的寄生電容。
圖 1原理圖右下角顯示了引起 EMI 的寄生效應。
如圖 1所示，開關節(jié)點與冷板之間、初級和次級接地與冷板之間以及 CLLLC 變壓器的初級和次級繞組之間都存在寄生電容。這些寄生電容會產(chǎn)生或影響系統(tǒng)中的 CM 噪聲電流水平。
根據(jù)估計的寄生電容，仿真表明，在最壞的情況下，僅使用 2.2 μF 輸入電容器 (C X1 ) 時的裸 DM 噪聲約為 110 dBμV。同樣，沒有任何 CM 濾波器的裸 CM 噪聲在約 350 kHz 時約為 115 dBμV。設計兩級 EMI 濾波器有助于將 EMI 噪聲衰減到低于國際無線電擾動特殊委員會 (CISPR) 32 標準。
L CM1和L CM2在350 kHz 時的共模阻抗約為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，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，使用設計的濾波器，裸CM噪聲和裸DM噪聲均應衰減65 dBμV以上，并且EMI噪聲應滿足CISPR 32標準。然而，仍有一些實際挑戰(zhàn)需要解決。
EMI濾波器諧振
EMI 濾波器在設計上就充滿了諧振。事實上，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 標準。圖 2顯示了 EMI 濾波器的典型衰減曲線。請注意，在頻率高于 100 kHz 時，濾波器可以很好地降低幅度。然而，存在一些低于 100 kHz 的諧振，如果它們存在于開關頻率之上，則可能會產(chǎn)生很大的問題。
圖 2這是車載充電器的典型 EMI 濾波器衰減的樣子。
顯然，沒有人會故意在開關頻率處產(chǎn)生諧振，但互連阻抗、元件寄生效應或兩者有時會推動系統(tǒng)以無意的方式運行。
圖 3顯示了與圖 1 相比略有修改的 EMI 濾波器。差異在于紅色組件。 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，以便 PFC 電流流過。因此，將 C X1移至 PFC 的輸入并添加 C X0增加濾波器的衰減。四個紅色元素結合在一起產(chǎn)生 240 kHz 的共振。在本設計中，240 kHz 是兩相 PFC 的轉換組合開關頻率。這種諧振將放大開關電流，從而使該頻率下的 EMI 變得更糟。
圖 1顯示了 EMI 濾波器在開關頻率處出現(xiàn)諧振。
圖 4顯示了流過 L P1 的交流線路電流的時域波形(洋紅色)以及交流輸入電壓(藍色)。請注意，電流具有明顯的 240kHz 正弦波，峰峰值幅度為 28A。該正弦波是三角 PFC 電流流過由圖 3 中的紅色組件產(chǎn)生的意外放大器的直接結果。
圖 4顯示了流經(jīng) L P1 的交流線路電流的時域波形(洋紅色)。
抑制這樣的諧振可能具有挑戰(zhàn)性，因為必要的阻尼器通常需要比電路中使用的電感器或電容器更大的電感器或電容器。另一種可能的解決方案可能是降低互連的電感，以便諧振不再位于開關頻率之上。從理論上講，這聽起來不錯，但實際上，這種互連的存在是有原因的。因此，將其變小并不是真正可行的。
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，因為 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 改善約 6 dBμV。幅度降低了 50%，并且達到通過標準所需衰減 (65 dBμV) 的很大一部分。這是一筆非常劃算的交易。
兩個設計要點
這里的要點是雙重的。第一個是最初的前提：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，放大了開關頻率噪聲。認識問題的根本原因始終是調(diào)試中最關鍵的一步。
第二個要點是，有時通常好的東西(濾波電容器)越少越好。通?？梢酝ㄟ^添加組件來解決 EMI 問題，但在這種情況下，組件的存在會使問題變得更糟。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。
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