作者：Amir Tahavorgar

發(fā)表于：2014年第16屆諧波與電能質量國際會議（ICHQP）

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DNA提取：

? ? 1、boost的DM噪聲建模為電流源；波形為梯形波，峰值為輸入電流Iin；DM噪聲為LISN兩個50Ω電阻的電壓和；

? ? 2、boost的CM噪聲建模為電壓源；波形為梯形波，峰值為管子關斷時管子兩端的壓差；CM噪聲為LISN兩個50Ω電阻的電壓和；

摘要：

????????本文研究了 2 級交錯式 DC/DC 升壓轉換器的傳導電磁干擾 (EMI) 噪聲。研究了差模 (DM) 噪聲和共模 (CM) 噪聲，同時考慮了所有寄生分量。使用頻域方法，開發(fā)了交錯拓撲的噪聲預測模型。將該模型的結果與非交錯拓撲的結果進行比較，以表征由交錯拓撲中高頻電源開關數(shù)量加倍和開關頻率降低引起的傳導 EMI噪聲。結果表明，交錯拓撲中的 DM 和 CM 噪聲幅度小于非交錯拓撲，尤其是在傳導噪聲頻譜的高頻處。

第一節(jié) 介紹

????????電磁干擾 (EMI) 干擾被定義為中斷、阻礙或以其他方式降低或限制電信或其他電氣和電子設備的有效性能的任何傳導或輻射電磁能量。在設計階段之前對差模 (DM) 和共模 (CM) 噪聲進行準確建模至關重要，以避免更改設計和重新制造設備以滿足電磁兼容性 (EMC) 標準。

????????配備高頻電源開關的電力電子轉換器是電氣系統(tǒng)中 EMI 噪聲的主要來源之一。開關瞬間的振鈴行為和開關兩端電壓降的周期性和快速變化，以及開關電流是傳導 EMI 噪聲的主要原因。圖1顯示了一個廣泛用于功率因數(shù)校正的簡單單級 DC/DC 升壓轉換器。在每個開關周期內，升壓開關管（Qb）兩端的電壓降在0和輸出電壓（Vo）之間的變化 。?此外，升壓開關管的電流波形在0和輸入電流（Iin）之間切換.?開關電壓和電流的這些變化會導致高頻 EMI 噪聲，這些噪聲會通過轉換器的導體傳播，需要在轉換器的輸入端加以抑制。

????????本文介紹了兩級交錯式 DC/DC 升壓轉換器中 DM 和 CM 噪聲的仿真結果。通過并聯(lián)基本轉換器的相同模塊并在兩個模塊的柵極信號中應用相位差，可以實現(xiàn)兩級交錯拓撲。兩級交錯拓撲已用于功率因數(shù)校正。已經(jīng)表明，使用交錯式拓撲可以實現(xiàn)統(tǒng)一功率因數(shù)和小于 4% 的 THD。已經(jīng)提出了一種基于交錯電流饋電全橋 DC/DC 轉換器的新型拓撲，該拓撲使用零電壓開關方案用于燃料電池電動汽車.?已經(jīng)表明，所提出的轉換器提供了更高的額定功率、減小了無源元件的尺寸以及減小了電流紋波。交錯式拓撲已被證明的優(yōu)勢使其廣泛用于其他轉換器拓撲。盡管有一些關于理論建模和分析以及 EMI 噪聲傳導的實用解決方案的出版物，交錯式 DC/DC 轉換器中傳導 EMI 噪聲的建模和預測在文獻中很少受到關注。例如，研究了用于功率因數(shù)校正應用的單相全橋轉換器的 EMI 噪聲水平，并研究了幾種控制策略和 EMI 傳播路徑對 EMI 噪聲水平的影響。?已經(jīng)表明，通過降低 SMPS 中初級和次級繞組之間的寄生電容來切斷傳導 EMI 噪聲的主要耦合路徑，可以抑制 EMI 噪聲水平。報告了 DC/DC 升壓轉換器交錯拓撲中 EMI 噪聲的重要貢獻，其中僅研究了 CM 噪聲水平，而未考慮轉換器寄生組件的影響。然而，在逆變器中傳導 EMI 噪聲的研究中，已經(jīng)證明包括電路的寄生元件會顯著影響傳導 EMI 噪聲，尤其是在噪聲頻譜中的高頻。?

????????在本文中，綜合研究了兩級交錯式 DC/DC 升壓轉換器中的 CM 和 DM 傳導噪聲，同時考慮了轉換器的寄生分量。在對交錯拓撲中的 DM 和 CM 噪聲建模之后，通過比較交錯和非交錯拓撲的傳導 DM 和 CM 噪聲的結果，研究了交錯對傳導 EMI 噪聲的影響。

????????本文的其余部分安排如下。在第二節(jié)中，討論了兩級交錯式升壓轉換器的原理。第三節(jié)介紹了在兩 級交錯式 DC/DC 升壓轉換器中對 DM 和 CM 噪聲進行建模的方法，其中考慮了每種傳導 EMI 噪聲的噪聲源和噪聲的傳播路徑。案例研究的模擬結果在中介紹和討論，結論在第五節(jié)中給出。

第二節(jié)兩級交錯式 DC/DC 升壓轉換器

圖2顯示了兩級交錯升壓轉換器的拓撲結構，它由兩個并聯(lián)的相同升壓轉換器組成。每個并聯(lián)單元可以單獨進行升壓轉換；然而，通過將它們并聯(lián)成一個交錯拓撲并控制開關的柵極信號，電流被分配到兩個獨立且相同的路徑中。對于這種配置，需要適當調整門信號的觸發(fā)角度。每支中開關的柵極信號之間的相位差等于360°/?n. 其中n是交錯階段的數(shù)量。對于兩級交錯拓撲，此相位差等于 180°。在 PWM 開關方案中，這種相位差是在載波信號上實現(xiàn)的。圖3顯示了每個并聯(lián)單元中開關的載波信號和門級信號。二極管和開關的導通間隔取決于占空比，占空比由控制電壓決定。然而，可以看出，兩級交錯拓撲的合成工作頻率是具有相同開關頻率的非交錯升壓轉換器的工作頻率的兩倍。這是交錯技術的主要特點，可在不改變開關頻率的情況下降低電感紋波電流。

第三節(jié)傳導電磁干擾噪聲

????????在本文中，頻域方法用于模擬 DM 和 CM 噪聲。與時域方法相比，這種方法需要更少的計算工作。盡管時域方法對 DM 噪聲預測有效，但該方法需要非常小的時間步長，這顯著增加了計算時間。此外，由于時域方法后面是快速傅里葉變換，已經(jīng)證明時域方法的結果與實驗結果存在困難。?為了使用頻域方法，需要識別電路的噪聲源和噪聲傳播路徑。噪聲源與電路中的有源半導體器件有關，例如二極管和 IGBT。由于高頻噪聲的性質，包括電路的所有寄生元件至關重要，例如開關器件的 PCB 銅和電容器的電阻和電感，以及升壓電感器的合適高頻模型和直流電容器。升壓電感的建?？紤]了等效并聯(lián)電阻 (EPR) 和等效并聯(lián)電容 (EPC)。直流電容器的高頻模型作為升壓電感模型的對偶獲得，圖4a和圖4b顯示了升壓電感器和直流電容器的高頻模型。

為了測量傳導 EMI 噪聲電壓，標準線路阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡 (LISN) 被插入到轉換器的輸入端，以創(chuàng)建一個已知阻抗并提供一個噪聲測量終端。LISN 兩端的壓降是被測設備的傳導 EMI 噪聲。圖5顯示了 LISN 及其標準組件值。在該圖中，EMI 噪聲以標記為 CH@- 的節(jié)點處的電壓降的形式測量X和CH-Y。

????????已經(jīng)表明，開關器件的噪聲源可以建模為梯形波形，它顯示了每個開關周期內電壓或電流的變化，同時考慮了開關瞬間的上升和下降時間。

A. 差模噪聲

差模 (DM) 噪聲在電源電路和中性線之間傳播，并且不會通過地面。DM 噪聲源可以建模為梯形電流源。圖6顯示了圖2升壓開關的電流波形（Q1?和?Q2) 具有 180° 相位差。為簡單起見，假設上升時間等于下降時間(tr=tf).

?????????使用傅立葉分析，得到DM噪聲電流源諧波頻譜的幅值如下：

????????這里，?Id?是直流電流；?D?是占空比?(?D?=ton/T);fs是開關頻率； tr是上升時間（等于下降時間）；和n?是諧波次數(shù)。

????????考慮到升壓電感器和直流電容器的所有寄生元件和高頻模型，圖7顯示了用于 DM 噪聲分析的 兩級升壓轉換器的等效電路，其中 LISN 插入轉換器的輸入端。圖中假設頂部走線PCB銅線的電感和電阻(Lcopper+，Rcopper+)?等于底部走線對應的PCB銅皮?(Lcopper-，Rcopper-) ，設備輸出電容?(Co)是 IGBT 和反并聯(lián)二極管的等效電容。

?????????升壓開關被建模為電流源，將高頻噪聲注入電路。LISN 兩端的壓降代表傳導 DM 噪聲，計算如下：

? ? ? ?其中?ω?是開關頻率（弧度/秒）；Z boost是升壓電感模型的等效阻抗（圖4a）；Z是 LISN 端口的等效阻抗；Z parasitic是寄生元件的阻抗。Z和?Z parasitic的計算如下：

B. 共模噪聲

CM 噪聲源于開關瞬間電壓的變化率。CM 噪聲的主要路徑包括轉換器和地之間的寄生電容。在升壓轉換器中，這個寄生電容(Cp)位于連接到轉換器底盤的散熱器和 IGBT 的漏極之間。兩級交錯轉換器中的 CM 噪聲源，圖8所示，可以建模為與器件等效寄生電容串聯(lián)的電壓源(Co)。

?該電壓源的諧波頻譜如下：

?????????其中?Vo是關斷狀態(tài)下開關兩端的電壓。

????????圖9顯示了 2 級交錯升壓轉換器的 CM 噪聲源和傳播路徑。

????????傳導 CM 噪聲計算為 LISN 測量通道上的電壓降，并獲得如下：

????????對于 DM 和 CM 噪聲，由于交錯轉換器每一級噪聲源之間的 180° 相移，奇次諧波被抵消，只剩下偶次諧波。

第四節(jié) 案例分析

????????在兩級交錯式 DC/DC 升壓轉換器中，電感電流紋波的頻率是單級非交錯式拓撲結構的兩倍。因此，對于相同的額定功率和輸出條件，兩級交錯拓撲可以在較低頻率下切換。這一事實降低了轉換器的傳導 EMI 噪聲。另一方面，在交錯拓撲中具有更多半導體開關可能會增加傳導 EMI 噪聲。因此，我們研究了一個案例研究，以表征與單級拓撲相關的兩級交錯拓撲中的傳導 EMI 噪聲。用于確定 DM 和 CM 噪聲電平的 DC/DC 升壓轉換器的參數(shù)列于表1中。

????????圖10顯示了具有和不具有寄生元件的交錯拓撲以及非交錯拓撲的 DM 傳導噪聲水平的模擬結果。結果表明，交錯拓撲的 DM 噪聲水平低于非交錯拓撲。高頻下交錯和非交錯拓撲結構的 DM 噪聲變化表現(xiàn)出最大值，當忽略寄生分量時，該值不會出現(xiàn)在頻譜上。如果忽略寄生分量，則 DM 噪聲電平會被低估，尤其是在噪聲頻譜的高頻處。DM 噪聲的最大值是開關頻率和開關瞬間上升（下降）時間的函數(shù)，不隨占空比變化。圖11顯示開關頻率和開關的上升（下降）時間對交錯拓撲的最大 DM 噪聲水平的影響。

????????該圖表明，與開關頻率相比，開關的上升（下降）時間對最大 DM 噪聲水平的影響更為顯著。通常，較小的上升（下降）次數(shù)會增加最大 DM 噪聲；然而，在上升（下降）時間的某些值下，最大 DM 噪聲下降，這導致轉換器的 DM 噪聲水平顯著降低。

????????對于傳導 CM 噪聲，與非交錯拓撲相比，交錯拓撲表現(xiàn)出較低的噪聲水平。圖12顯示了傳導 CM 噪聲電平的模擬結果。從圖10和圖12可以看出，CM 噪聲是 EMI 噪聲的主要來源。

第五節(jié) 結論

????????本文研究了 2 級交錯式 DC/DC 升壓轉換器的傳導 DM 和 CM 噪聲。已經(jīng)開發(fā)了頻域中轉換器的噪聲模型，包括所有寄生元件。模擬了一個案例研究，以比較交錯式升壓轉換器和非交錯式升壓轉換器中的傳導 EMI 噪聲水平。模型的仿真結果表明，交錯拓撲的 DM 和 CM 噪聲水平明顯低于非交錯拓撲中的 EMI 噪聲水平，尤其是在傳導噪聲頻譜的高頻下。