开关电源中开关管及二极管 EMI抑制方法分析

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开关电源中开关管及二极管 EMI抑制方法分析研究

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1、引言

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       电磁干扰(EMI)就是电磁兼容不足,是破坏性电磁能从一个电子设备通过传导或辐射到另一个电子设备的过程。近年来，开关电源以其频率高、效率高、体积小、输出稳定等优点而迅速发展起来。开关电源已逐步取代了线性稳压电源，广泛应用于计算机、通信、自控系统、家用电器等领域。但是由于开关电源工作在高频状态及其高di/dt和高dv/dt，使开关电源存在非常突出的缺点——容易产生比较强的电磁干扰(EMI)信号。EMI信号不但具有很宽的频率范围，还具有一定的幅度，经传导和辐射会污染电磁环境，对通信设备和电子产品造成干扰。所以，如何降低甚至消除开关电源中的EMI问题已经成为开关电源设计师们非常关注的问题。本文着重介绍开关电源中开关管及二极管EMI的四种抑制方法。

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2、开关管及二极管EMI产生机理

       开关管工作在硬开关条件下开关电源自身产生电磁干扰的根本原因，就是在其工作过程中的开关管的高速开关及整流二极管的反向恢复产生高di/dt和高dv/dt，它们产生的浪涌电流和尖峰电压形成了干扰源。开关管工作在硬开关时还会产生高di/dt和高dv/dt，从而产生大的电磁干扰。图1绘出了接感性负载时，开关管工作在硬开关条件下的开关管的开关轨迹，图中虚线为双极性晶体管的安全工作区，如果不改善开关管的开关条件，其开关轨迹很可能会超出安全工作区，导致开关管的损坏。由于开关管的高速开关，使得开关电源中的高频变压器或储能电感等感性负载在开关管导通的瞬间，迫使变压器的初级出现很大的浪涌电流，将造成尖峰电压。开关管在截止期间，高频变压器绕组的漏感引起的电流突变，从而产生反电势E=-Ldi/dt，其值与电流变化率(di/dt)成正比，与漏感量成正比，叠加在关断电压上形成关断电压尖峰，从而形成电磁干扰。此外，开关管上的反向并联二极管的反向恢复特性不好，或者电压尖峰吸收电路的参数选择不当也会造成电磁干扰。由整流二极管的反向恢复引起的干扰源有两个，它们分别是输入整流二极管和输出整流二极管。它们都是由电流的换向引起的干扰。由图2表明，t0=0时二极管导通，二极管的电流迅速增大，但是其管压降不是立即下降，而会出现一个快速的上冲。其原因是在开通过程中，二极管PN结的长基区注入足够的少数载流子，发生电导调制需要一定的时间tr。该电压上冲会导致一个宽带的电磁噪声。而在关断时，存在于PN结长基区的大量过剩少数载流子需要一定时间恢复到平衡状态从而导致很大的反向恢复电流。当t=t1时，PN结开始反向恢复，在t1-t2时间内，其他过剩载流子依靠复合中心复合，回到平衡状态。这时管压降又出现一个负尖刺。通常t2《t1，所以该尖峰是一个非常窄的尖脉冲，产生的电磁噪声比开通时还要强。因此，整流二极管的反向恢复干扰也是开关电源中的一个重要干扰源。

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图1  开关管工作在硬开关条件下

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图2  开关过程中二极管电流、电压波形图

3、EMI抑制方法

       di/dt和dv/dt是开关电源自身产生电磁干扰的关键因素，减小其中的任何一个都可以减小开关电源中的电磁干扰。由上述可知，di/dt和dv/dt主要是由开关管的快速开关及二极管的反向恢复造成的。所以，如果要抑制开关电源中的EMI就必须解决开关管的快速开关及二极管的反向恢复所带来的问题。

       3.1并接吸收装置

       采取吸收装置是抑制电磁干扰的好办法。吸收电路的基本原理就是开关在断开时为开关提供旁路，吸收蓄积在寄生分布参数中的能量，从而抑制干扰发生。常用的吸收电路有RC、RCD。此类吸收电路的优点就是结构简单、价格便宜、便于实施，所以是常用的抑制电磁干扰的方法。

            图3 并接RC吸收电路                     图4 并接RDC吸收电路
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       （1）并接RC电路

       在开关管T两端加RC吸收电路,如图3所示。在二次整流回路中的整流二极管D两端加RC吸收电路,如图5所示,抑制浪涌电流。

       （2）并接RCD电路

       在开关管T两端加RCD吸收电路,如图4所示。

       3.2串接可饱和磁芯线圈

       二次整流回路中,与整流二极管D串接可饱和磁芯的线圈,如图5所示。可饱和磁芯线圈在通过正常电流时磁芯饱和,电感量很小,不会影响电路正常上作。一旦电流要反向时,磁芯线圈将产生很大的反电动势,阻止反向电流的上升。因此，将它与二极管D串联就能有效地抑制二极管D的反向浪涌电流。

       3.3传统准谐振技术

       一般来说，可以采用软开关技术来解决开关管的问题，如图6所示。图6给出了开关管工作在软开关条件下的开关轨迹。软开关技术主要减小开关管上的开关损耗，也可以抑制开关管上的电磁干扰。在所有的软开关技术中，准谐振抑制开关管上电磁干扰的效果比较好，所以本文以准谐振技术为例，介绍软开关技术抑制EMI。所谓准谐振就是开关管在电压谷底开通，见图7。开关中寄生电感与电容作为谐振元件的一部分，可完全控制开关导通时电流浪涌与断开时电压浪涌的发生。采用这种方式不仅能把开关损耗减到很小，而且能降低噪声。谷底开关要求关断时间中储存在中的能量必须在开关开通时释放掉。它的平均损耗为：
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       由此公式可以看出，减小会导致大大降低，从而减小开关上的应力，提高效率，减小dv/dt，即减小EMI。
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                      图5  串接可饱和磁芯线圈

                    图6   开关管工作在软开关条件下

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3.4LLC串联谐振技术

图8为LLC串联谐振的拓扑结构。从图中可以看出，两个主开关Ql和Q2构成一个半桥结构，其驱动信号是固定50％占空比的互补信号，电感Ls、电容Cs和变压器的励磁电感Lm构成一个LLC谐振网络。在LLC串联谐振变换器中，由于励磁电感Lm串联在谐振回路中，开关频率可以低于LC的本征谐振频率fs，而只需高于LLC的本征谐振频率fm便可实现主开关的零电压开通。所以，LLC串联谐振可以降低主开关管上的EMI，把电磁辐射干扰(EMI)减至最少。在LLC谐振拓扑中，只要谐振电流还没有下降到零，频率对输出电压的调节趋势就没有变，即随着频率的下降输出电压将继续上升，同时由于谐振电流的存在，半桥上下两个主开关的零电压开通条件就得以保证。因此，LLC谐振变换器的工作频率有一个下限，即Cs与Ls和Lm的串联谐振频率fm。在工作频率范围fm<f<fs内，原边的主开关均工作在零电压开通的条件下，并且不依赖于负载电流的大小。同时，副边的整流二极管工作在断续或临界断续状态下，整流二极管可以零电流条件下关断，其反向恢复的问题得以解决，不再有电压尖峰产生。

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                                 图7  准谐波模式

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                                       图8  LLC串联谐振拓扑结构

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4、抑制方法对比分析研究

       采用并联RC吸收电路和串联可饱和磁芯线圈均为简单常用的方法，主要是抑制高电压和浪涌电流，起到吸收和缓冲作用，其对EMI的抑制效果相比准谐振技术与LLC串联谐振技术较差。下面着重对准谐振技术与LLC串联谐振技术进行比较分析。在准谐振中加入RCD缓冲电路，即由二极管，电容器和电阻组成的尖峰电压吸收电路，其主要作用是用来吸收MOSFET功率开关管在关断时产生的上升沿尖峰电压能量，减少尖峰电压幅值，防止功率开关管过电压击穿。但是，这样将会增加损耗，而且由于缓冲电路中采用了二极管，也将增加二极管的反向恢复问题。由上述分析可以看出，准谐振技术主要减小开关管上的开关损耗，也可以抑制开关管上的电磁干扰，但是它不能抑制二极管上的电磁干扰，而且当输入电压增大时，频率提高；当输出负载增大时，频率降低，所以它的抑制效果不是很好，一般不能达到人们所希望的结果。所以如果想得到更好的抑制效果，必须解决二极管上的反向恢复问题，这样抑制效果才能令人们满意。LLC串联谐振拓扑结构比准谐振抑制EMI的效果好。其优点已在上面进行了分析。

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5、结语

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       随着开关电源技术的不断发展，其体积越来越小，功率密度越来越大，EMI问题已经成为开关电源稳定性的一个关键因素。开关电源内部开关管及二极管是EMI主要发生源。本文主要介绍了四种抑制开关管及二极管EMI的方法并进行了分析对比，目的是找到更为有效的抑制EMI的方法。通过分析对比得出LLC串联谐振技术的抑制效果较好，而且其效率随电压升高而升高，其工作频率随电压变化较大，而随负载的变化较小。

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