PFC电源设计与电感设计计算(十) - PFC设计的电磁兼容性问题与对策(1) 10A

各位电源工程师朋友们

大家好

我是邵革良

这一讲我们主要讲解

有关 PFC 电源设计里面的电磁兼容的问题

以及它的一些对策

PFC 电源里面电磁兼容的问题是比较严重的

究其原因主要的原因是什么呢

是我们因为我们 PFC 电路是一个 boost 升压电路

升压电路顾名思义就是把电压提升起来

所以就是说我们输入的电压和输出电压比

输出电压始终是高于输入电压的

那么我们讲

如果我们电源里面

特别是场效应管或者是 IGBT 这样的开关管

再加上二极管

那么这个管子两端的电压始终是属于一个输出电压

那么高的电压在那个地方变化

如果说我们里头有寄生的电容

还有其它快恢复效应

都是些容性的效应

这些电容它所储存的能量

它是 U 的平方和 C 的关系

也就是说电压越高

它这个能量会越大

所以产生的影响会越大

所以说从这个角度来讲

我们 PFC 电路 EMI 的电磁兼容的问题就比较严重

讲到电磁兼容的问题

实际上我们一般情况下

马上就会联想到我们的 EMI 滤波器

其实我们电源设计里面

EMI 滤波器是仅仅是解决我们产生了电磁兼容问题

怎么去滤波

怎么去把它减轻这个办法

真正的办法

其实我们更多的要去分析 EMI 怎么产生的

从产生的机理角度来去看看有什么好的办法

所以说这一讲我们会从另外一个角度一个比较独特的角度

来系统地去分析我们 PFC 电路里面

EMI 都是哪些地方造成的

针对这些造成的原因

我们拿出一些解决问题的办法

我们看这个图

我们看到这个图是非常熟悉，熟悉什么呢

比如说我们看左边这个波形

这个是通过电感流过去的一个电流波形

我们拿一个示波器的电流探头

在这个点上我们去掐这个电流波形

我们往往会发现这个电流波形就像左边这个波形一样

在三角波这个地方无论是开通的时候还是关闭的时候

它都会有一个振荡

非常厉害的一个电流的这个波形的振荡

频率很高

一般都是上兆的频率

如果说我们不太注意

我们可以误以为这个是一个干扰造成的

就是我们看到一些毛刺

这些毛刺可能是由于不干净

哪个地方造成的检测的测试的干扰

其实并不是这样

因为我们检测的是个电流波形

也就是说我们电流的感应探头上

感应出来的这个是实实在在的能量

实实在在的大电流

从这个角度来讲

也就这么高的频率在里头振荡

实际上它是有非常恶劣的电磁兼容的问题的

我们看右边这个整体的一个拓扑图

我们这边假设一个单相的一个交流电进来

EMI 滤波器的滤波器我是没有画是在外头

通过一个整流桥

然后这是一个电感

这是我们 PFC 电感

然后这地方是一个升压二极管

这个地方底下是一个场效应管或者 IGBT

至于我画的这些粉红色的这些颜色的东西

都是些寄生参数

就是说我们一般来讲

讲 PFC 的拓扑电路

是看不到这些粉红色的东西的

我们就是画一个电感一个二极管

底下一个场效应管一般是这么画

这个地方电容器也就是一个电容器没有去画一个电感

但是实际上由于它的寄生的这些影响

所以说我们实实在在的看到

就会有比我现在画出来这件粉红色

可能更复杂的一些网络寄生在里头

比如说我们讲 PFC 电感

由于它是绕组的就像这个下面这个图一样

它是绕组呢这个表示每一圈

每一个线圈的地方绕组

比如说我从这地方开始绕

从底下先绕一层

绕进去再绕回来等等

这是两层的结构

当然还有多层的结构

我们 PFC 工作的时候

我们就会发现这个问题

就是每一个线圈每一个导线之间

它实际上是有寄生这个电容的

和周围的导线和下面的磁芯

它其实都有一些电容的分布

就是存在些分布

如果是你绕得非常的平整

非常均一

这些分布电容的容量可能是一样或者接近一样的

但是因为它周边都是有很多的这个线圈

所以说周边也会形成一些网络电容的网络

那所以从这里头看这个我画的还是规则的

可能绕线还有很多不规则的地方

所以说这些符号实际上都是存在的

但是由于绕线的致密性也好

或者是说这个排列的关系也好

其实这些电容的容量都不一定会一样

这是第一个原因

第二个原因即便这些电容容量都一样

由于我们加上去电压

那每个位置的分布不一样

就像我这个这个粉红色的这个是表示电场的分布

这个从这地方折个弯回来

这两个是相邻的两圈它是短路的

所以它俩就没有电压差，对不对

从这个一头一尾这个地方就有一个很高的电压差

如果说我们 PFC 的升压输出是 400V 的

也就是说假设我是两层结构

这是进，这是出

但是它两之间就是 400V 的压差

那它俩之间是零

试想一下假设这个电荷是一样

这边是 400V 压差

这边是没有压差

显然这边的电容对 EMI 的影响是更大

这边电容因为没有电压

所以它也不会有电流的充放电

有电压的充放电

所以这部分即便有大的容量也没有什么关系

从我们一个电感 PFC 电感来看

由于是电感

所以说我们的磁路里面的这个磁芯

实际上一定是低导磁率的

或者是高磁阻的

否则的话它就非常容易饱和

就是加上一丁点电流的增量

它就会产生

如果是高导磁的

那就会在磁芯里面产生很多的磁通密度

磁通的磁通量

如果说截面不变

那就意味着磁通密度就迅速的提高

所以在这种高导磁的情况下

稍微电流大一点就会导致它饱和

会超出了我们这个磁芯的磁通饱和密度

饱和磁通密度

所以说为了避免这个问题

我们往往会在里头加气隙

或者是用一些粉芯的材料低导磁的

通过很多的圈数

控制它的磁通的密度

不要超过它的饱和磁密

所以说都是用这个办法，用这个办法

那就意味着什么

意味着我们因为磁阻很大

所以说每一圈和下一圈之间它有什么关系

就是通过这一圈的这个截面上的这个磁通

就是磁形截面上的磁通的流量

并不一定全部通过相邻的那一圈

更不用说很远的那圈

也就是会形成漏磁

那形成漏磁

它们之间就会有一些漏感存在

互相之间会有一些电感存在

那从这样的一个场一个结构里面

我们就会存在了寄生的漏感、寄生的电容

当然因为线圈

所以它里头还有内阻

所以说它是一个非常复杂的 RCL 这样的网络

试想一下

我们这一个 PFC 电路就像这个图一样

我们 PFC 电路它一定是这样的

就是说我的电感两边一边是接电容器的

这一边是有个电容器

那我这地方是没画

其实我们时常在这个地方会接一个小的电容

比如 104 也好

或者 103 也好

或者是更大的一个容量也好

这边是接电容器的即便这边不接

整流桥的外面其实它也是有共模滤波器的

里面的有 X 电容

所以说它输入端一定是接电容器

那这个电感的输出端一定是接半导体

有二极管有场效应管或者有 IGBT

接到半导体的时候

我们 ON/OFF 驱动它的时候

实际上这个电压是跳变的

要么从零跳到最高达到输出电压

要么就是从那个不是往高的跳

就是从高往低的跳

而这一边电压相对是稳定的

这个波形在这个周期里面相对是稳定的

在这种情况下言下之意

就是说我们驱动它

开通或者关断的一瞬间

这一个电感两端的电位是进行大幅度的跳变的

这个电压

也就说这里头产生的各种各样的寄生电容

它就会这两端的电压会大幅度的跳变

也就是或者是完成了一个充电或者放电的过程

而这个电容就像我现在画的一样

实际上它是错综复杂在里头分布的

没有说一定是并在这个电感的两端

它有在里头每一个匝之间有电容

所以非常复杂

这是一个非常复杂的一个网络

一旦出现这种情况

这个电容被充满了电或者迅速被放电

或者是说电容的电压为零迅速的被充满电

一瞬间这个能量很大的变化

所以说我们说由于这个漏感的作用

它就会说 L 这个和漏感的 C 会形成一些谐振

而这个谐振可能是这个电容跟里头某个电感

或者里头某个电感跟另外一个电容之间互相组成的谐振

所以它的振荡的频率就非常不固定

像这样它是杂七杂八的

但是频率很高

因为在寄生的参数非常小

所以说这一部分就是我们 PFC 电感

会产生一个非常恶劣的 EMI 的一个干扰的干扰源所在

所以说各位我们看到的这个电流的波形里面

这些大的毛刺其实就是这里头分布电容所造成的恶劣的影响

当然了这个分布电容有电容并不一定就是有坏的影响

比如说我们有这个电容

这两端肯定有电容的

但是由于两端没有电压差

所以它不会有恶劣的影响

所以说也就是说我们还可以通过一些控制这个电场的分布

来减轻这个毛刺的影响

这个是具体的一些措施问题

我们讲到 PFC 的产生机理实际上是这么一个机理

所以说这个电感本身就是一个干扰源

一个 EMI 的高频干扰源

除此之外

我们再看半导体这部分

半导体的部分

其实我们这个任何一个半导体

里头都有 bonding 有引线

不光是里头引线，外面还有 PCB 的引线

所以它这里头都形成一些等效的电感

电感量很小

可能是 nH 级的

但是它毕竟是存在这个电感

包括这个二极管也是一样

它有引脚

那引脚到内部管芯内部跟引脚之间它有 bonding

它有那个铝线的那种就是连线跟半导体芯片之间

所以说它们都是有引线电感的

然后半导体二极管之间

其实它还会形成一个寄生电容、结电容

像这个 IGBT 场效应管子，场效应管就更厉害

这个 D、S 之间其实它是有寄生电容的

而这个电容它是非线性的

随着电压的变化，容量是在变

我们画可能就画了一个电容

其实它里头有若干个电容的分布

那不同的情况

不同的这个形状它就会产生不同的电容

它其实不光它俩之间

它跟 D 和这个 G 之间， G 和S 之间都是形成电容的

所以说因为这有这个电容和上面这个电容

再加上这个电容，所以驱动的时候

我们才会产生所谓的米勒效应

Miller effect

所以说这个米勒效应就是一些寄生参数寄生电容所造成的

有了这么多的寄生电容

然后这个地方我们往往时常会在输出端

我们直接并上一个高频的陶瓷电容或者是薄膜电容

而这个陶瓷电容和薄膜电容

它里头也有引线

这个引线有时候还挺细

有时候我们看到电路板上那个电路板还有引线

所以它又会形成电路板的引线的电感和这个电容器的电感

当然这里头还有内阻，内阻非常小

各位电源工程师朋友们

大家好

我是邵革良

这一讲我们主要讲解

有关 PFC 电源设计里面的电磁兼容的问题

以及它的一些对策

PFC 电源里面电磁兼容的问题是比较严重的

究其原因主要的原因是什么呢

是我们因为我们 PFC 电路是一个 boost 升压电路

升压电路顾名思义就是把电压提升起来

所以就是说我们输入的电压和输出电压比

输出电压始终是高于输入电压的

那么我们讲

如果我们电源里面

特别是场效应管或者是 IGBT 这样的开关管

再加上二极管

那么这个管子两端的电压始终是属于一个输出电压

那么高的电压在那个地方变化

如果说我们里头有寄生的电容

还有其它快恢复效应

都是些容性的效应

这些电容它所储存的能量

它是 U 的平方和 C 的关系

也就是说电压越高

它这个能量会越大

所以产生的影响会越大

所以说从这个角度来讲

我们 PFC 电路 EMI 的电磁兼容的问题就比较严重

讲到电磁兼容的问题

实际上我们一般情况下

马上就会联想到我们的 EMI 滤波器

其实我们电源设计里面

EMI 滤波器是仅仅是解决我们产生了电磁兼容问题

怎么去滤波

怎么去把它减轻这个办法

真正的办法

其实我们更多的要去分析 EMI 怎么产生的

从产生的机理角度来去看看有什么好的办法

所以说这一讲我们会从另外一个角度一个比较独特的角度

来系统地去分析我们 PFC 电路里面

EMI 都是哪些地方造成的

针对这些造成的原因

我们拿出一些解决问题的办法

我们看这个图

我们看到这个图是非常熟悉，熟悉什么呢

比如说我们看左边这个波形

这个是通过电感流过去的一个电流波形

我们拿一个示波器的电流探头

在这个点上我们去掐这个电流波形

我们往往会发现这个电流波形就像左边这个波形一样

在三角波这个地方无论是开通的时候还是关闭的时候

它都会有一个振荡

非常厉害的一个电流的这个波形的振荡

频率很高

一般都是上兆的频率

如果说我们不太注意

我们可以误以为这个是一个干扰造成的

就是我们看到一些毛刺

这些毛刺可能是由于不干净

哪个地方造成的检测的测试的干扰

其实并不是这样

因为我们检测的是个电流波形

也就是说我们电流的感应探头上

感应出来的这个是实实在在的能量

实实在在的大电流

从这个角度来讲

也就这么高的频率在里头振荡

实际上它是有非常恶劣的电磁兼容的问题的

我们看右边这个整体的一个拓扑图

我们这边假设一个单相的一个交流电进来

EMI 滤波器的滤波器我是没有画是在外头

通过一个整流桥

然后这是一个电感

这是我们 PFC 电感

然后这地方是一个升压二极管

这个地方底下是一个场效应管或者 IGBT

至于我画的这些粉红色的这些颜色的东西

都是些寄生参数

就是说我们一般来讲

讲 PFC 的拓扑电路

是看不到这些粉红色的东西的

我们就是画一个电感一个二极管

底下一个场效应管一般是这么画

这个地方电容器也就是一个电容器没有去画一个电感

但是实际上由于它的寄生的这些影响

所以说我们实实在在的看到

就会有比我现在画出来这件粉红色

可能更复杂的一些网络寄生在里头

比如说我们讲 PFC 电感

由于它是绕组的就像这个下面这个图一样

它是绕组呢这个表示每一圈

每一个线圈的地方绕组

比如说我从这地方开始绕

从底下先绕一层

绕进去再绕回来等等

这是两层的结构

当然还有多层的结构

我们 PFC 工作的时候

我们就会发现这个问题

就是每一个线圈每一个导线之间

它实际上是有寄生这个电容的

和周围的导线和下面的磁芯

它其实都有一些电容的分布

就是存在些分布

如果是你绕得非常的平整

非常均一

这些分布电容的容量可能是一样或者接近一样的

但是因为它周边都是有很多的这个线圈

所以说周边也会形成一些网络电容的网络

那所以从这里头看这个我画的还是规则的

可能绕线还有很多不规则的地方

所以说这些符号实际上都是存在的

但是由于绕线的致密性也好

或者是说这个排列的关系也好

其实这些电容的容量都不一定会一样

这是第一个原因

第二个原因即便这些电容容量都一样

由于我们加上去电压

那每个位置的分布不一样

就像我这个这个粉红色的这个是表示电场的分布

这个从这地方折个弯回来

这两个是相邻的两圈它是短路的

所以它俩就没有电压差，对不对

从这个一头一尾这个地方就有一个很高的电压差

如果说我们 PFC 的升压输出是 400V 的

也就是说假设我是两层结构

这是进，这是出

但是它两之间就是 400V 的压差

那它俩之间是零

试想一下假设这个电荷是一样

这边是 400V 压差

这边是没有压差

显然这边的电容对 EMI 的影响是更大

这边电容因为没有电压

所以它也不会有电流的充放电

有电压的充放电

所以这部分即便有大的容量也没有什么关系

从我们一个电感 PFC 电感来看

由于是电感

所以说我们的磁路里面的这个磁芯

实际上一定是低导磁率的

或者是高磁阻的

否则的话它就非常容易饱和

就是加上一丁点电流的增量

它就会产生

如果是高导磁的

那就会在磁芯里面产生很多的磁通密度

磁通的磁通量

如果说截面不变

那就意味着磁通密度就迅速的提高

所以在这种高导磁的情况下

稍微电流大一点就会导致它饱和

会超出了我们这个磁芯的磁通饱和密度

饱和磁通密度

所以说为了避免这个问题

我们往往会在里头加气隙

或者是用一些粉芯的材料低导磁的

通过很多的圈数

控制它的磁通的密度

不要超过它的饱和磁密

所以说都是用这个办法，用这个办法

那就意味着什么

意味着我们因为磁阻很大

所以说每一圈和下一圈之间它有什么关系

就是通过这一圈的这个截面上的这个磁通

就是磁形截面上的磁通的流量

并不一定全部通过相邻的那一圈

更不用说很远的那圈

也就是会形成漏磁

那形成漏磁

它们之间就会有一些漏感存在

互相之间会有一些电感存在

那从这样的一个场一个结构里面

我们就会存在了寄生的漏感、寄生的电容

当然因为线圈

所以它里头还有内阻

所以说它是一个非常复杂的 RCL 这样的网络

试想一下

我们这一个 PFC 电路就像这个图一样

我们 PFC 电路它一定是这样的

就是说我的电感两边一边是接电容器的

这一边是有个电容器

那我这地方是没画

其实我们时常在这个地方会接一个小的电容

比如 104 也好

或者 103 也好

或者是更大的一个容量也好

这边是接电容器的即便这边不接

整流桥的外面其实它也是有共模滤波器的

里面的有 X 电容

所以说它输入端一定是接电容器

那这个电感的输出端一定是接半导体

有二极管有场效应管或者有 IGBT

接到半导体的时候

我们 ON/OFF 驱动它的时候

实际上这个电压是跳变的

要么从零跳到最高达到输出电压

要么就是从那个不是往高的跳

就是从高往低的跳

而这一边电压相对是稳定的

这个波形在这个周期里面相对是稳定的

在这种情况下言下之意

就是说我们驱动它

开通或者关断的一瞬间

这一个电感两端的电位是进行大幅度的跳变的

这个电压

也就说这里头产生的各种各样的寄生电容

它就会这两端的电压会大幅度的跳变

也就是或者是完成了一个充电或者放电的过程

而这个电容就像我现在画的一样

实际上它是错综复杂在里头分布的

没有说一定是并在这个电感的两端

它有在里头每一个匝之间有电容

所以非常复杂

这是一个非常复杂的一个网络

一旦出现这种情况

这个电容被充满了电或者迅速被放电

或者是说电容的电压为零迅速的被充满电

一瞬间这个能量很大的变化

所以说我们说由于这个漏感的作用

它就会说 L 这个和漏感的 C 会形成一些谐振

而这个谐振可能是这个电容跟里头某个电感

或者里头某个电感跟另外一个电容之间互相组成的谐振

所以它的振荡的频率就非常不固定

像这样它是杂七杂八的

但是频率很高

因为在寄生的参数非常小

所以说这一部分就是我们 PFC 电感

会产生一个非常恶劣的 EMI 的一个干扰的干扰源所在

所以说各位我们看到的这个电流的波形里面

这些大的毛刺其实就是这里头分布电容所造成的恶劣的影响

当然了这个分布电容有电容并不一定就是有坏的影响

比如说我们有这个电容

这两端肯定有电容的

但是由于两端没有电压差

所以它不会有恶劣的影响

所以说也就是说我们还可以通过一些控制这个电场的分布

来减轻这个毛刺的影响

这个是具体的一些措施问题

我们讲到 PFC 的产生机理实际上是这么一个机理

所以说这个电感本身就是一个干扰源

一个 EMI 的高频干扰源

除此之外

我们再看半导体这部分

半导体的部分

其实我们这个任何一个半导体

里头都有 bonding 有引线

不光是里头引线，外面还有 PCB 的引线

所以它这里头都形成一些等效的电感

电感量很小

可能是 nH 级的

但是它毕竟是存在这个电感

包括这个二极管也是一样

它有引脚

那引脚到内部管芯内部跟引脚之间它有 bonding

它有那个铝线的那种就是连线跟半导体芯片之间

所以说它们都是有引线电感的

然后半导体二极管之间

其实它还会形成一个寄生电容、结电容

像这个 IGBT 场效应管子，场效应管就更厉害

这个 D、S 之间其实它是有寄生电容的

而这个电容它是非线性的

随着电压的变化，容量是在变

我们画可能就画了一个电容

其实它里头有若干个电容的分布

那不同的情况

不同的这个形状它就会产生不同的电容

它其实不光它俩之间

它跟 D 和这个 G 之间， G 和S 之间都是形成电容的

所以说因为这有这个电容和上面这个电容

再加上这个电容，所以驱动的时候

我们才会产生所谓的米勒效应

Miller effect

所以说这个米勒效应就是一些寄生参数寄生电容所造成的

有了这么多的寄生电容

然后这个地方我们往往时常会在输出端

我们直接并上一个高频的陶瓷电容或者是薄膜电容

而这个陶瓷电容和薄膜电容

它里头也有引线

这个引线有时候还挺细

有时候我们看到电路板上那个电路板还有引线

所以它又会形成电路板的引线的电感和这个电容器的电感

当然这里头还有内阻，内阻非常小