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功率电子PFC系统的EMI分析与设计

功率电子系统对于高频的EMI的设计-我提供正向设计思路参考;

A.确认有哪些噪声源;

B.分析噪声源的特性;相关资料可以通过网络搜索作者名字下载或观看;(我的理论:先分析再设计;了解噪声源头特性是关键)!

C.确认噪声源的传递路径;这也是我们大多数工程师处理EMI-Issue时的着手点;(处理的手段和方法);

EMI的耦合路径:感性耦合;容性耦合;传导耦合;辐射耦合!

处理功率电子系统EMI的噪声源及噪声特性分析:

1.功率电子高频电磁干扰是由于电磁干扰噪声源的梯形波频谱造成的;

2.功率电子高频电磁干扰在差模(DM)传播路径上的PFC电路中的PFC电感其阻抗由于磁芯选择和绕线结构会引起器件的多个谐振点!在谐振点的阻抗到达谷底对此频段的插入损耗就不足,造成差模数据超标;

3.功率电子高频电磁干扰在共模噪声传播路径上的高频电磁干扰和共模(CM)噪声传播路径上的寄生耦合(分布电容)相关;

4.功率电子高频电磁干扰还可以由磁性元件(电感,变压器等磁性元件)的寄生耦合(容性&感性耦合)近场-电路板级的耦合引起的。

5.抑制功率电子高频电磁干扰PCB-电路板布局布线设计就很关键了。

我的《开关电源:EMC的分析与设计》对于EMI-传导的问题我有讲插入EMI输入滤波器的设计是最快速的方法;我后面再将细节分析。同时对于>75w有PFC的功率电子PFC系统的EMI-辐射的问题;特别是客户经常碰到30MHZ-50MHZ的EMI-辐射的问题,我有提供设计方法参考;我再进行设计分析;

对于功率电子系统我们先来了解梯形波的噪声频谱特性:如下图所示;

图中左边是简化的梯形波电压/电流波形,其周期为TPERIOD,脉冲宽度为TW,脉冲上升/下降时间为TRISE/TFALL。图中右边我们从频域来看此信号,其中含有基频成分和很多高次谐波成分,通过傅里叶变换分析可以知道这些高频成分的幅度和脉冲宽度、上升/下降时间之间的关系;其关系的表现结果如下:

通常EMI辐射问题常常发生在30MHz~300MHz频段。通过增加上升和下降时间可将fR的位置向更低频方向移动,同时更高频率信号的强度将以40dB/dec的速度快速降低,从而改善其辐射状况。在低频段,上升和下降速度所导致的改善是很有限的。

功率电子电路在AC输入端增加PFC升压电感电路其EMI-辐射测试数据超标通常在30MHZ-50MHZ/其EMI-辐射的优化设计分析如下图;

我先分析系统的骚扰源的情况:

差模骚扰的产生主要是由于开关管工作在开关状态,当开关管开通时流过电源线的电流线性上升,开关管关断时电流突变为零.因此,流过电源线的电流为高频的三角脉动电流,含有丰富的高频谐波分量,随着频率的升高,该谐波分量的幅度越来越小,因此差模骚扰随频率的升高而降低;

共模骚扰的产生主要原因是电源与大地(保护地)之间存在分布电容,电路中方波电压的高频谐波分量通过分布电容传入大地,与电源线构成回路,产生共模骚扰。建立简单的等效天线模型进行理论分析:

通过上面的等效天线模型进行分析:我们要降低Rr的辐射功率在等效电路中加入Y电容是比较好的方法;参考如下:

我再将上述等效的Y电容进行电路应用原理图设计&重要分布参数的等效分析:

L、N为电源输入,整流前级为输入EMI滤波器,DB1为整流桥,VT2为PFC开关管(功率电子器件MOS/IGBT/SiC等等),开关管安装在散热器上时,开关管的D极与散热器相连,与散热器之间形成一个耦合电容C7,VT2工作在开关状态,其D极的电压为高频方波(梯形波),方波(梯形波)的频率为开关管的开关频率,方波中的各次谐波就会通过耦合电容、L、N电源线构成回路,产生共模骚扰。

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