電磁干擾傳輸途徑-磁性元件雜散參數(shù)課件

影響開關(guān)電源EMI特性的磁件設(shè)計技術(shù)陳為博士chw@福州大學(xué)電氣工程與自動化學(xué)院教授，博導(dǎo)中國電源學(xué)會常務(wù)理事，專家委員會副主席磁技術(shù)專業(yè)委員會主任委員2013.08.30影響開關(guān)電源EMI特性的磁件設(shè)計技術(shù)陳為博士2011主要內(nèi)容功率變換器的電磁干擾問題磁元件對差模噪聲的影響機理降低和控制差模噪聲的設(shè)計要點(PFC)磁元件對共模噪聲的影響機理降低和控制共模噪聲的設(shè)計要點(Flyback,LLC)變壓器共模噪聲特性的測量評估磁元件的近場干擾影響主要內(nèi)容功率變換器的電磁干擾問題2LISN功率變換器Filter共模噪聲CM-CE近場耦合RE濾波器功率變換器電磁干擾問題負(fù)載電網(wǎng)差模噪聲DM-CEEMI接收機RE接收天線阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)LISN作用：提供50W標(biāo)準(zhǔn)阻抗特性濾除電網(wǎng)諧波干擾采集傳導(dǎo)CE噪聲信號電源輸入線負(fù)載輸出線LISN功率變換器Filter共模噪聲CM-CE近場耦合RE3開關(guān)頻率提高噪音源基波和諧波頻率提高開關(guān)速度加快噪音源高頻諧波分量增多功率密度提高元器件之間近場耦合作用加強功率變換器電磁干擾問題的重要性環(huán)境友好要求EMI標(biāo)準(zhǔn)更嚴(yán)格AdapterEMI濾波器開關(guān)頻率提高噪音源基波和諧波頻率提高開關(guān)速度加快噪音源高4Rm1Lw1Rw1Cp1非均勻繞組有磁場擴(kuò)散電感電磁干擾傳輸途徑—磁性元件雜散參數(shù)Rm2Lw2Rw2Cp2內(nèi)部分布參數(shù)外部分布參數(shù)磁場泄露電場感應(yīng)Rm1Lw1Rw1Cp1非均勻繞組電感電磁干擾傳輸途徑—磁性5磁元件設(shè)計考慮要點結(jié)構(gòu)設(shè)計電氣設(shè)計損耗設(shè)計EMI設(shè)計雜散參數(shù)磁元件設(shè)計考慮要點結(jié)構(gòu)設(shè)計電氣設(shè)計損耗設(shè)計EMI設(shè)計雜散參數(shù)6變壓器中的電磁場分布與對應(yīng)參數(shù)激磁磁通漏磁通ipisim原邊電荷副邊電荷原、副邊電荷電場分布磁場分布渦流損耗磁芯損耗變壓器中的電磁場分布與對應(yīng)參數(shù)激磁磁通漏磁通ipisim原邊7差模噪聲LPFC阻抗特性Q+DLpfcLISNVdsLpfc差模EMI模型RmLwRwCpLtRtCtpVdsPFC電路輸入電感器對差模噪聲影響約12MHz差模噪聲LPFC阻抗特性Q+DLpfcLISNVdsLpf8LEPCCore01/4U1/4UU1/2U3/4U3/4U1/2UCore1/4U1/4UU1/2U3/4U3/4U01/2UCore01/2U1/2U1/8U1/8U2/8U2/8U3/8U3/8U5/8U5/8U7/8U7/8UU6/8U6/8UEPC中等EPC最大EPC最小電感器繞組分布電容形成機理與影響因素Q+DLpfcVdsLEPCCore01/4U1/4UU1/2U3/4U3/4U9變壓器原副邊耦合電容產(chǎn)生共模電流V(x)VpxLISNicmCpsVpLISNLNicmQps變壓器副邊的感應(yīng)電荷是共模噪聲的重要來源變壓器原副邊耦合電容產(chǎn)生共模電流V(x)VpxLISNicm10降低共模耦合電容的考慮增加原副邊繞組間的距離減少原副邊繞組間的面積漏感增大,體積增大繞組損耗增大采用更完全的屏蔽增加空間,成本和損耗改變電位分布簡單的方法降低共模耦合電容的考慮增加原副邊繞組間的距離漏感增大,體11改變繞組線端點位降低共模有效電容3-16-71-36-7端口1端口1端口3端口3EMIFilter1367端點1：電位變化端點端點3：電位固定端點改變繞組線端點位降低共模有效電容3-16-71-36-7端口12有內(nèi)部屏蔽銅箔變壓器繞組電場分布有內(nèi)部屏蔽銅箔V(x)VpxQpsLISNQshVpLISNLNicm

Cps由于屏蔽層屏蔽作用，變壓器副邊感應(yīng)的共模電荷大大減少有內(nèi)部屏蔽銅箔變壓器繞組電場分布有內(nèi)部屏蔽銅箔V(x)Vpx13Flyback電路變壓器共模噪聲抵消技術(shù)V(x)Vpx+Qps-QspLISN當(dāng)Qps=Qsp時，變壓器副邊的電荷將相互抵消為零VpLISNLNVp*Cps

Cps

CspVs

當(dāng)Vp*Cps=Vs*Csp時，共模噪音電流將抵消為零Vs*CspFlyback電路變壓器共模噪聲抵消技術(shù)V(x)Vpx+Qp14調(diào)整變壓器共模有效電容的方法Caddxx外加電容改變屏蔽層面積PSUpxHotpointCps(x)Csp(x)PSCsp(d)d改變絕緣層厚度調(diào)整變壓器共模有效電容的方法Caddxx外加電容改變屏蔽層面15LrCrD1D2ABEFCsp2Csp1CoRoPECiQ2Q1CrPPS1S2屏蔽層r如果Csp1=Csp2，則副邊電位變化引起的共模噪聲抵消S1S2LLC電路副邊噪聲源影響噪聲抵消技術(shù)PLrCrD1D2ABEFCsp2Csp1CoRoPECiQ216變壓器共模耦合電容的測試方法沿著繞組導(dǎo)體上的電壓分布不均勻原副邊繞組之間有屏蔽CpsCab=Cps+CshsCab=Cps+Cshp//Cshsabab網(wǎng)絡(luò)分析儀/接收機等（兩端口）outputinputCpsCpsIcmVLCR表/阻抗分析儀等（單端口）變壓器共模耦合電容的測試方法沿著繞組導(dǎo)體上的電壓分布不均勻17磁性元件近場耦合效應(yīng)CMfilterD2DchokeVo=48VTopo=PFC+PSFBfs(PFCstage)=89Kfs(D2Dstage)=74KDC/DC74kHz&itsharmonics

Aux-PS65kHz&itsharmonics

PFC89kHz&itsharmonics

磁性元件近場耦合效應(yīng)CMfilterD2DchokeVo18磁性元件近場耦合對EMI的影響共模電感輸出濾波電感互感MCxLcmLCx磁性元件近場耦合對EMI的影響共模電感輸出濾波電感互感MCx19x|Bx||By||B|環(huán)形電感產(chǎn)生的磁場近場輻射干擾磁場探頭測量的磁感應(yīng)強度B分布電磁場仿真的B分布yxxyy開口方向x|Bx||By||B|環(huán)形電感產(chǎn)生的磁場近場輻射干擾磁場探20共模電感對外部磁場干擾敏感度分析-

++

--

++

-+

-Bx

是最敏感的感應(yīng)磁場分量BxByBz+

-xyz感應(yīng)電動勢E=0感應(yīng)電動勢E≠0感應(yīng)電動勢E較小共模電感對外部磁場干擾敏感度分析-

++

--

++

-+

21|Bx|T-輸出濾波電感CM共模電感具有最小干擾的相對位置開口方向開口方向|Bx|T-輸出濾波電感CM共模電感具有最小干擾的相對位置開22影響近場耦合效應(yīng)的因素分析干擾元件與被干擾元件之間的距離干擾元件與被干擾元件之間的相對位置/角度被干擾元件的內(nèi)部分布參數(shù)--R,L&CRLCjwM*ii噪聲電流被干擾元件U干擾電壓干擾元件U干擾電壓影響近場耦合效應(yīng)的因素分析干擾元件與被干擾元件之間的距離23磁性元件由于體積大，其對地電場耦合較大。—般采用法拉第電磁屏蔽技術(shù)優(yōu)點：屏蔽電場缺點：屏蔽高頻磁場，改變磁件磁性參數(shù)；由于渦流效應(yīng)所產(chǎn)生的損耗較大。傳統(tǒng)電磁屏蔽體會影響磁件的磁性參數(shù)，不適用于一些磁性參數(shù)有特殊用途的場合差模電感諧振電感電場屏蔽方式磁性元件由于體積大，其對地電場耦合較大。優(yōu)點：屏蔽電場缺點：24由若干根金屬導(dǎo)線組成梳狀或網(wǎng)狀；在每根導(dǎo)體上各取一個點連接起來，且不構(gòu)成電回路。梳狀電場屏蔽體的原理結(jié)構(gòu)：梳狀電場屏蔽體可能的連接結(jié)構(gòu)：只屏蔽電場,不屏蔽磁場,即對磁場分布/磁性參數(shù)沒有影響梳狀導(dǎo)體屏蔽體由若干根金屬導(dǎo)線組成梳狀或網(wǎng)狀；梳狀電場屏蔽體的原理結(jié)構(gòu)：梳25總結(jié)磁性元件對功率變換器的EMI電磁噪聲有很大的影響磁性元件的設(shè)計和整改是降低EMI噪聲的很有效方法總結(jié)磁性元件對功率變換器的EMI電磁噪聲有很大的影響26謝謝！謝謝！27影響開關(guān)電源EMI特性的磁件設(shè)計技術(shù)陳為博士chw@福州大學(xué)電氣工程與自動化學(xué)院教授，博導(dǎo)中國電源學(xué)會常務(wù)理事，專家委員會副主席磁技術(shù)專業(yè)委員會主任委員2013.08.30影響開關(guān)電源EMI特性的磁件設(shè)計技術(shù)陳為博士20128主要內(nèi)容功率變換器的電磁干擾問題磁元件對差模噪聲的影響機理降低和控制差模噪聲的設(shè)計要點(PFC)磁元件對共模噪聲的影響機理降低和控制共模噪聲的設(shè)計要點(Flyback,LLC)變壓器共模噪聲特性的測量評估磁元件的近場干擾影響主要內(nèi)容功率變換器的電磁干擾問題29LISN功率變換器Filter共模噪聲CM-CE近場耦合RE濾波器功率變換器電磁干擾問題負(fù)載電網(wǎng)差模噪聲DM-CEEMI接收機RE接收天線阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)LISN作用：提供50W標(biāo)準(zhǔn)阻抗特性濾除電網(wǎng)諧波干擾采集傳導(dǎo)CE噪聲信號電源輸入線負(fù)載輸出線LISN功率變換器Filter共模噪聲CM-CE近場耦合RE30開關(guān)頻率提高噪音源基波和諧波頻率提高開關(guān)速度加快噪音源高頻諧波分量增多功率密度提高元器件之間近場耦合作用加強功率變換器電磁干擾問題的重要性環(huán)境友好要求EMI標(biāo)準(zhǔn)更嚴(yán)格AdapterEMI濾波器開關(guān)頻率提高噪音源基波和諧波頻率提高開關(guān)速度加快噪音源高31Rm1Lw1Rw1Cp1非均勻繞組有磁場擴(kuò)散電感電磁干擾傳輸途徑—磁性元件雜散參數(shù)Rm2Lw2Rw2Cp2內(nèi)部分布參數(shù)外部分布參數(shù)磁場泄露電場感應(yīng)Rm1Lw1Rw1Cp1非均勻繞組電感電磁干擾傳輸途徑—磁性32磁元件設(shè)計考慮要點結(jié)構(gòu)設(shè)計電氣設(shè)計損耗設(shè)計EMI設(shè)計雜散參數(shù)磁元件設(shè)計考慮要點結(jié)構(gòu)設(shè)計電氣設(shè)計損耗設(shè)計EMI設(shè)計雜散參數(shù)33變壓器中的電磁場分布與對應(yīng)參數(shù)激磁磁通漏磁通ipisim原邊電荷副邊電荷原、副邊電荷電場分布磁場分布渦流損耗磁芯損耗變壓器中的電磁場分布與對應(yīng)參數(shù)激磁磁通漏磁通ipisim原邊34差模噪聲LPFC阻抗特性Q+DLpfcLISNVdsLpfc差模EMI模型RmLwRwCpLtRtCtpVdsPFC電路輸入電感器對差模噪聲影響約12MHz差模噪聲LPFC阻抗特性Q+DLpfcLISNVdsLpf35LEPCCore01/4U1/4UU1/2U3/4U3/4U1/2UCore1/4U1/4UU1/2U3/4U3/4U01/2UCore01/2U1/2U1/8U1/8U2/8U2/8U3/8U3/8U5/8U5/8U7/8U7/8UU6/8U6/8UEPC中等EPC最大EPC最小電感器繞組分布電容形成機理與影響因素Q+DLpfcVdsLEPCCore01/4U1/4UU1/2U3/4U3/4U36變壓器原副邊耦合電容產(chǎn)生共模電流V(x)VpxLISNicmCpsVpLISNLNicmQps變壓器副邊的感應(yīng)電荷是共模噪聲的重要來源變壓器原副邊耦合電容產(chǎn)生共模電流V(x)VpxLISNicm37降低共模耦合電容的考慮增加原副邊繞組間的距離減少原副邊繞組間的面積漏感增大,體積增大繞組損耗增大采用更完全的屏蔽增加空間,成本和損耗改變電位分布簡單的方法降低共模耦合電容的考慮增加原副邊繞組間的距離漏感增大,體38改變繞組線端點位降低共模有效電容3-16-71-36-7端口1端口1端口3端口3EMIFilter1367端點1：電位變化端點端點3：電位固定端點改變繞組線端點位降低共模有效電容3-16-71-36-7端口39有內(nèi)部屏蔽銅箔變壓器繞組電場分布有內(nèi)部屏蔽銅箔V(x)VpxQpsLISNQshVpLISNLNicm

Cps由于屏蔽層屏蔽作用，變壓器副邊感應(yīng)的共模電荷大大減少有內(nèi)部屏蔽銅箔變壓器繞組電場分布有內(nèi)部屏蔽銅箔V(x)Vpx40Flyback電路變壓器共模噪聲抵消技術(shù)V(x)Vpx+Qps-QspLISN當(dāng)Qps=Qsp時，變壓器副邊的電荷將相互抵消為零VpLISNLNVp*Cps

Cps

CspVs

當(dāng)Vp*Cps=Vs*Csp時，共模噪音電流將抵消為零Vs*CspFlyback電路變壓器共模噪聲抵消技術(shù)V(x)Vpx+Qp41調(diào)整變壓器共模有效電容的方法Caddxx外加電容改變屏蔽層面積PSUpxHotpointCps(x)Csp(x)PSCsp(d)d改變絕緣層厚度調(diào)整變壓器共模有效電容的方法Caddxx外加電容改變屏蔽層面42LrCrD1D2ABEFCsp2Csp1CoRoPECiQ2Q1CrPPS1S2屏蔽層r如果Csp1=Csp2，則副邊電位變化引起的共模噪聲抵消S1S2LLC電路副邊噪聲源影響噪聲抵消技術(shù)PLrCrD1D2ABEFCsp2Csp1CoRoPECiQ243變壓器共模耦合電容的測試方法沿著繞組導(dǎo)體上的電壓分布不均勻原副邊繞組之間有屏蔽CpsCab=Cps+CshsCab=Cps+Cshp//Cshsabab網(wǎng)絡(luò)分析儀/接收機等（兩端口）outputinputCpsCpsIcmVLCR表/阻抗分析儀等（單端口）變壓器共模耦合電容的測試方法沿著繞組導(dǎo)體上的電壓分布不均勻44磁性元件近場耦合效應(yīng)CMfilterD2DchokeVo=48VTopo=PFC+PSFBfs(PFCstage)=89Kfs(D2Dstage)=74KDC/DC74kHz&itsharmonics

Aux-PS65kHz&itsharmonics

PFC89kHz&itsharmonics

磁性元件近場耦合效應(yīng)CMfilterD2DchokeVo45磁性元件近場耦合對EMI的影響共模電感輸出濾波電感互感MCxLcmLCx磁性元件近場耦合對EMI的影響共模電感輸出濾波電感互感MCx46x|Bx||By||B|環(huán)形電感產(chǎn)生的磁場近場輻射干擾磁場探頭測量的磁感應(yīng)強度B分布電磁場仿真的B分布yxxyy開口方向x|Bx||By||B|環(huán)形電感產(chǎn)生的磁場近場輻射干擾磁場探47共模電感對外部磁場干擾敏感度分析-

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