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功率电子系统对于高频的EMI的设计

【导读】功率电子系统对于高频的EMI的设计,应该从那些方面入手呢?本文将提供一写参考:确认有哪些噪声源;分析噪声源的特性;确认噪声源的传递路径等。

功率电子系统对于高频的EMI的设计,应该从那些方面入手呢?本文将提供一写参考:确认有哪些噪声源;分析噪声源的特性;确认噪声源的传递路径等。

功率电子系统对于高频的EMI的设计:

A.确认有哪些噪声源;

B.分析噪声源的特性;相关资料可以通过网络搜索作者名字下载或观看;(我的理论:先分析再设计;了解噪声源头特性是关键)!

C.确认噪声源的传递路径;这也是我们大多数工程师处理EMI-Issue时的着手点;(处理的手段和方法);

EMI的耦合路径:感性耦合;容性耦合;传导耦合;辐射耦合!

处理功率电子系统EMI的噪声源及噪声特性分析:

1.功率电子高频电磁干扰是由于电磁干扰噪声源的梯形波频谱造成的;

2.功率电子高频电磁干扰在差模(DM)传播路径上的PFC电路中的PFC电感其阻抗由于磁芯选择和绕线结构会引起器件的多个谐振点!在谐振点的阻抗到达谷底对此频段的插入损耗就不足,造成差模数据超标;

3.功率电子高频电磁干扰在共模噪声传播路径上的高频电磁干扰和共模(CM)噪声传播路径上的寄生耦合(分布电容)相关;

4.功率电子高频电磁干扰还可以由磁性元件(电感,变压器等磁性元件)的寄生耦合(容性&感性耦合)近场-电路板级的耦合引起的。

5.抑制功率电子高频电磁干扰PCB-电路板布局布线设计就很关键了。

我的《开关电源:EMC的分析与设计》对于EMI-传导的问题我有讲插入EMI输入滤波器的设计是最快速的方法;我后面再将细节分析。同时对于>75w有PFC的功率电子PFC系统的EMI-辐射的问题;特别是客户经常碰到30MHZ-50MHZ的EMI-辐射的问题,我有提供设计方法参考;我再进行设计分析;

对于功率电子系统我们先来了解梯形波的噪声频谱特性:如下图所示;

功率电子系统对于高频的EMI的设计

图中左边是简化的梯形波电压/电流波形,其周期为TPERIOD,脉冲宽度为TW,脉冲上升/下降时间为TRISE/TFALL。图中右边我们从频域来看此信号,其中含有基频成分和很多高次谐波成分,通过傅里叶变换分析可以知道这些高频成分的幅度和脉冲宽度、上升/下降时间之间的关系;其关系的表现结果如下:

功率电子系统对于高频的EMI的设计

通常EMI辐射问题常常发生在30MHz~300MHz频段。通过增加上升和下降时间可将fR的位置向更低频方向移动,同时更高频率信号的强度将以40dB/dec的速度快速降低,从而改善其辐射状况。在低频段,上升和下降速度所导致的改善是很有限的。

功率电子电路在AC输入端增加PFC升压电感电路其EMI-辐射测试数据超标通常在30MHZ-50MHZ/其EMI-辐射的优化设计分析如下图;

功率电子系统对于高频的EMI的设计

我先分析系统的骚扰源的情况:

差模骚扰的产生主要是由于开关管工作在开关状态,当开关管开通时流过电源线的电流线性上升,开关管关断时电流突变为零.因此,流过电源线的电流为高频的三角脉动电流,含有丰富的高频谐波分量,随着频率的升高,该谐波分量的幅度越来越小,因此差模骚扰随频率的升高而降低;

共模骚扰的产生主要原因是电源与大地(保护地)之间存在分布电容,电路中方波电压的高频谐波分量通过分布电容传入大地,与电源线构成回路,产生共模骚扰。建立简单的等效天线模型进行理论分析:

功率电子系统对于高频的EMI的设计

通过上面的等效天线模型进行分析:我们要降低Rr的辐射功率在等效电路中加入Y电容是比较好的方法;参考如下:

功率电子系统对于高频的EMI的设计

我再将上述等效的Y电容进行电路应用原理图设计&重要分布参数的等效分析:

功率电子系统对于高频的EMI的设计

L、N为电源输入,整流前级为输入EMI滤波器,DB1为整流桥,VT2为PFC开关管(功率电子器件MOS/IGBT/SiC等等),开关管安装在散热器上时,开关管的D极与散热器相连,与散热器之间形成一个耦合电容C7,VT2工作在开关状态,其D极的电压为高频方波(梯形波),方波(梯形波)的频率为开关管的开关频率,方波中的各次谐波就会通过耦合电容、L、N电源线构成回路,产生共模骚扰。

电源与大地的分布电容比较分散,其它的分布参数我先不作分析;

从原理设计图来看,VT2的D极与散热器之间耦合电容的作用最大,从BD1到电感LB之间的电压为100Hz,而从L3到VD1和VT2的D极之间的连线的电压均为方波(梯形波)电压,含有大量的高次谐波。其次LB的影响也比较大,但LB与机壳的距离比较远(器件布局要求),分布电容比开关管和散热器之间的耦合电容小得多,因此,我们主要考虑开关管与散热器之间的耦合电容=C7。

通过上面的理论:解决PFC的30MHZ-50MHZ辐射骚扰的问题方法如下:

增加一个高频电容C8,接在开关管散热器与输出地之间,该电容与散热器的连接处离开关管越近越好,该电容选用安规电容,容量在470PF到0.01μF之间,太大会使电源的漏电流超标,经过电容C7耦合到散热器上的骚扰信号经过C8衰减,衰减的系数为:

功率电子系统对于高频的EMI的设计

由于C8比C7大的多,上式可以简化为:C7/C8

进行理论计算:

注意:C7为 PFC开关MOS与散热器的耦合电容;计算数据我们可以进行估算:假设C7为30PF,C8为470PF,则向外发射的骚扰信号被衰减了15.7倍,近25dB。

实际应用与理论测试一致;已指导工程师朋友们解决了很多的实际问题!

对于功率电子其有相对较大的功率EMI-传导的设计《开关电源:EMC的分析与设计》对于EMI-传导的问题我有讲插入EMI输入滤波器的设计是最快速的方法;其设计细节相关资料可以通过网络搜索作者名字下载或观看;我将容易出现困惑的地方及细节进行分析;

我通过一个实际的变频空调的例子进行分析,如下是使用2级共模滤波器结构的带有PFC设计的大功率的传导EMI的测试数据:

功率电子系统对于高频的EMI的设计

我们来分析10MHZ左右的包络;变频空调的系统在2KW左右,其系统有PFC电路设计;对于传导的问题,我的开关电源-PFC进行高效设计解决高频传导设计:对于超标的整改通过Y的设计优化就能解决问题!

功率电子系统对于高频的EMI的设计

那么超标处的理论机理是怎样的?通过理论与实际深层次进行机理分析如下;

功率电子系统对于高频的EMI的设计

从图示中;我们实际产品在地线的连接时,过长的地线就会存在电感Lgnd;在功率电子开关其回路中的寄生电容我用Cc来进行等效;那么电路的共模回路中就增加一个L,C谐振的状态,其振荡频率用f标示怎谐振频率为:

功率电子系统对于高频的EMI的设计

超标的尖峰包络基本是跟这个谐振频率相关;我将模拟测试数据提供参考:

功率电子系统对于高频的EMI的设计

黑色曲线数据是去除共模滤波器的测试数据;红色曲线数据是插入共模电感Y电容的2级滤波器测试数据;很明显共模回路的LC谐振产生了高频尖峰,同时共模电感的阻抗在10MHZ左右衰减也很大(即阻抗减小),即共模滤波器对>10MHZ的插入损耗低;大的谐振能量就会造成高的高频尖峰,不适合的设计就更难处理该频点的EMI问题了!

因此处理措施方法就会清晰,阿杜的老师的理论:先分析再设计;实现性价比最优化原则!

对于功率电子的EMI传导我经常让设计工程师调整系统Y电容的位置也非常有效-特别是有2级共模电感&2级Y电容结构的设计我将原理进行分析;如下图:

功率电子系统对于高频的EMI的设计

在图示的两级共模滤波器的结构中,Y电容的走线或连接线不合适的连接方式及接地位置不同时时,两根线之间就会存在互感M,大的互感能量就会将噪声源耦合到LISEN网络造成EMI的数据超标-出现高频的尖峰;模拟测试数据参考如下:

功率电子系统对于高频的EMI的设计

如图所示红色曲线数据显示的高频尖峰EMI噪声;通过改善输入滤波器的Y电容的接地点的位置,增加前后两个Y 电容地走线的平行距离再连接到机壳或公共地;从而可减小共模环路的相互耦合强度;通过选择合适的接地点就能搞定高频的尖峰EMI传导的设计!如图中的绿色曲线的模拟测试数据,功率电子系统就能通过EMI设计。

通过上面的中大功率的带PFC系统的EMI的分析和设计,任何复杂的EMI问题;我都可以通过电子设计师的EMI测试曲线找到问题的根源;大家可以在网络上搜索本作者:查询我的文章我们通过EMI的测试曲线数据分析解决EMI的问题!

任何的EMC及电子电路的可靠性设计疑难杂症;先分析再设计才是高性价比的设计!

实际应用中电子产品的EMC涉及面比较广;我的系统理论及课程再对电子设计师遇到的实际问题 进行实战分析!先分析再设计;实现性价比最优化原则!

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