高频高压电源的电磁兼容设计方法综述_刘坤

IGBT
C
C
R
RD
IGBT
图 2 RC 及 RCD 吸收电路 (2) 串接可饱和磁芯线圈和吸收电路：如图 3 所示，将整 流二极管 D 串接可饱和磁芯的线圈 L 及吸收回路后，由于可 饱和磁芯线圈在通过正常电流时磁芯饱和，电感量很小，所以 不会影响电路正常上作。但是一旦电流要反向时，磁芯线圈将 产生很大的反电动势，阻止反向电流的上升，因此能有效地抑 制二极管 D 的反向浪涌电流。
综
述
高频高压电源的电磁兼容设计方法综述
刘 坤， 高迎慧， 严 萍 (中国科学院 电工研究所，北京 100190)
摘要：高频高压电源的广泛应用使其稳定性和可靠性的要求不断提高，解决高频高压电源的电磁兼容问题成为新的研
究热点。根据高频高压充电电源的特点，结合电磁兼容设计的基本理论，归纳了近年来对于高频高压电源电磁兼容问
Dx
Cx Rx
-L
D
+
图 3 可饱和磁芯线圈及吸收电路
(3) LLC 串联谐振技术[11]：图 4 为 LLC 串联谐振的拓扑 结构。从图中可以看出，两个主开关 Q1，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。
如果高频高压电源的软硬件设计参数已经确定且无法改 动时，为了满足电磁兼容的要求，通常采用切断电磁干扰的传 输路径这一方法。其中，屏蔽和滤波是目前采用最为广泛的技 术。采用屏蔽的方法来抑制电磁干扰的传输，可以将充电电源 的机箱设计成各功能模块相互隔离的形式，文献[13]就给出 了一种实用的设计方法，有效地抑制了电磁干扰在空间上的 辐射。但是，由于收到机箱尺寸以及模块之间连接的限制，屏 蔽并不能提供完整的电磁干扰防护，而且，当两台或多台电源 相连接完成共同工作时，连接线就起了接收和辐射天线的作 用。在这种情况下，最有效的方法就是采用滤波技术，在导线 上加装 EMI 滤波器，来切断电磁干扰的传播途径。
Electromagnetic compatibility design methods of high-frequency and
high-voltage power supply LIU Kun, GAO Ying-hui, YAN Ping
(Institute of Electrical Engineering, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China)
文献[14]详细介绍了 EMI 滤波器的原理，并按照阻抗最 大不匹配原则分析了滤波器的选用方法，同时讲述了单级和 两级及多级滤波器的几种典型结构，并针对开关电源的特点 设计了有效的 EMI 滤波器。文献[10]对于共模和差模电源线 滤波器进行了详细的原理阐述和性能比较，并根据通信用的 开关电源产生的电磁干扰的特点，对其共模和差模干扰进行 了滤波器设计方法的介绍。近年来，各种功能强大的滤波器已 广泛地应用于高频高压电源领域，文献[15]就利用交流 EMI 滤波电路研制了一种高电磁兼容性的高压开关电源，文献 [16]设计了一种高性能的 EMI 传到分离网络，有效地改善了 电力电子系统的电磁兼容性能。文献[17]分析了高频分布参 数对滤波器频率特性的影响，设计并调整了滤波器的结构及 参数，有效抑制了 EMI 传导干扰。文献[18]分析了传统无源电 磁干扰滤波器的缺点，提出有源共模滤波器的设计思想，分析 了其工作原理并验证了其可靠性。文献[12]采用了改进的滤 波器，增加了差模扼流圈，地线扼流圈以及瞬态抑制器，同时 在电源入口端用磁环套在引线端上，有效地抑制了共模和差 模干扰。
Q1
Cs Ls
Q2
Lm
图 4 LLC 串联谐振拓扑结构 (4) 变压器的设计[12]：在变压器设计中，绝缘材料的选择 和绕制应尽量减小各部分的分部电容，并通过在初次极之间 加一屏蔽层，这样可以有效地降低等效电容。由于高压电源变
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压器是升压型的，相对于二次侧的分布电容来说，一次侧的分 布电容对电路影响较小。为了减小二次侧分布电容的危害， 可以把变压器次级设计成双绕组，用吸收变压器把绕组间分 布电容的谐振能量转移到主电路之外，相当于在二次侧分布 电容两端各加了一个电阻，从而使电流尖峰减小，使电路处于 阻尼状态，减小了电磁辐射。
1 高频高压电源与电磁兼容
电磁兼容设计的目的是使所设计的电子设备或系统在预
ÂÁ 期的电磁环境中实现电磁兼容，即要求设备或系统在其电磁
后果必须具备电磁干扰源、耦合途径和敏感设备三个基本要 素[1]。
图 1 是一个典型的高频高压充电电源系统结构图。图中 表明，该系统已经具备了形成电磁干扰的三个基本要素，使高 频高压充电系统所处的电磁环境极易受到系统本身及外界的 电磁干扰。
20世纪 90 年代后，随着高频开关器件的陆续出现，高频 高压充电电源也逐渐成为高压领域的研究热点。高频高压充 电电源在体积、质量、造价、效率和控制灵活性等方面具有明 显优势，因此也得到广泛应用。但是，由于工作频率的提高， 以及高频开关器件的使用，这种充电电源的电磁干扰带来的 问题也随之突显，如何对高频高压充电电源进行可靠的电磁 兼容设计成为一项新的研究课题。
受的电磁干扰的能力。其中电磁干扰指任何可能引起装置、 [6-7]对高频变压器以及谐振电路所产生的电磁干扰及抑制方
设备或系统性能降低，或对有生命及无生命物质产生损害作
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用的电磁现象。由电磁干扰源发射的电磁能量，经过耦合途
AC380
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径传输到敏感设备的过程称为电磁干扰效应，形成电磁干扰
收稿日期：2011- 03- 02 基金项目：电力系统及发电设备控制和仿真国家重点实验室开 放课题资助项目(SKLD09KM15) 作者简介：刘坤(1983—)，男，山东省人，工学硕士，主要研究方向 为电力电子及其应用、高频高压电源等。
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图 1 高频高压充电电源系统结构图 2011.10 Vol.35 No.10
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法作了介绍。其次，充电电源中的控制电路、驱动电路等都是 该系统中的敏感设备，其中的控制芯片及通信设备极易受到 外界的电磁干扰导致工作不正常。第三，在该系统中，连接低 压电路和高压设备的驱动线和通信线路，以及整个系统所在 的空间构成了电磁干扰的耦合途径，使开关器件及高频变压 器产生的电磁干扰传导到控制电路及驱动电路等敏感设备 上。
当系统参数一定时，可以通过硬件方面的改进来减小电 磁干扰源所发出的电磁干扰。包括以下几种常用的方法：
(1) 并接吸收装置：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 等，如图 2 所示。 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。
2 抑制高频高压电源电磁干扰的措施
抑制电磁干扰，提高系统的电磁兼容性通常可以从三个 方面着手，一是减小电磁干扰源发出的电磁干扰，二是切断电 磁干扰的传播途径，三是提高敏感设备的抗电磁干扰能力。其 中，减小电磁干扰源所发出的干扰是最本质的电磁兼容设计 方案。一般来说，减小电磁干扰源发出的电磁干扰可以从“软 件”和“硬件”两方面采取措施。
首先，该系统中充电电源本身就是一个电磁干扰源，其中 的开关器件及高频变压器在工作过程中都会发射巨大的电磁 能量，产生电磁干扰。对于开关器件的电磁干扰研究早在上世 纪 90 年代就已有纪录，文献[2-5]分别分析了晶闸管、IGBT、
环境下能正常工作，并且不对该环境中任何事物构成不能承
MOSFET 等开关器件所产生的电磁干扰现象。另外，文献
所谓软件措施就是在设计初期就对整个系统的电磁兼容 性进行分析，设计合适的系统参数以便使系统产生最小的电 磁干扰。对于图 1 所示的串联谐振式高频高压充电系统来说， 最有效地减小电磁干扰源发出的电磁干扰的方法就是调节串 联谐振电路的频率。文献[8]指出，其逆变器工作频率 fs 与其 串联谐振负载电路固有谐振频率 fo 的关系决定着电磁干扰的 大小。当 f s> f o 时，开关器件工作在硬开关状态，电磁干扰较 大；当 fo/2≤f s≤f o 时，开关器件工作在软关断、硬开通状态， 电磁干扰相对较小；当 f s < f o/2 时，开关器件可工作在软开关 状态，电磁干扰最小。所以，设计合适的逆变器工作频率和串 联谐振电路的工作频率，可以有效地降低电磁干扰源所发出 的电磁干扰，有利于提高整个系统的电磁兼容性。另外，为了 减小系统中开关器件所发出的电磁干扰，可以采用开关电源 中使用的频率调制技术。文献[9]就给出了一种频率调制技 术，通过调制开关信号，将集中在基波频率和谐波频率上的谱 能量分散到边带频率上，减小最大谱峰值，从而使开关电源可 以较为容易地通过 EMI 的相关规定。文献[10]使用的软开关 技术是减小开关器件损耗和改善开关器件电磁兼容特性的重 要方法，使用软开关技术使开关管在零电压、零电流时进行开 关转换可以有效地抑制电磁干扰。与之类似的是，文献[11]采 用准谐振技术，使开关管在电压谷底开通，把开关损耗减到很 小，而且能降低噪声。此外，为了解决输入电流波形畸变和降 低电流谐波含量，文献[10]还使用了一种开关电源功率因数 校正(PFC)技术，使得电流波形跟随电压波形，将电流波形校 正成近似的正弦波。从而降低了电流谐波含量，改善了桥式整 流电容滤波电路的输入特性，同时也提高了开关电源的功率 因数。
题的研究情况，从抑制干扰源、切断传播途径、保护敏感设备三个方面总结了一系列有效的抑制电磁干扰的方法，并为
今后高频高压电源的电磁兼容设计提供了研究方向。
关键词：高频高压电源；电磁兼容；电磁干扰抑制
中图分类号：TM 51 文献标识码：A
文章编号：1002- 087 X(2011)10- 1325- 04
Abstract: As the extensive use of high- frequency and high- voltage power supply (HHPS), it is required to be more stable and reliable. Solving the electromagnetic compatibility (EMC) of HHPS becomes the new study focus. Combining with the feature of HHPS and the base theory of EMC, the recent studying conditions on the EMC of HHPS was concluded, and the series effective methods were summarized to reduce the electromagnetic interference (EMI) on three aspects, which restrained the interference sources, cut off the route transmissions and protected the sensitive equipments. The studying direction of the EMC design of HHPS was also provided. Key words: high- frequency and high- voltage power supply; electromagnetic compatibility; reduce the electromagnetic interference