PWM 降压型开关电源引起的传导电磁干扰的建模、仿真和减少

作者：A. Farhadi

发表于：2008年第13届谐波与电能质量国际会议

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摘要

在电气系统中产生的不希望有的辐射或传导能量称为电磁干扰 (EMI)。电力电子转换器尤其是开关电源中的高速开关频率可提高效率，但会导致 EMI。本文介绍了不同类型的传导干扰、EMI 规定和传导 EMI 测量。符合国家或国际法规称为电磁兼容性 (EMC)。电力电子系统生产商必须考虑 EMC。建模和仿真是 EMC评估的第一步。本文介绍了 PWM 降压型开关电源的 EMI 仿真结果。为了改善EMC，引入了一些技术并通过仿真证明了它们的有效性。

第一节 介绍

FAST 半导体使电力电子设备中的高速和高频开关成为可能[1]。高速切换使设备重量和体积减小，但出现了一些不良影响，如射频干扰 [2]。生产商必须遵守电磁兼容性 (EMC) 法规才能将其产品推向市场。在设计阶段就考虑 EMC 方面很重要 [3]。建模和仿真是在开发产品之前分析 EMC 考虑因素的最有效工具。以前的许多研究都涉及电力电子元件的低频分析 [4] , [5]. 可以将不同类型的电力电子转换器视为 EMI 来源。它们可以以辐射和传导形式传播EMI。传导干扰电平的测量和计算需要线路阻抗稳定网络（LISN） [6]。LISN 输出端的干扰频谱被引入作为 EMC 评估标准 [7]， [8]。从 EMC 的角度来看，国家或国际法规是评估设备的参考 [7]， [8]。

第二节EMI 的来源、途径和受害者

不需要的电压或电流称为干扰，其原因称为干扰源。在本文中，高速开关电源是干扰源。

通过干扰源周围区域的辐射或通过公共电缆或接线连接的传导传播的干扰。在本研究中，仅考虑传导发射。受到干扰破坏的计算机、接收器、放大器、工业控制器等设备称为受害者。元件、源线和电缆的公共连接为传导噪声或干扰提供了路径。电磁传导干扰有差模和共模两部分[9]。

差模传导干扰

这种模式与噪声源在测试电路的不同线路之间施加的噪声有关。相关电流路径如图1 [9]所示。干扰源、路径阻抗、差模电流和负载阻抗也如图 1所示。

图1 DM噪声传导路径

共模传导干扰

共模噪声或干扰可能会出现并强加于线路、电缆或连接与公共接地之间。负载和公共地之间的任何泄漏电流都可以通过干扰电压源建模。

图 2演示了共模干扰源，共模电流Icm1和Icm2以及相关的电流路径 [9]。电力电子转换器充当供电网络线路之间的噪声源。在这项研究中，传导干扰的差模特别重要，将继续讨论仅考虑这种模式。

图2 CM噪声传导路径

第三节电磁兼容性规定

电气设备尤其是静态电力电子转换器在不同设备中的应用越来越多。如前所述，电力电子转换器被认为是重要的电磁干扰源，对电网有破坏作用[2]. 各种干扰造成的高水平污染降低了电网中的电力质量。另一方面，一些住宅、商业，尤其是医疗消费者对包括电压和频率变化在内的电力系统干扰非常敏感。减少腐败和提高电能质量的最佳解决方案是遵守国家或国际 EMC 法规。CISPR、IEC、FCC 和 VDE 是欧洲、美国和德国最著名的组织，负责确定和发布最重要的 EMC 法规。IEC 和 VDE 对传导发射的要求和限制 如图 3和 图 4 [7]、 [9] 所示。

图3 IEC传导辐射限值

图4 VDE传导辐射限值

对于不同的消费者群体，可以遵守不同类别的法规。普通消费者的A类和特殊消费者具有更严格限制的B类在图3和 图4中分开。IEC 和 VDE 的频率限制范围不同，分别为 150 kHz 至 30 MHz 和10kHz 至 30 MHz。通过将上述频率范围内测量或计算的传导干扰电平与法规中规定的要求进行比较来评估法规的符合性。在统一的欧洲共同体中，法规遵从性是强制性的，产品必须具有认证标签以显示要求的覆盖范围 [8]。

第四节电磁传导干扰测量

线路阻抗稳定网络 (LISN)

LISN 是标准提供的工业元件，用于放置在电源和电力电子转换器之间，包括作为接口的负载，以便可以测量传导干扰[7]。所述情况如图 5 [6]所示。LISN应具备以下特性以满足测量条件 [6]。提供低阻抗路径以将电源从电源传输到电力电子转换器和负载。提供从干扰源（此处为电力电子转换器）到测量端口的低阻抗路径。

图5 LISN测量传导噪声的接法

LISN 拓扑

LISN 的常见拓扑如图 6 [7] 所示。

图6 LISN常用拓扑

LISN 阻抗随频率变化的上述拓扑结构如图 7 所示。LISN 在传导EMI 测量范围内稳定了阻抗 [7]。

图7 LISN阻抗特性曲线

LISN 输出端信号电平随频率的变化就是干扰频谱。系统的电磁兼容性可以通过其干扰频谱与标准限制的比较来评估。LISN 输出端的信号电平在 10 kHz 至 30 MHz 或 150 kHz 至 30 MHz 的频率范围内是兼容性标准，应在标准限制之下。在实际情况下，LISN 输出连接到频谱分析仪并进行干扰测量。但出于建模和仿真的目的，LISN 输出频谱是使用适当的软件计算的。

第五节由于 PWM 降压型开关电源的 EMI 仿真

对于应用于降压 DC/DC 转换器的简单固定频率 PWM 控制器，可以假设误差电压Ve相对于开关频率、脉冲宽度和占空比的变化缓慢，可以通过(1)近似。Vp 是锯齿波形幅度。

A、PWM波形频谱分析

图8的归一化脉冲串m(t)代表PWM开关电流波形。PWM 波形的第n 个脉冲由固定分量D/fs组成 ，其中 D 是稳态占空比，以及一个可变分量dn/fs表示由于源、参考和负载的变化引起的占空比的变化。

图8 BUCK电路的驱动PWM波

由于 PWM 开关电流波形包含有关电源 EMI 的信息，因此需要在EMI 研究的频率范围内对该波形进行频谱分析。假设误差电压在幅度为Ve如下所示。

fm表示由于源、参考和负载变化引起的误差电压变化的频率。占空比系数计算：

脉宽在其稳态值 D 附近的最大变化被限制为D1. 在每个Tm=1/fm时期，将有r=fs/fm占空比为dn. 下方程表示傅立叶级数系数 PWM 波形 m (t)。其中具有 图9的频谱

图9 PWM频谱图（fs=25kHz，fm=100Hz，D=0.5，D1=0.05）

B、等效噪声电路和EMI频谱分析

为了获得图 6的等效电路，电压源 由短路代替转换器由PWM波形开关电流代替Iex如图 10所示。

图10 EMI等效电路

传递函数定义为 LISN 输出电压与 EMI 电流源的比率，如下中所示。

系数di对应于等效电路的参数。Rc和Lc分别为滤波电容的有效串联电阻（ESR）和电感（ESL） 该模型对该元素的非理想性进行了建模。LISN和过滤器参数如下：C N = 100 nF, r = 5 Ω, l = 50 uH, R N =50 Ω, L N =250 uH,L f = 0, C f =0, R c = 0, L c = 0, f s =25 kHz

EMI 频谱是通过传递函数和源噪声频谱相乘得出的。模拟结果如图11所示。

图11 EMI频谱图

第六节参数对 EMI 的影响

A、占空比

PWM 波形中的脉冲宽度在稳态 D=0.5 附近变化。使用图12和 图13所示的D=0.25和0.75的值来模拟输出噪声频谱。从 EMC 的观点来看，偶次谐波增加而奇次谐波减少。另一方面，噪声能量分布在更宽的频率范围内，EMI 水平降低 [11]。

图12 D=0.25时的EMI频谱

图13 D=0.75时的EMI频谱

B、占空比变化幅度

最大脉宽变化由下式决定D1 . EMI 频谱模拟为D1=0.05重复模拟D1=0.01和 0.25，结果如图14和 图 15所示。

图14 D1=0.01时的EMI频谱

图15 D1=0.25时的频谱

增加D1导致 EMI 信号的频率调制和传导 EMI 水平的降低。放大图 15周围 图 16中的开关频率分量清楚地显示了频率调制。

图16 放大7倍频的频谱

C、误差电压频率

占空比变化的主要因素是电源电压的变化。这fm=100Hz电源电压中的赫兹纹波是使用整流器的必然结果。以频率重复模拟fm=5000Hz。如图 17所示在较高的频率下，fm噪声频谱在频域中扩展，导致传导 EMI 水平更小。另一方面，希望有意地将高频信号注入参考电压。

图17 fm=5000Hz时的频谱

D、参数的同时作用

同时应用的模拟结果D=0.75，D1=0.25和fm=5000Hz，图 18显示了导致 EMI 频谱扩展到更宽频率并显着降低 EMI 水平。

图18 D=0.75D1=0.25，fm=5000时的频谱

第七节结论

本文介绍了电力电子转换器中由于半导体器件的快速开关性能而导致的电磁干扰。辐射和传导干扰是两种类型的电磁干扰，本文研究了传导类型。解释了兼容性规定和传导干扰测量。LISN作为测量过程的重要组成部分，除了其拓扑结构、参数和阻抗外，还进行了描述。考虑并模拟了由 PWM 降压型 DC/DC 转换器引起的EMI 频谱。有必要提出降低电磁干扰水平的机制。结果表明，可以通过控制占空比、占空比变化和参考电压频率等参数来降低PWM 降压型开关电源引起的 EMI。