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工程師筆記 | 高頻共模電流、電壓和阻抗的測量 —— 以反激變換器為例

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發(fā)表于 2024-4-14 23:19:06 | 只看該作者 回帖獎(jiǎng)勵(lì) |倒序?yàn)g覽 |閱讀模式



變換器的EMI是怎么輻射出去的呢?

實(shí)際上,變換器工作的時(shí)候,電路中會(huì)有產(chǎn)生高頻的dv/dt節(jié)點(diǎn)和di/dt環(huán)路,最終在變換器的輸入和輸出端之間形成一個(gè)高頻的共模電壓VA(如圖1所示),而變換器的輸入與輸出線相當(dāng)于一對(duì)雙極天線(Dipole Antenna)。這個(gè)高頻的共模電壓會(huì)在輸入、輸出線上激勵(lì)出高頻的共模電流iA,并以電磁場的形式向外輻射能量。因此,如圖1所示,依照戴維南定理,變換器的輻射模型可以簡化成一個(gè)電壓源及其串聯(lián)的阻抗。



圖1:電力電子變換器輻射EMI模型。

因此,如果想準(zhǔn)確構(gòu)建輻射模型并預(yù)測輻射EMI,必須知道模型中的關(guān)鍵參數(shù),包括噪聲源VS,激勵(lì)電壓VA,激勵(lì)出的電流iA,源阻抗RS、XS,以及天線阻抗等。


那天線的阻抗又是怎么與輻射EMI相聯(lián)系的呢?
      
       如圖2所示,天線的能量可以看成以下幾部分:一部分在兩極之間相互轉(zhuǎn)換,并不輻射到空間去,這部分無功對(duì)應(yīng)的阻抗可以用jXA表示;一部分是發(fā)射出去的能量,用Rr來表示;最后一部分是天線上的電流在其本身電阻上產(chǎn)生的損耗,以Rl表示。由此,如圖2右側(cè)所示,在考慮天線的阻抗后,整體的輻射EMI模型就得到了。由此,我們將一個(gè)電磁場的模型轉(zhuǎn)化成了一個(gè)電路模型,為工程師分析EMI問題提供了很大的便利。

圖2:天線阻抗的等效模型。

最后,在輻射EMI測量中,實(shí)際測到的是變換器在一定距離外的某點(diǎn)產(chǎn)生的電磁場強(qiáng)度。以電場為例,在距離變換器為r的位置,電場強(qiáng)度的最大值Emax可以由(1)式得到:

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其中,VS代表噪聲源,η為波阻抗,D為方向性,表示該方向上的最大功率密度與半徑為r的球面平均功率密度之比,可以通過測量或者仿真得到。

因此,我們可以看出,想預(yù)測輻射的最終結(jié)果,我們需要得到準(zhǔn)確的噪聲電壓,共模電流以及阻抗。

下文從這三個(gè)方面,以一個(gè)反激變換器為例,來談?wù)撛鯓拥玫綔?zhǔn)確的測量結(jié)果。


2.反激變換器高頻共模電流的測量


下圖左圖為反激變換器的拓?fù)浼肮材k娏髀窂健?/font>

在共模路徑上,原邊主要有共模濾波器,整流橋,電解電容等;共模電流通過變壓器流到副邊,并流到輸出線上。其中,整流橋的結(jié)電容在高頻的時(shí)候阻抗很小,基本可以認(rèn)為是短路;輸入及輸出的電解電容的阻抗也很小,高頻的時(shí)候也可以認(rèn)為短路。因此,輸入線和輸出線可以認(rèn)為是電路中的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)(圖中的b點(diǎn)與a點(diǎn)),并得到如圖3右圖所示的等效模型。其中VCM為等效的噪聲電壓源,我們會(huì)在下一節(jié)中詳細(xì)分析,ZCMTrans和ZCMConv分別代表變壓器共模阻抗和回路上其他元件(如PCB走線,濾波器等)的共模阻抗。從圖中可以看出,輸入輸出線上同方向的電流即為要測的共模電流ICM。


圖3:反激變換器的電路以及輻射模型。

圖4即為共模電流的傳統(tǒng)測法:高頻電流鉗同時(shí)鉗住輸入的火線與零線,并通過同軸線連接至頻譜分析儀,得到共模電流的頻譜。然而,這個(gè)測量方法會(huì)有兩個(gè)誤差。


圖4:共模電流的傳統(tǒng)測試方法。

其一在于,工作中的變換器與同軸線之間會(huì)有耦合(包括通過dv/dt節(jié)點(diǎn)與同軸線之間的電場耦合,以及變換器與大地之間的di/dt環(huán)路與同軸線之間的磁場耦合),會(huì)引入測量誤差。圖5中的a圖分析了電場耦合產(chǎn)生的誤差;其二在于,輸入線的接地阻抗(Zg),即零線與大地之間的阻抗,是隨著環(huán)境變化的,這個(gè)阻抗回路會(huì)對(duì)共模電流起到分流的作用,導(dǎo)致在不同環(huán)境下測試結(jié)果不一致,如圖5中的b圖所示。

圖5:共模電流測試中近場耦合和接地阻抗的影響。

因此,為了解決這一問題,我們提出了如下圖所示的改進(jìn)方法。即在同軸線以及輸入線的前端加多個(gè)磁環(huán)。磁環(huán)可在輻射頻率段(30MHz~1GHz)提供高達(dá)數(shù)千歐姆的阻抗,從而有效避免耦合和接地阻抗帶來的影響,由于測量的共模電流對(duì)于測試的同軸線來說,是一個(gè)差模信號(hào),因此它不會(huì)受到磁環(huán)影響。

圖6:共模電流的改進(jìn)測試方法。



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