寄生效應(yīng)如何產(chǎn)生意外的 EMI 濾波器諧振

電磁干擾 (EMI) 被譽(yù)為電源設(shè)計(jì)中最困難的問(wèn)題之一。我認(rèn)為這種聲譽(yù)在很大程度上來(lái)自這樣一個(gè)事實(shí)：大多數(shù)與 EMI 相關(guān)的挑戰(zhàn)并不是通過(guò)查看原理圖就能解決的。這可能會(huì)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)中有一些原理圖中沒(méi)有的相關(guān)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(yīng)之類的東西。然而，在 EMI 中，此類寄生效應(yīng)會(huì)對(duì)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(yàn)來(lái)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(duì)電網(wǎng)到車輛的電壓和電流進(jìn)行電池充電。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。

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審查

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 噪聲則可能由 PFC 和導(dǎo)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(duì)于防止組件過(guò)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 1原理圖右下角顯示了引起 EMI 的寄生效應(yīng)。

如圖 1所示，開(kāi)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)繞組之間都存在寄生電容。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。

根據(jù)估計(jì)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(shí)的裸 DM 噪聲約為 110 dBμV。同樣，沒(méi)有任何 CM 濾波器的裸 CM 噪聲在約 350 kHz 時(shí)約為 115 dBμV。設(shè)計(jì)兩級(jí) EMI 濾波器有助于將 EMI 噪聲衰減到低于國(guó)際無(wú)線電擾動(dòng)特殊委員會(huì) (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，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(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，并且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)上就充滿了諧振。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(guò) EMI 標(biāo)準(zhǔn)。圖 2顯示了 EMI 濾波器的典型衰減曲線。請(qǐng)注意，在頻率高于 100 kHz 時(shí)，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(kāi)關(guān)頻率之上，則可能會(huì)產(chǎn)生很大的問(wèn)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(méi)有人會(huì)故意在開(kāi)關(guān)頻率處產(chǎn)生諧振，但互連阻抗、元件寄生效應(yīng)或兩者有時(shí)會(huì)推動(dòng)系統(tǒng)以無(wú)意的方式運(yùn)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(guò)。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(gè)紅色元素結(jié)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(kāi)關(guān)頻率。這種諧振將放大開(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)頻率處出現(xiàn)諧振。

圖 4顯示了流過(guò) L P1 的交流線路電流的時(shí)域波形(洋紅色)以及交流輸入電壓(藍(lán)色)。請(qǐng)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(guò)由圖 3 中的紅色組件產(chǎn)生的意外放大器的直接結(jié)果。

圖 4顯示了流經(jīng) L P1 的交流線路電流的時(shí)域波形(洋紅色)。

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入娐分惺褂玫碾姼衅骰螂娙萜鞲蟮碾姼衅骰螂娙萜鳌Ａ硪环N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(kāi)關(guān)頻率之上。從理論上講，這聽(tīng)起來(lái)不錯(cuò)，但實(shí)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(wú)法移除 C X1，因?yàn)?PFC 需要一些本地輸入電容來(lái)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(dá)到通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)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(gè)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

這里的要點(diǎn)是雙重的。第一個(gè)是最初的前提：原理圖并不能說(shuō)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(kāi)關(guān)頻率噪聲。認(rèn)識(shí)問(wèn)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。通常可以通過(guò)添加組件來(lái)解決 EMI 問(wèn)題，但在這種情況下，組件的存在會(huì)使問(wèn)題變得更糟。因此，通過(guò)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。