基于混沌扩频无损吸收的共模EMI抑制方法

樊玮丰, 李国进, 陈延明

(广西大学 电气工程学院, 广西 南宁 530004)

0 引言

近年来,随着碳化硅、氮化镓等宽禁带半导体的广泛应用,电力电子变换器工作于更高的开关频率,功率开关器件会遭受更大的du/dt、di/dt的干扰[1],并且,在更高的开关频率下,变换电路分布参数(分布电感、电容等)对电路的影响更为突出,给电磁兼容问题带来新的挑战[2]。

EMI通常分为共模噪声和差模噪声,一般认为,共模噪声对电路的正常工作影响更大,抑制共模噪声更具有理论意义和实际工程应用价值[3]。共模噪声通常是由较大的du/dt通过分布电容形成回路引起的[4],因此,降低du/dt是减小共模噪声的有效途径。常规降低du/dt的方法,通常使用吸收电容或采用零电压开通(zero voltage switching, ZVS)的软开关技术[5-6]。但过大的吸收电容,会造成过大的开通损耗,而对单相PFC电路来说,软开关电路需要添加额外的辅助电路,增加成本,而且变换电路会变得更加复杂。与常规的吸收电路相比,无损吸收电路在功率器件关断以后,把吸收电容中的能量传送给负载或者回馈电源,不需要在功率器件内部耗散掉,可以有效降低开关损耗,提高变换器的效率[7],而且无源无损吸收电路仅使用少量无源元件,不增加控制电路的复杂度,在单相PFC电路中,已得到广泛应用。

目前,针对吸收电路的研究大多将重点放在工作原理和电路拓扑上,EMI抑制效果仅作为实验结果显示。文献[8]的实验结果表明无源有损缓冲电路可以抑制高频EMI,文献[9]针对反激变换器提出一种新型无损吸收电路,该吸收电路的辐射干扰抑制效果显著,但对传导干扰频段(150kHz～30MHz)的EMI抑制效果较差。文献[10]分析了RC缓冲电路对开关震荡的影响,指出增大吸收电容可以减小低频震荡,降低电磁噪声,但是过大的吸收电容会使高频震荡恶化,不利于变换器的稳定性。针对吸收电路在相对低频段(通常为150kHz～5MHz)EMI抑制效果差的问题,文献[11]提出一种将ZVS与周期扩频调制结合的EMI抑制方法,利用周期扩频可以扩展开关频带宽度的特性,有效降低了低频EMI,但该方法需要考虑扩频调制对ZVS的影响,增加了控制电路的设计难度。

为了改善无损吸收电路的低频EMI抑制效果,本文提出一种基于混沌扩频的优化方法。近年来,混沌扩频技术由于可以从源头处降低电路的噪声峰值且易于实现,扩频效果相比周期扩频更好,因此受到了许多学者的关注,并且已有了丰富的成果[12-13]。本文以无源无损吸收Boost PFC变换器作为研究对象,通过分析无损吸收PFC变换器的共模EMI传导路径,构建了共模EMI等效模型,揭示吸收电路抑制EMI的原理。在此基础上,推导了混沌扩频调制下漏源电压的功率谱密度函数,证明混沌扩频无损吸收具有降低EMI峰值的能力,并进行仿真验证。最后搭建实验平台,对变换器进行相关的EMI测试,实验结果表明,混沌扩频无损吸收将共模EMI幅值降低了4～20 dBμV,且对变换器稳定性影响小。

1 无损吸收PFC变换器

1.1 工作原理

无源无损吸收电路可在多种电力电子变换器中使用,其结构具有相对普遍性。在中小功率Boost PFC变换器的传导电磁干扰中,共模噪声占主要地位,因此本文以小功率PFC变换器作为研究对象,分析无损吸收电路的共模EMI抑制效果,同时可以减少复杂拓扑引发的其他干扰。

图1 无损吸收Boost PFC电路拓扑Fig.1 Lossless snubber Boost PFC circuit topology

一种具有无源无损吸收电路的Boost PFC变换器拓朴结构如图1所示。滤波电感L、开关管S、二极管VD0和输出滤波电容Co构成PFC变换器的主电路;虚线框中的二极管VD1、VD2、VD3、电感Lr、电容Cr和Cs构成无源无损吸收电路。

无损吸收电路降低变换器du/dt的原理如下:在开关管断开时,由于电容Cs两端的电压不能突变,因此限制了漏源电压vds的上升速率。之后无损吸收电路通过谐振,将吸收电路中的能量传输至负载,其工作模态如图2所示。模态1,开关管S处于关断状态,此模态与常规PFC电路开关管关断时一致。模态2,开关管S开通,流过Lr的电流线性下降,由于开关频率远远大于工频,输入电流iin在一个开关周期内可近似认为恒定不变,则漏源电流id开始线性上升。模态3,流过Lr的电流降至0后,二极管VD0关断,VD2导通,Cs、Cr与Lr开始第一个谐振过程,此模态中Cs上的能量逐渐转移至Cr与Lr中。模态4,Cs两端电压降为0,VD1导通,Cr与Lr开始第二个谐振过程,Lr上的能量转移至Cr中。模态5,第二个谐振过程结束,此模态与常规PFC电路开关管导通时一致,吸收电路的能量储存在Cr中。模态6,开关管关断,Cs限制了vds的上升速率,抑制了du/dt,同时VD3导通,Cr中的能量转移至负载。

(a) 模态1

(b) 模态2

(c) 模态3

(d) 模态4

(e) 模态5

(f) 模态6

通过分析无损吸收电路的工作原理可知,吸收电路主要依靠吸收电容抑制开关管的du/dt。由于无损吸收电路可以通过谐振,将吸收电路中的能量传输至负载,其开通损耗相比常规吸收电路更小,因此在不影响变换器正常工作的情况下,无损吸收电路可以选择容量更大的吸收电容,从而获得更好的du/dt抑制效果。

1.2 共模EMI等效模型

为了明确du/dt对共模噪声的影响,首先对无损吸收PFC变换器的共模EMI传导路径进行分析,使用线性阻抗稳定网络(line impedance stabilization network, LISN)对EMI进行测量时,共模EMI的传导路径如图3所示。开关管在开关过程中,高速跳变的漏源电压vds通过开关管散热片与保护地之间的寄生电容Cp形成共模噪声传导回路,共模电流iCM通过噪声传导回路造成共模电磁干扰。

为了量化分析无损吸收电路抑制共模EMI的原理,研究共模噪声的来源,对共模电磁干扰传导回路进行等效处理。用LISN电阻上的电压进行衡量共模噪声的大小,记L线上电阻RL的电压为vL,N线上电阻RN的电压为vN,共模噪声电压vCM可量化为

(1)

(a) 输入电压正半周

(b) 输入电压负半周

图4 共模噪声等效电路 Fig.4 Equivalent circuit of CM EMI

由于寄生电容Cp的容量通常很小,只有几十皮法,而LISN中C1=1 μF,C2=0.1 μF,因此将式(1)与共模电磁干扰的传导路径结合,可以得到共模噪声等效电路如图4所示。图中RLN=RL/2=RN/2=25 Ω。由图4可知,高速跳变的漏源电压vds是共模噪声的主要来源,因此抑制du/dt可以直接降低共模EMI。

1.3 吸收电路共模EMI抑制效果

由于vds是共模噪声的主要来源,因此对吸收电路共模EMI抑制效果的分析,可等价于分析吸收电路对vds频谱的影响。为了简化分析,通常将vds波形近似为梯形波。将vds分解为傅里叶级数,可以得到各次谐波的幅值为

A(k)=2Atτwfs|sinc(kπfsτw)||sinc(kπfsτr)|,

(2)

式中:k=1,2,3…,表示谐波次数;函数A(k)表示第k次谐波的幅值;函数sinc(x)=sinx/x;At为梯形波的幅值;fs为开关频率;τw为电压从上升至At/2到下降至At/2间的时间;τr为电压的上升和下降时间。

由于所用的功率开关器件开关速度很快,漏源电压的上升与下降时间很短,因此有τw≫τr。根据式(2)可知,当谐波次数大于1/(πfsτw)时,谐波幅值的包络线以-20 dB/dec的斜率衰减;当谐波次数大于1/(πfsτr)时,衰减斜率为-40 dB/dec。增大吸收电容,可以抑制du/dt,即减小vds的上升速率,增加vds的上升时间,使高次谐波在相对低的次数开始以-40 dB/dec的斜率衰减,幅值的衰减速率变得更快,从而降低了高频的共模噪声。为了保证变换器正常工作,吸收电容得取值不宜过大,导致无损吸收电路对相对低频段的共模噪声抑制效果差。

2 混沌扩频无损吸收

为了改善无损吸收电路的低频EMI抑制效果,进一步降低电路的共模噪声,使用混沌扩频调制对无损吸收Boost PFC变换器进行优化。

混沌扩频通过扩展开关频谱,降低开关频率及其倍频处的噪声峰值,从源头处抑制EMI,同时因为混沌扩频具有不改变电路结构、不额外增加硬件的特点,已被广泛运用于各类电力电子变换器中。实现混沌扩频调制的关键在于使开关变换器原本固定的开关频率,在一定范围内混沌变化。使用混沌扩频调制后,PWM和开关管的漏源电压波形如图5所示。

图5 PWM与漏源电压波形Fig.5 Waveforms of PWM and drain-source voltage

根据图5,可以列出vds的时域表达式:

(3)

式中vdsn(t)为

(4)

由于τn为前n-1个开关周期的累加,因此τn为一个混沌序列。根据τn定义一个时间连续函数N(t)[14],N(t)表示在时间间隔[0,t]内,包含vds梯形波的个数。

N(t)=max{n:τn

(5)

对于τN(T)≤T≤τN(T)+1,vds(t)的频谱为

(6)

为了分析vds在基频与倍频处的能量分布,可使用功率谱密度进行替换表示,功率谱密度常用于表征信号的功率在频域上的分布。由UdsT(jf)计算混沌扩频后vds的功率谱密度P(f),可表示为

(7)

式中E(·)为期望求取函数。

将式(6)代入式(7),计算|UdsT(jf)|2可得

(8)

式中Δτ=τi-τm,ΔT=Ti-Tm。由于τn、Tn均为混沌序列,因此Δτ、ΔT是混沌变化的。

由式(8)的双重求和项可知,扩频后,由于混沌序列具有无序性和遍历性的特性,因此vds频谱的分布相比扩频前均匀。结合式(7)与式(8)得到,无损吸收PFC变换器在混沌扩频后,vds集中在开关频率及其倍频处的能量被分散到具有一定带宽的频段上,使得vds的功率谱密度的峰值降低且具有连续性。

3 仿真分析

为了验证理论推导的准确性,使用仿真软件Saber对无损吸收和混沌扩频的共模EMI抑制效果进行仿真分析,搭建具有无损吸收电路的Boost PFC变换器仿真模型,仿真参数见表1。

表1 Boost PFC变换器仿真参数Tab.1 Simulation parameters of Boost PFC converter

PFC变换器使用UC3854进行控制,开关管选择IRFP460。考虑到Cs与开关损耗的关系,Cs的取值可由下式[15]计算得到:

(9)

式中:Csopt为Cs的最优取值;Rg为栅极驱动电阻;Cdg为开关管栅漏极寄生电容;Ug为栅极驱动电压。

经计算与仿真测试,Cs取值5 nF。谐振电容Cr需要储存无损吸收电路的能量,通常取值为Cs的10～30倍,本设计最终取值50 nF。

通过1.1节对无损吸收电路工作模态的分析可知,无损吸收电路存在Lr、Cr和Lr、Cr、Cs2个谐振过程。为了保证谐振过程不影响变换器的正常工作,谐振应在开关管导通的时间内完成,因此需满足:

(10)

在不影响变换器正常工作的前提下,谐振电感Lr的取值越大,无损吸收电路的缓冲效果越好,因此本设计中选取Lr为1 μH。

为了分析无损吸收电路的效果,对常规与无损吸收PFC变换器进行仿真,得到对应的漏源电压vds波形如图6所示。根据图6(a)可知,无损吸收电路降低了vds的上升速率,减小了开关管的du/dt;对比图6(b)中常规电路与无损吸收的Uds频谱,发现常规电路与无损吸收的Uds频谱峰值均出现在开关频率及其倍频处,而且在高频段,无损吸收的Uds频谱峰值低于常规电路,与理论分析一致。

再对定频与混沌扩频的无损吸收PFC变换器进行仿真。使用蔡氏电路产生混沌信号,扩频范围为±10 kHz,得到定频与混沌扩频下Uds的频谱如图7所示。仿真结果表明,在混沌扩频调制下无损吸收PFC变换器的Uds频谱连续性好,且扩频后的频谱峰值低于定频的。仿真结果验证了理论分析的准确性,混沌扩频具有优化无损吸收EMI抑制效果的能力。

(a) 漏源电压波形

(b) 漏源电压频谱

图7 定频与混沌扩频的漏源电压频谱Fig.7 Drain-source voltage spectrum under constant frequency and chaotic spread spectrum

4 实验验证

为了验证理论推导与仿真的准确性,搭建Boost PFC变换器,实验电路图如图8所示,样机如图9所示,样机参数与仿真参数一致。

图8 实验电路图Fig.8 Circuit experiment

图9 实验平台Fig.9 Experiment platform

使用模拟电路产生蔡氏混沌信号,混沌吸引子如图10所示。扩频后,UC3854芯片14引脚处的锯齿波延时1 s的波形如图11所示,开关信号在时域上抖动。

图10 混沌吸引子Fig.10 Chaotic attractor

图11 锯齿波波形Fig.11 Sawtooth waveform

图12 共模EMI频谱波形Fig.12 CM EMI spectrum waveforms

首先进行电磁干扰测试,分别在常规电路、无损吸收和混沌扩频无损吸收状态下,测量PFC变换器的共模EMI频谱,如图12所示。根据共模EMI的频谱可知,在0.15～4 MHz频段,无损吸收与常规电路的频谱相似,在4～30 MHz频段,无损吸收的共模EMI频谱峰值降低了4～10 dBμV。对比常规电路与混沌扩频无损吸收的共模EMI频谱发现,混沌扩频无损吸收的共模EMI频谱连续性好;在0.15～4 MHz频段,混沌扩频无损吸收的共模EMI峰值比常规电路降低了6～20 dBμV;在4～30 MHz频段,共模EMI降低了4～20 dBμV。实验结果表明,对比无损吸收电路,混沌扩频无损吸收在低频段的共模EMI抑制能力得到明显改善,在高频段的抑制效果也优于无损吸收,与理论推导、仿真分析一致。

最后进行电源稳定性测试,分别测量常规电路与混沌扩频无损吸收状态下PFC变换器的输入电压、电流与输出电压,如图13所示。

(a) 常规电路

(b) 混沌扩频无损吸收

经测量可得,常规电路的功率因数为99.4%,混沌扩频无损吸收电路的功率因数为99.4%。由于混沌扩频无损吸收电路的作用频率远远大于工频,因此混沌扩频无损吸收电路对变换器的稳定性影响小。

5 结语

针对高频开关电源电磁干扰严重的问题,本文通过建立无损吸收PFC变换器的共模EMI模型,分析无损吸收的EMI抑制效果,提出了一种将无源无损吸收电路与混沌扩频结合的共模EMI抑制方法。该方法改善了无损吸收电路低频EMI抑制效果差的问题,且进一步降低高频EMI的峰值,同时,该方法可以降低开关管损耗,提高变换器效率,且无需采用辅助电路,易于应用。最后电磁干扰测试结果表明,混沌扩频无损吸在低频段减少共模EMI幅值4～20 dBμV,在高频段的抑制效果也优于无损吸收,同时电源稳定性测试证明混沌扩频无损吸收对Boost PFC变换器的稳定性影响小。