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寄生效应为什么会产生意想不到的EMI滤波器谐振

2022-12-05 15:07:10 Brent McDonald 阅读:
这篇“电源设计小贴士”文章将探讨这些类型的寄生效应为什么会在电动汽车(EV)基于氮化镓(GaN)的车载充电器(OBC)中产生意想不到的EMI滤波器谐振。

电磁干扰(EMI)被称为电源设计中最困难的方面之一。我认为这种称谓在很大程度上是出于大多数与EMI相关的挑战并不是通过查看原理图就能解决的问题。这可能会令人沮丧,因为原理图是工程师了解电路功能的中心位置。当然,我们知道设计中有一些相关功能并未包含在原理图中——比如代码。I0yednc

我们还知道原理图中并不会展示印刷线路板寄生效应之类的东西。然而,在EMI中,像这样的寄生效应可能会影响我们满足要求的能力,迫使我们拥有必要的经验来识别哪些类型的寄生效应会对EMI频谱产生积极或消极的影响。这篇“电源设计小贴士”文章将探讨这些类型的寄生效应为什么会在电动汽车(EV)基于氮化镓(GaN)的车载充电器(OBC)中产生意想不到的EMI滤波器谐振。I0yednc

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1显示了OBC的高层系统表示。它的主要功能是负责电网到车辆(G2V)的电池电压和电流充电。第二个功能是实现车辆到电网(V2G)的功率流,以便电动汽车可以补充可能具有波动峰值容量的可再生能源。I0yednc

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图1:此示意图显示了车载充电器的高层系统表示。(图片来源:IEEE)I0yednc

现在,让我们将注意力转向OBC内部的EMI考虑因素。I0yednc

车载充电器的EMI审查

EMI包括差模(DM)和共模(CM)两种噪声。对于OBC系统,差模噪声主要由功率因数校正(PFC)的输入电流所产生,而共模噪声则可能由PFC和电容-电感-电感-电感-电容(CLLLC)所产生。图2在原理图的右下角显示了OBC的冷却解决方案(冷板)。冷板对于防止元器件过热至关重要;但是,它的存在会引入影响EMI的寄生电容。I0yednc

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图2:原理图的右下角的寄生效应会导致EMI。(图片来源:德州仪器)I0yednc

2所示,在开关节点到冷板之间、在冷板的初级地和次级地之间以及在CLLLC变压器的初级绕组和次级绕组之间存在寄生电容。这些寄生电容会在系统中产生共模噪声电流或影响其大小。I0yednc

使用估计的寄生电容进行的仿真结果表明,在最坏的情况下,仅使用2.2µF输入电容(CX1)的裸差模噪声约为110dBµV。同样,没有任何共模滤波器的裸共模噪声在大约350kHz时约为115dBµV。设计两级EMI滤波器,有助于将EMI噪声衰减到低于国际无线电干扰特别委员会第32号(CISPR 32)标准。I0yednc

LCM1和LCM2在350kHz时的共模阻抗约为3kΩ。它们的漏感约为6.4µH,用于差模噪声衰减。CX1和CX2是用于差模噪声衰减的2.2µF薄膜电容器,而CY1、CY2、CY3和CY4则是用于共模噪声衰减的4.7nF陶瓷电容器。I0yednc

理想情况下,通过设计的滤波器,裸共模噪声和裸差模噪声均应能衰减65dBµV以上,EMI噪声应能符合CISPR 32标准。然而,仍有一些实际挑战需要解决。I0yednc

EMI滤波器谐振

EMI滤波器在设计上充满了共振。事实上,正是这些谐振使滤波器能够衰减噪声并使系统能够通过EMI标准。图3显示了EMI滤波器的典型衰减曲线。请注意,在高于100kHz的频率下,滤波器可以很好地降低幅度。但是,在100kHz以下却有一些谐振,如果它们存在于开关频率之上,则可能会产生很大的问题。I0yednc

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图3:这是板载充电器典型EMI滤波器的衰减情况。(图片来源:德州仪器)I0yednc

显然,没有人会故意在开关频率上设置谐振,但互连阻抗、寄生元件或它们两者有时会促使系统以一种无意的方式运行。I0yednc

4所示的EMI滤波器与图2相比略有修改。不同之处在于红色的元件。LP1和LP2代表EMI滤波器和PFC输入之间互连的寄生电感。LP1和LP2的存在需要一些局部电容才能使PFC电流流过。因此,将CX1移至PFC的输入并添加CX0,会增加滤波器的衰减。将四个红色元件组合在一起,将产生240kHz的共振。在本设计中,240kHz是两相PFC的转换组合开关频率。这种谐振会放大开关电流,随后会使该频率下的EMI变得更糟。I0yednc

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图4:所示EMI滤波器在开关频率处具有谐振。(图片来源:德州仪器)I0yednc

5显示了流过LP1的交流线路电流(洋红色)以及交流输入电压(蓝色)的时域波形。请注意,电流具有显著的240kHz正弦波,其峰峰值幅度为28A。该正弦波形成的直接原因是,PFC三角波电流流经了图4中红色元件所意外形成的放大器。I0yednc

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图5:流经LP1的交流线路电流的时域波形(以洋红色显示)。(图片来源:德州仪器)I0yednc

抑制这样的谐振可能具有挑战性,因为这通常需要使用比电路中所用更大的电感器或电容器来设计阻尼器。另一种可能的解决方案是降低互连的电感,以便使谐振不再位于开关频率之上。从理论上讲,这听起来不错,但实际上,这里出现这种互连是有原因的。所以,把它变小就不可行。I0yednc

另一种方案是考虑是否要保留CX0和CX1。我们无法移除CX1,因为PFC需要一些本地输入电容来提供高频电流。但是,CX0是用来增加电容的,目的是增加衰减。将CX0移除后,EMI改善了大约6dBµV。其幅度降低了50%,并且实现了通过标准所需的很大一部分衰减(65dBµV)。这个数量非常可观。I0yednc

两个设计要点

这里的设计要点包括两个部分。首先是文章开头所提到的前提条件:原理图并不能说明EMI的全部情况。在这种情况下,互连电感会导致意外谐振,进而就会放大开关频率噪声。认清此问题的根本原因,始终是调试中最关键的一步。I0yednc

第二个要点是,有时通常好的东西(滤波电容器)越少越好。我们通常可以通过添加元器件来解决EMI问题,但在这种情况下,元器件的存在会使问题变得更糟。因此,通过移除CX1,我们能够减小滤波器的尺寸、降低系统成本并改善EMI。I0yednc

Brent McDonald是德州仪器(TI)电源设计服务团队的系统工程师。I0yednc

(原文刊登于EDN美国版,参考链接:How parasitics create an unexpected EMI filter resonance,由Franklin Zhao编译。)I0yednc

本文为《电子技术设计》2022年12月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里I0yednc

责编:Franklin
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