功率变换器及该功率变换器共模emi噪声源抑制方法
【专利摘要】本发明公开了一种功率变换器及该功率变换器共模EMI噪声源抑制方法，该功率变换器将现有技术中的Boost-PFC变换器的主电路中的电感拆分为两个电感，从源头抑制主要共模EMI噪声源。同时，通过调整第一电感与第二电感的匝比，并测量每个匝比情况下电路的共模噪声，选取共模噪声最低值对应的匝比，来获取的最低共模EMI噪声源的功率变换器。
【专利说明】功率变换器及该功率变换器共模EMI噪声源抑制方法
【技术领域】
[0001]本发明属于变换器领域，具体地说是一种功率变换器及该功率变换器共模EMI噪声源抑制方法。
【背景技术】
[0002]随着电力电子技术的发展，功率变换器的传导电磁干扰问题的严重性愈发凸显。为了限制功率变换器与其他设备之间的相互干扰，功率变换器在投放市场之前，必须通过相关的电磁兼容(EMC)标准测试。因此在现有技术中，功率变换器中往往使用一个EMI滤波器来降低其EMI噪声。这类EMI滤波器在功率变换器中往往占据很大空间，而共模扼流圈又在滤波器中占据大量空间。为了使功率变换器获得更高的功率密度，如何减小EMI滤波器体积，尤其是其中共模扼流圈的体积，是一个值得思考的问题。
[0003]目前常见的Boost-PFC变换器包括变换器主电路和控制电路，如图1所示，Boost-PFC变换器主电路包括输入端滤波电解电容C1, Boost变换器电感L，MOSFET开关管Q，二极管D，输出滤波电解电容Q，负载& ；M0SFET漏极与地之间存在寄生电容Ca，二极管阴极、负载与地之间存在寄生电容Cb，输出母线对地存在寄生电容C。。Rm为线性阻抗稳定网络(Line Impedance Stabilizat1n Networks,简称 LISN)中两个测试阻抗，均为 50 Ω。在该电路中，电感L 一端与输入端滤波电解电容C1正极性端相连，另一端与MOSFET开关管漏极、二极管D阳极相连；二极管D阴极与输出滤波电解电容Q正极性端、负载&正端相连；输入滤波电解电容C1负极性端、MOSFET开关管源极、输出滤波电解电容q负极性端、负载负端四者与直流电流返回路径相连，MOSFET开关管栅极与控制电路相连。
[0004]传统主电路结构的Boost-PFC变换器中，往往存在较大的共模噪声干扰。变换器中，开关管Q与散热器之间存在较大的寄生电容，而散热器与地相接。变换器工作时，开关管Q两端承受电压高，开关动作快，因而dv/dt较高。开关管两端较高的dv/dt对Q与散热器之间的寄生电容充放电，产生电流，该电流流过寄生电容、地、LISN构成的回路，LISN上此时所测共模噪声即为由Q所在支路产生的共模噪声。由此分析可知，开关管Q所在支路为主要的共模噪声源。对主要共模噪声源进行抑制，变换器总的共模噪声便能得到大幅降低，从而有效减小共模扼流圈体积。
[0005]根据电路理论中的替代定理，图1中QX1和Q所在支路可以用波形和这几条支路端电压波形相同的电压源W0替代。同理，二极管D所在支路可以用电流波形和该支路中流过电流波形相同的电流源Id替代。替代之后的电路图如图2所示。
[0006]根据电路理论中的叠加定理，各支路对共模噪声作用效果的叠加形成总的共模噪声。开关管Q所在支路是主要的共模噪声源。在此对主要共模噪声源进行抑制，不考虑其余支路的影响。因此对电路进行简化，将图2中除Vk外的其余电压源短路，电流源开路，得到图3—噪声源Vk耦合简化等效电路。Rusn为两个Rm并联等效电阻，其值大小为25 Ω。Icm为共模噪声电流，Iqi在Rusn产生的压降就是测试得到的共模噪声。对共模噪声抑制，就是最大程度减小I?，从而使Rusn上所测共模噪声尽量小。
【发明内容】
[0007]本发明解决的技术问题在于将现有技术中的Boost-PFC变换器的主电路中的电感拆分为两个电感，从源头抑制主要共模EMI噪声源。
[0008]为解决上述技术问题，本发明一种功率变换器，包括变换器主电路和控制电路，所述变换器主电路包括第一电感、第二电感、输入端滤波电解电容、MOSFET开关管、二极管、输出滤波电解电容和负载，其中，第一电感与第二电感绕在同一磁芯上且紧密耦合，第一电感与第二电感均包括第一端和第二端，第一电感的第一端与第二电感的第一端互为同名端，
[0009]输入端滤波电解电容正极性端与第一电感的第一端相连；输入滤波电解电容负极性端与第二电感的第二端相连，第一电感的第二端分别与MOSFET开关管漏极、二极管阳极相连；二极管阴极分别与输出滤波电解电容正极性端、负载正端相连；第二电感的第一端分别与MOSFET开关管源极、输出滤波电解电容负极性端、负载负端相连；M0SFET开关管栅极与控制电路相连。
[0010]进一步的优选方案，本发明的功率变换器中，所述第一电感与第二电感的耦合系数为I。
[0011]进一步的优选方案，本发明的功率变换器中，所述第一电感与第二电感的匝比可调。
[0012]进一步的优选方案，本发明的功率变换器中，所述第一电感与第二电感的匝比固定，所述二极管阴极与地之间还包括一电容。
[0013]同时，本发明还提出了一种功率变换器共模EMI噪声源抑制方法，调整第一电感与第二电感的匝比，并测量每个匝比情况下电路的共模噪声，选取共模噪声最低值对应的匝比，具体的调整方法为:预设第一电感为η-l匝，第二电感为I匝，测试其共模噪声；第一次调整时，令第二电感为2匝，第一电感为n-2匝，测试此时电路共模噪声；继续调整，按照在上一次调整基础上，第二电感增加一匝，第一电感减少一匝的原则进行调整，直到第一电感为I阻，第二电感为η-l阻为止。
[0014]本发明与现有技术相比具有以下显著的优点:该方法不需在原有电路结构上做大的变动，易于实现，抑制共模噪声效果明显，能降低对EMI滤波器中共模扼流圈的要求，从而显著减小共模扼流圈的体积。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1是现有Boost-PFC变换器主电路及其共模寄生参数。
[0016]图2是用电压源、电流源替代后的Boost-PFC变换器等效电路。
[0017]图3是噪声源Vk耦合简化等效电路。
[0018]图4是改进后的Boost-PFC变换器主电路及其共模寄生参数。
[0019]图5是拆分电感并解耦之后的噪声源Vk耦合简化等效电路。
[0020]图6是图5简化电路。
[0021]图7是考虑不平衡状态的噪声源Vk耦合简化等效电路。
[0022]图8是图7戴维南等效电路。
【具体实施方式】
[0023]如图4所示，本发明将现有Boost-PFC变换器的主电路中的电感拆分为两个电感，具体电路结构如下:
[0024]一种功率变换器，包括变换器主电路和控制电路，所述变换器主电路包括第一电感Lb1、第二电感Lb2、输入端滤波电解电容Q、MOSFET开关管Q、二极管D、输出滤波电解电容Q和负载&，其中，第一电感与第二电感绕在同一磁芯上且紧密耦合，耦合系数为I，第一电感与第二电感均包括第一端和第二端，第一电感的第一端与第二电感的第一端互为同名端，
[0025]输入端滤波电解电容正极性端与第一电感的第一端相连；输入滤波电解电容负极性端与第二电感的第二端相连，第一电感的第二端分别与MOSFET开关管漏极、二极管阳极相连；二极管阴极分别与输出滤波电解电容正极性端、负载正端相连；第二电感的第一端分别与MOSFET开关管源极、输出滤波电解电容负极性端、负载负端相连；M0SFET开关管栅极与控制电路相连；其中，第一电感与第二电感的匝比可调。
[0026]对图4所示电路进行等效分析，将第一电感Lbi和第二电感Lb2解耦之后，在其原支路上分别得到两个值为U、L2的等效电感，等效电感的值分别等于LB1、Lb2的自感值加上它们之间的互感值。拆分电感之后，串入改变后的Boost-PFC变换器主电路的电感值应与串入现有Boost-PFC变换器主电路中的电感值保持一致，即应满足LJL2 = L0拆分电感并解耦之后的噪声源Vk耦合简化等效电路如图5。
[0027]在图5中，将L1阻抗值用Z1表示，其所在支路称为Z1支路；将L2阻抗值用Z2表示，其所在支路称为Z2支路；将寄生电容Ca阻抗值用Z3表示，其所在支路称为Z3支路；将寄生电容Cb与寄生电容C。两者并联的阻抗值用Z4表不，两者并联支路称为Z4支路。将各支路阻抗分别用Z1、Z2、Z3、Z4简化表示，得到图5简化电路一图6。图6所示为一个桥式电路，当满足条件Z1A2 = Z3/Z4时，图6中Iqi = 0，此时LISN上所测由开关管Q所在支路引起的共模噪声为0，主要共模噪声源得到抑制。
[0028]本发明也考虑了图6桥式电路不能达到百分之百平衡的情况，及其对共模噪声抑制效果的影响。图6电路平衡的条件是由Z1A2 = Z3/Z4给出，这四个阻抗中的任意一个的数值发生变动都会导致电路的不平衡。我们可以选择Z1作为打破电路平衡的那个量，以此来分析桥式电路阻抗不平衡对共模噪声的影响。我们设Zl上的扰动量为AZ1，得到图7。根据电路理论中戴维南等效定理，可以将图7等效为图8，其中
[0029]Zs = Z1//Z2+Z3//Z4
【权利要求】
1.一种功率变换器，包括变换器主电路和控制电路，其特征在于，所述变换器主电路包括第一电感、第二电感、输入端滤波电解电容、MOSFET开关管、二极管、输出滤波电解电容和负载，其中，第一电感与第二电感绕在同一磁芯上且耦合，第一电感与第二电感均包括第一端和第二端，第一电感的第一端与第二电感的第一端互为同名端， 输入端滤波电解电容正极性端与第一电感的第一端相连；输入滤波电解电容负极性端与第二电感的第二端相连，第一电感的第二端分别与MOSFET开关管漏极、二极管阳极相连；二极管阴极分别与输出滤波电解电容正极性端、负载正端相连；第二电感的第一端分别与MOSFET开关管源极、输出滤波电解电容负极性端、负载负端相连；M0SFET开关管栅极与控制电路相连。
2.根据权利要求1所述功率变换器，其特征在于:所述第一电感与第二电感的耦合系数为I。
3.根据权利要求1所述功率变换器，其特征在于:所述第一电感与第二电感的匝比可调。
4.根据权利要求1所述功率变换器，其特征在于:所述第一电感与第二电感的匝比固定，所述二极管阴极与地之间还包括一电容。
5.—种权利要求3所述功率变换器共模EMI噪声源抑制方法,其特征在于，调整第一电感与第二电感的匝比，并测量每个匝比情况下电路的共模噪声，选取共模噪声最低值对应的匝比，具体的调整方法为:预设第一电感为η-l匝，第二电感为I匝，测试其共模噪声；第一次调整时,令第二电感为2匝，第一电感为n-2匝，测试此时电路共模噪声；继续调整，每次调整按照在上一次调整基础上，第二电感增加一匝，第一电感减少一匝的原则进行调整，直到第一电感为I匝，第二电感为η-l匝为止。
【文档编号】H02M1/44GK104079162SQ201410256307
【公开日】2014年10月1日 申请日期:2014年6月10日 优先权日:2014年6月10日
【发明者】王世山, 周峰 申请人:南京航空航天大学