隔离型变换器共模传导干扰的建模与抑制方法研究

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隔离型变换器具有电压匹配和电气隔离的优点,已广泛应用于各种功率变换场合。由于主功率器件工作在高频开关状态,电路中电位高频跳变的节点会通过对地的寄生电容,以及变压器原副边绕组间的分布电容产生位移电流,引起共模传导干扰。为了减小隔离型变换器的共模传导干扰,需要加入共模EMI滤波器,但这会占据较大的体积,制约电源的功率密度和效率的提升。因此,有必要抑制隔离型变换器的原始共模传导干扰,从而减小共模EMI滤波器的体积。本文将建立隔离型变换器共模传导干扰的模型,并研究原始共模传导干扰的抑制方法。在隔离型变换器中,变压器原副边绕组间的分布电容是共模传导干扰的主要传递路径之一。由于变压器的分布电容模型较为复杂,不便于分析共模传导干扰,因此通常将其等效为集总电容。本文分析了变压器原副边绕组间分布电容的特点,推导了一般绕组结构变压器中流过其分布电容的位移电流表达式。基于位移电流不变原则,推导了集总电容的一般表达式,由此建立了一种通用的变压器集总电容模型。该集总电容模型适用于一般绕组结构的变压器,且不依赖于变换器拓扑。最后,制作了不带屏蔽层和带屏蔽层的两个变压器,测试了流过它们原副边绕组间分布电容的位移电流,并将其与采用变压器集总电容模型计算的结果进行对比。实测结果验证了变压器集总电容模型的正确性。利用变压器集总电容模型,本文建立了基本隔离型变换器的共模干扰等效电路,并对其进行了简化,提出了等效干扰源的概念。等效干扰源综合了变压器绕组结构和副边整流滤波电路结构等影响共模传导干扰的因素,是分析隔离型变换器共模传导干扰的有效方法。应用等效干扰源分析了基本隔离型变换器在不同副边整流滤波电路结构下的共模传导干扰的特点,揭示了某些拓扑具有共模干扰自然对消的特性,即这些拓扑的共模干扰能够通过合理设计变压器绕组结构来减小到零。最后,在实验室制作了一台40W的反激变换器原理样机,测试并比较了整流二极管位置不同时变换器的共模干扰,验证了等效干扰源和共模干扰等效电路的正确性。变压器屏蔽技术是减小隔离型变换器共模干扰的有效方法之一。本文对单层屏蔽技术进行了分析,指出单层屏蔽能够阻断变压器中相邻原副边绕组间的电场耦合,但是该屏蔽层到与之相邻的绕组之间仍然存在引起共模传导干扰的位移电流。绕组对消法能够有效消除相邻原副边绕组的位移电流,但是难以应用于原副边绕组夹绕的情形。为此,本文将单层屏蔽和绕组对消法相结合,将屏蔽层调整为绕组的形式,使其在保留屏蔽作用的同时具有绕组对消的功能,提出了抑制隔离型变换器共模传导干扰的屏蔽-对消技术。在实验室搭建了一台60W的反激变换器原理样机,测试并比较了变换器在三种变压器(不加屏蔽的变压器、加入单层屏蔽的变压器以及采用屏蔽-对消技术的变压器)下的共模干扰。实验结果表明,当反激变换器的变压器采用屏蔽-对消技术时,其共模干扰最低。进一步地,提出将屏蔽-对消技术分别与对称电路和无源对消电路相结合,以消除流过原边电路中电位高频跳变节点到地的寄生电容的位移电流。移相控制全桥变换器具有开关管电压应力低,能够实现软开关等优点,在中大功率场合有着广泛的应用。本文将该变换器两桥臂中点对地的电压和谐振电感电压视为引起共模传导干扰的电压源,建立了移相控制全桥变换器的共模干扰模型。基于该模型,提出了采用对称电路,即对称谐振电感加对称变压器的方法,有效消除了谐振电感电压对共模传导干扰的影响。在此基础上,加入由补偿绕组和补偿电容构成的无源对消电路,进一步消除了由两桥臂中点对地的电压引起的共模传导干扰。本文阐明了对称电路和无源对消电路相结合以实现共模传导干扰抑制的必要性,指出只有同时采用对称电路和无源对消电路,移相控制全桥变换器的共模传导干扰才能显著降低。在实验室研制了一台1kW的移相控制全桥变换器原理样机,对所提出的共模干扰抑制方法进行了实验验证。实验结果表明,同时采用对称电路和无源对消电路,有效降低了移相控制全桥变换器的共模干扰。
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