1、影响开关电源影响开关电源EMI特性的磁件设计技术特性的磁件设计技术陈陈 为为 博士博士福州大学电气工程与自动化学院 教授，博导中国电源学会常务理事，专家委员会副主席磁技术专业委员会 主任委员2013.08.30主要内容主要内容p 功率变换器的电磁干扰问题功率变换器的电磁干扰问题p 磁元件对差模噪声的影响机理磁元件对差模噪声的影响机理p 降低和控制差模噪声的设计要点降低和控制差模噪声的设计要点(PFC)p 磁元件对共模噪声的影响机理磁元件对共模噪声的影响机理p 降低和控制共模噪声的设计要点降低和控制共模噪声的设计要点(Flyback,LLC)p 变压器共模噪声特性的测量评估变压器共模噪声特性的测
2、量评估p 磁元件的近场干扰影响磁元件的近场干扰影响LISN功率变换器功率变换器Filter共模噪声共模噪声CM-CE近场耦合近场耦合RE滤波器滤波器功率变换器电磁干扰问题功率变换器电磁干扰问题负载负载电网电网差模噪声差模噪声DM-CEEMI接收机接收机RE接收天线接收天线阻抗稳定网络阻抗稳定网络LISN作用：作用：p 提供50W标准阻抗特性p 滤除电网谐波干扰p 采集传导CE噪声信号电源输入线电源输入线负载输出线负载输出线p 开关频率提高开关频率提高噪音源基波和谐波频率提高噪音源基波和谐波频率提高p 开关速度加快开关速度加快噪音源高频谐波分量增多噪音源高频谐波分量增多p 功率密度提高功率密度提
3、高元器件之间近场耦合作用加强元器件之间近场耦合作用加强功率变换器电磁干扰问题的重要性功率变换器电磁干扰问题的重要性p 环境友好要求环境友好要求 EMI EMI标准更严格标准更严格AdapterEMI滤波器滤波器Rm1Lw1Rw1Cp1非均匀绕组有磁场扩散电感电磁干扰传输途径电磁干扰传输途径磁性元件杂散参数磁性元件杂散参数Rm2Lw2Rw2Cp2内部分布参数内部分布参数外部分布参数外部分布参数磁场泄露电场感应磁元件设计考虑要点磁元件设计考虑要点结构设计结构设计电气设计电气设计损耗设计损耗设计eelANL2EMIEMI设计设计杂散参数杂散参数变压器中的电磁场分布与对应参数变压器中的电磁场分布与对应
4、参数激磁激磁磁通磁通漏磁漏磁通通ipisim原边原边电荷电荷副边副边电荷电荷原、副原、副边电荷边电荷电场分布电场分布磁场分布磁场分布涡流损耗涡流损耗磁芯损耗磁芯损耗差模噪声LPFC 阻抗特性阻抗特性Q+DLpfcLISNVdsLpfc差模EMI模型RmLwRwCpLtRtCtpVdsPFC电路输入电感器对差模噪声影响电路输入电感器对差模噪声影响约12MHzLEPCCore01/4U1/4UU1/2U3/4U3/4U1/2UCore1/4U1/4UU1/2U3/4U3/4U01/2UCore01/2U1/2U1/8U1/8U2/8U2/8U3/8U3/8U5/8U5/8U7/8U7/8UU6/8
5、U6/8UEPC中等中等EPC最大最大EPC最小最小电感器绕组分布电容形成机理与影响因素电感器绕组分布电容形成机理与影响因素Q+DLpfcVds变压器原副边耦合电容产生共模电流变压器原副边耦合电容产生共模电流V(x)VpxLISNicmCpsVpLISNLNicmQps变压器副边的感应电荷是共模噪声的重要来源变压器副边的感应电荷是共模噪声的重要来源降低共模耦合电容的考虑降低共模耦合电容的考虑v 增加原副边绕组间的距离v 减少原副边绕组间的面积漏感增大,体积增大绕组损耗增大v 采用更完全的屏蔽增加空间,成本和损耗v 改变电位分布改变电位分布简单的方法简单的方法改变绕组线端点位降低共模有效电容改变
6、绕组线端点位降低共模有效电容3-16-71-36-7端口端口1端口端口1端口端口3端口端口3EMIFilter1367端点端点1：电位变化端点：电位变化端点端点端点3：电位固定端点：电位固定端点有内部屏蔽铜箔变压器绕组电场分布有内部屏蔽铜箔变压器绕组电场分布有内部屏蔽铜箔V(x)VpxQpsLISNQshVpLISNLNicm Cps由于屏蔽层屏蔽作用，变压器副边感应的共模电荷大大减少由于屏蔽层屏蔽作用，变压器副边感应的共模电荷大大减少Flyback电路变压器共模噪声抵消技术电路变压器共模噪声抵消技术V(x)Vpx+Qps-QspLISNp 当当 Qps=Qsp时，变压器副边的电荷将相互抵消为
7、零时，变压器副边的电荷将相互抵消为零VpLISNLNVp*Cps Cps CspVsp 当当 Vp*Cps=Vs*Csp 时，共模噪音时，共模噪音电流将电流将抵消抵消为零为零Vs*Csp调整变压器共模有效电容的方法调整变压器共模有效电容的方法Caddxx外加电容改变屏蔽层面积PSUpxHot pointCps(x)Csp(x)PSCsp(d)d改变绝缘层厚度LrCrD1D2ABEFCsp2Csp1CoRoPECiQ2Q1CrPPS1S2屏蔽层屏蔽层r如果如果Csp1=Csp2，则副边电位，则副边电位变化引起的共模噪声抵消变化引起的共模噪声抵消S1S2LLC电路副边噪声源影响噪声抵消技术电路副边
8、噪声源影响噪声抵消技术P变压器共模耦合电容的测试方法变压器共模耦合电容的测试方法p 沿着绕组导体上的电压分布不均匀沿着绕组导体上的电压分布不均匀p 原副边绕组之间有屏蔽原副边绕组之间有屏蔽CpsCab=Cps+CshsCab=Cps+Cshp/Cshsabab网络分析仪网络分析仪/接收机等（两端口）接收机等（两端口）outputinputCpsCpsIcmVLCR表表/阻抗分析仪等（单端口）阻抗分析仪等（单端口）磁性元件近场耦合效应磁性元件近场耦合效应CM filterD2D chokeVo=48VTopo=PFC+PSFBfs(PFC stage)=89Kfs(D2D stage)=74KD
9、C/DC 74kHz&its harmonics Aux-PS 65kHz&its harmonics PFC 89kHz&its harmonics 磁性元件近场耦合对磁性元件近场耦合对EMI的影响的影响共模电感共模电感输出滤波电感输出滤波电感互感互感MCxLcmLCxx|Bx|By|B|环形电感产生的磁场近场辐射干扰环形电感产生的磁场近场辐射干扰磁场探头测量的磁场探头测量的磁感应强度磁感应强度B B分布分布电磁场仿真电磁场仿真的的B B分布分布yxxyy开口方向dtde共模电感对外部磁场干扰敏感度分析共模电感对外部磁场干扰敏感度分析-+-+-+-Bx 是最敏感的感应磁场分量是最敏感的感应磁
10、场分量BxByBz+-xyz感应电动感应电动势势E=0E=0感应电动感应电动势势E E0 0感应电动感应电动势势E E较小较小|Bx|T-输出滤波电感输出滤波电感CM共模电感共模电感具有最小干扰的相对位置具有最小干扰的相对位置开口方向开口方向影响近场耦合效应的因素分析影响近场耦合效应的因素分析p 干扰元件与被干扰元件之间的距离干扰元件与被干扰元件之间的距离p 干扰元件与被干扰元件之间的相对位置干扰元件与被干扰元件之间的相对位置/角度角度p 被干扰元件的内部分布参数被干扰元件的内部分布参数 -R,L&C-R,L&C2106310641065106610671068106910611071.110
11、71.21071.31071.41071.510700.20.40.60u1modelu1test1.5 1072 106f2R LCjw wM*ii噪声电流噪声电流被干扰元件U干扰电压干扰电压干扰元件U干扰电压干扰电压磁性元件由于体积大，其对地电场耦合较大。磁性元件由于体积大，其对地电场耦合较大。般采用法拉第电磁屏蔽技术般采用法拉第电磁屏蔽技术 优点：屏蔽电场优点：屏蔽电场 缺点：缺点：屏蔽高频磁场，改变磁件磁性参数；屏蔽高频磁场，改变磁件磁性参数；由于涡流效应所产生的损耗较大。由于涡流效应所产生的损耗较大。p 传统电磁屏蔽体会影响磁件的磁性参数，不适用于一些磁性参数有传统电磁屏蔽体会影响磁
12、件的磁性参数，不适用于一些磁性参数有特殊用途的场合特殊用途的场合差模电感差模电感谐振电感谐振电感电场屏蔽方式电场屏蔽方式p 由若干根金属导线组成梳状或网状；由若干根金属导线组成梳状或网状；p 在每根导体上各取一个点连接起来，且不在每根导体上各取一个点连接起来，且不构成电回路。构成电回路。梳状电场屏蔽体的原理结构：梳状电场屏蔽体的原理结构：梳状电场屏蔽体可能的连接结构：梳状电场屏蔽体可能的连接结构：p 只屏蔽电场只屏蔽电场,不屏蔽磁场不屏蔽磁场,即对磁场分布即对磁场分布/磁性参数没有影响磁性参数没有影响梳状导体屏蔽体梳状导体屏蔽体总结总结p 磁性元件对功率变换器的磁性元件对功率变换器的EMI电磁噪声有很大的影响电磁噪声有很大的影响p 磁性元件的设计和整改是降低磁性元件的设计和整改是降低EMI噪声的很有效方法噪声的很有效方法谢 谢！
