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(2) 10B

那么我们电解电容，电解电容就更不用说了

我都不愿意在这地方都画了

这里头是电感

有电感有电容有什么

甚至还并上去有电容

因为它有有漏电流嘛

那这一部分呢我就不画了

就是我画到这个前面

就是高频电容为止这一块

所以说我们就能看到有这么多的分布参数

那么这一部分到底呢我们时常会看到

我们测这两端就是为 VDS 的时候

我们会看到像右边这里头这个关闭的时候这个电流波形一样

这个地方会有很多的振荡有电压过充

有时候这个过充得非常的高

那么很多人问我们说要解决这个有什么办法

我在这个二极管上去并这个 RC 的阻容吸收网络

这是一个常规的做法

当然还有些人更极端在上面直接并了个电容

那直接并个电容呢这个这个过充肯定小

这个一定是小的

但是它过充小并不等于它 EMI 一定好，不一定的

为什么呢

因为你这地方直接并了电容

所以说每次都会把这个电容进行充放电

所以这部分能量是非常大的

而这个能量最终也会形成这个在里头去振荡

也会形成巨大的干扰源

那么同时这个能量

一定在这个二极管的这个导通内阻上进行消耗

所以说这个二极管一旦并了电容

这个能量大部分都被二极管消耗掉

而且还会滚烫的

会非常发热

所以在我们不推荐上面这并电容

既然重新再进行参数

那么我们说呢这些干扰怎么来分析一下

我们假设就是说这个电流波形啊

就是说这地方是二极管的开通

我们先不管这个毛刺

我们说这个地方二极管开始开通了

如果这是一个连续 CCM 的这个 PFC

那么也就是这一点电压这个电流不为零

这是一个零可能在底下

那么也就是比较一个大的电流

大的电流往上跑的时候

它开通了

它开通什么意思

这两端短路了吗

所以短路一瞬间是不是开通之前这个电压很高

这个电压很高

就是在这个地方电压就是这条线上

那这个电压就相当于这个输出 400V 这个地方

那么这个电容呢是充满了 400V 的电压

所以它管子很快一打通

也就是说通过这个管子

把这个电容器的寄生电容的电压直接在里头放电

所以说内阻非常小的情况下

或者开关速度非常快的情况下

那么显然这个电荷迅速的在里头被短路

那么这个电流峰值电流是非常大的

时间持续得非常的短

那么这就形成了一个很高的 dv/dt

电压变化率

从 400V 突然变 0

那么里头只要这个半导体芯片的外面的引线上有一丁点

或者哪个地方有一丁点电感量

那么它就会形成一个非常恶劣的高频振荡

所以说我们开通的时候往往不希望把它开通的太快

开通的特别快

驱动的时候

这个 EMI 就非常厉害

所以这是这一部分这个电容器会造成 EMI

我们再来说另外一个地方

开通了之后

就是说首先往这儿流的电流肯定会增大

因为往这边不流了

就是说那么往上增大

那增大到这个地方

就是最高的时候一直往上涨

涨到最高的时候

那么我这时候要关闭它了

那么我要想减少开关损耗

我势必想关的非常快

对不对

所以非常快的直接关闭了之后

第一个问题来了

原先短路的时候这两个电压为零

那一关闭的时候这肯定要给这个电容充电了

是这意思吧

那么非常快的时候呢它就要会给它充电非常快

还有一点

因为我们电感讲过电感的电流是连续不可以跳变的

所以刚才比如说这个地方电流是十个安培是吧

那十个安培一直往下跑的

从这个电感十个安倍一直往这个路上跑

这个路上是没有电流的

那么也就是说这两个电感是串在这个地方

所以它一关闭的时候

它这两个电感都要都要进行续流

它电感电流不能跳变

所以它续流

那么这边的电流往哪去了

这边电流的续流，那实际上是给电容充电了

所以迅速的把这个电压抬高

然后这一边的续流往哪去了

它当然一方面是往底下走

一方面是往这边走

那么往底下走

因为有由于这个电感的作用

所以这一点你可以看到这个点

它因为电流突然增

一直在那个就是说增加到很高的时候

突然停下来了

那么这个电压呢就会开始跳变就开始变化

那么这取决于这个两个电感的分压对不对

所以说这个地方会变化

那同时呢它电流呢因为它关闭了

很快就把这个电容充满了

所以电流再也流不过去了

是不是这意思

这个关闭了嘛再也流不过去

那只有把这个电压越来越跳得很高

那么是通过这个能量把这个电压搞的很高

另外一个呢再一个怎么高

因为毕竟电流上不来了

所以说呢电流呢它就必须要有个通路

那就不是往这儿走就要往那走

但是很可恶的是什么

不管往哪走都有两个引线电感在那堵着

那电感对高频的来讲瞬间的变化

它肯定是一个极大的阻抗

就是流不过去

那怎么办

只有把这个电压不断的提高

提的越高

那么流的越快

是不是

所以它会自然的就是这个尖刺就冲上去了

所以这个地方可以看到很高的尖刺

有时候比如说我们这个 400V

有时候我们看到 500V 的电压尖刺都有

直到把那个你这个管子击穿为止

有些很高的毛刺就冲上去了这个地方

所以说这个呢就会引起很大的这个尖峰

那么很大的尖峰呢

那么这个电流呢往这充进去了

这又是电容

又是 L 又是 C 这所以说很快的变化

这个的话都会形成振荡

这个都形成振荡

所以你这地方看到的就是毛刺冲的很高

然后一大堆乱七八糟振荡

那么频率当然是由这么 L 和 C

L 和 C

和 L 和这些 C 所综合决定

所以我们振荡都是 LC 的振荡

但是由于我们这个电路里面的内阻也非常小

所以说呢啊这个寄生电感也非常小

所以第一个寄生电感非常小的寄生的能量相对比较小

那么这个能量都是在这个充电放电的过程中

振荡的过程中在这个内阻上进行消耗掉

所以它就形成了一个发热

当然了这个引线电感非常小

发热量非常小

但是可恶的是它造成的 EMI 会非常的大

会被辐射出去或者是被传导出去

那么按道理这地方有很高的毛刺的时候

如果这地方我是纯电感

那它是往这儿是出不去的

可恶的是我们刚才讲的这里头有大量的寄生的电容

所以这个地方很高的振荡呢

它照样可以通过这个电容往外传出去多就短路出去

所以说这也是形成

我们 EMI 的一个干扰源的非常重要的原因

所以说从这个角度来讲呢

这个干扰源就是这些很快的电压变化或者电流变化所造成

究其原因都是极快的电压变化导致了这个电容的充电

或者是电感的为了保持这个电流

所以形成电压的跳变

所以说这边的电容这边形成电流的跳变

电感这边产生电压的跳变

所以这些很高的 dv/dt 和 di/dt

结合这个很小的 L 和 C 进行高频的振荡

这是我们这个回路里面和这个回路里面

或者互相之间产生 EMI 的最重要的根源

当然还有这部分

我们说这地方我要加个退耦电路

所谓退耦电路是什么呢加个高频的电容

我把它短路上是吧

短路上呢我让这个电压呢尽量地吸收掉

就是实行振荡

但实际上由于我们这个电容

又有引线的管脚的这个电感

那实际上呢它想吸收又不太容易一下子吸收

因为它也要经过一个阻抗

高频的时候他阻抗非常大

所以说这里头又引入了一些振荡等等

那么这就是这个电路

从这里头看就是我们整个的

PFC 的干扰的最重要的产生的原因

那么简单的讲

究其原因

我们总结一下

就是由于这个开关管的快速的关，快速开

导致这里头各个电容上的那个电压瞬间的被放电或者被充电

或者导致这个寄生的电感上的电流要变成突变

电流接近突变的时候

电压肯定变化得非常的快

所以说那么这由于这个 L 和 C

这两条从这个能量导通到这地方

从这个能量又导到这边去

那么它就会形成一个自由的振荡

那自由振荡它的衰减系数由谁决定

由内部的这个振荡回路的内阻来决定

所以说这个能量逐步被在内阻上进行消耗

在内阻上进行消耗

那么形成一个慢慢振荡就变没有掉了

所以说这个过程是这么个过程

所以说这些振荡

就是我们产生 EMI 的一个最根源的原因

根本的原因

也就是快速的这个电压和电流的变化

那对这个也是快速的电压的变化

它引起电流振荡

实际上这就是我们讲的

整个 EMI PFC 电路里面 EMI 所产生的机理

或者是说原因

那么具体这个原因我们怎么去解决它

解决的办法

既然我们分析了原因

我们看这个图

其实呢我比较强调的是我们有两种方法对吧

一个是主动的防御

一个是被动的围堵

那么我们最强调的实际上

还是用主动防御的办法来解决

被动的围堵是什么意思

说我们 EMI 已经产生了

没有办法把它变小

这个能量

那我只有靠滤波器来强化滤波

这是这最没办法的办法

这是又花钱又花体积

又花损耗

所以说我们最好是不要用这个办法

最好是没有 EMI 的滤波器

你的 EMI 问题也没有问题

那是最佳对吧

但实际上我们不一定能做得到

那么所以说我们最重要的在 PFC 设计里面

最重要的手段就是必须要

重点的去发挥这个主动防御的能力

所谓主动防御就是说我们去通过刚才分析这个原因

要消除我们 EMI 产生的源头

把这个源不让它产生了

那么自然我也用不着去防它去堵它了

实际上是这个概念

那么我们想这个源来通过什么手段去减轻或者消除

那么对于前面这个电感来讲比较简单

我们采用一个没有这个寄生电容的电感

那就解决问题了是不是

或者是有寄生内容

我也让他这个电容两端形成的静电场分布非常的均匀

而且非常小

那么即便有电容

它也形成不了这样的这个电容储能

所产生的导致这个变化的这个能量

那这是我们解决的问题办法

也就是说我这地方说的采用 No Spike 没有毛刺的电感

那现在其实我们大量的去开发了

很多没有毛刺的电感各种各样的

不管小功率大功率

那这个是容易解决的

所以说我们往往，尽量避免用一个磁环

那么磁环上用一些圆的导线在一圈圈去绕

那那种呢是一种最恶劣的毛刺最大的一种做法

所以说虽然说我们可能电感量还不错是吧

温升也不高

体积也挺小

但是由于这个 EMI 产生的毛刺的问题

导致你前面滤波器非常的复杂

导致了我们这个共模和差模的干扰非常的厉害

导致了我们整个 PFC 控制变成得非常不稳定不好调等等

那么这都是我们要极力避免的

所以这个 PFC 电感的 No Spike 这个要求显得非常的重要

那么解决了电感的问题

我们要着手解决这个半导体所产生的 EMI 的问题

那半导体产的 EMI 问题呢

我们有下面这些办法来解决

第一个

第一个

我们要有合理的 PCB 布局位置

就是位置的布局

什么叫合理

我这地方画了个图

有这么一个示意

也就是说我最好呢是这个 IGBT

或者场效应管和这个快恢复二极管

它俩最好是管心对管心连着它没有引线

所以自然之间也没有引线电感

那么 PCB 布板的时候

我这个电感拉到这个地方来拉多远都没关系

反正引线电感嘛就等于串联到那个 PFC 电感里面了

如果是这样的话

那这个地方就不存在引线电感

电容依然是存在

是我没办法去解决的

这是寄生的电容

所以说这地方没有引线电感

这是一个我们的一个最理想的要求

那么至于说没有引线电感

我们要解决的办法有两个

一个呢就是说这个管脚啊不要留得太长了

我们一般都采用分立的元件

比如说一个 TO247 的封装

那个管脚呢我们刚开始是一个粗的管

就是管脚连出来

刚开始是接着那个塑料壳的地方是比较粗

然后很快就变细

底下一段是细的

那么最好呢你焊在电路板上

就是到那个粗的地方一旦变细那个地方

直接就插在电路板上了

不要留出一大块

你那个管脚留得越长

这个地方的引线电感越大

当然它封装在里头

我们没有办法去解决

那么你如果有办法

你直接用管型封装把这个都封装在一起

那是最棒的

那我们做不到

那只能说能够提高改善到哪算哪

也就是说这个二极管的管脚

那么我们电解电容，电解电容就更不用说了

我都不愿意在这地方都画了

这里头是电感

有电感有电容有什么

甚至还并上去有电容

因为它有有漏电流嘛

那这一部分呢我就不画了

就是我画到这个前面

就是高频电容为止这一块

所以说我们就能看到有这么多的分布参数

那么这一部分到底呢我们时常会看到

我们测这两端就是为 VDS 的时候

我们会看到像右边这里头这个关闭的时候这个电流波形一样

这个地方会有很多的振荡有电压过充

有时候这个过充得非常的高

那么很多人问我们说要解决这个有什么办法

我在这个二极管上去并这个 RC 的阻容吸收网络

这是一个常规的做法

当然还有些人更极端在上面直接并了个电容

那直接并个电容呢这个这个过充肯定小

这个一定是小的

但是它过充小并不等于它 EMI 一定好，不一定的

为什么呢

因为你这地方直接并了电容

所以说每次都会把这个电容进行充放电

所以这部分能量是非常大的

而这个能量最终也会形成这个在里头去振荡

也会形成巨大的干扰源

那么同时这个能量

一定在这个二极管的这个导通内阻上进行消耗

所以说这个二极管一旦并了电容

这个能量大部分都被二极管消耗掉

而且还会滚烫的

会非常发热

所以在我们不推荐上面这并电容

既然重新再进行参数

那么我们说呢这些干扰怎么来分析一下

我们假设就是说这个电流波形啊

就是说这地方是二极管的开通

我们先不管这个毛刺

我们说这个地方二极管开始开通了

如果这是一个连续 CCM 的这个 PFC

那么也就是这一点电压这个电流不为零

这是一个零可能在底下

那么也就是比较一个大的电流

大的电流往上跑的时候

它开通了

它开通什么意思

这两端短路了吗

所以短路一瞬间是不是开通之前这个电压很高

这个电压很高

就是在这个地方电压就是这条线上

那这个电压就相当于这个输出 400V 这个地方

那么这个电容呢是充满了 400V 的电压

所以它管子很快一打通

也就是说通过这个管子

把这个电容器的寄生电容的电压直接在里头放电

所以说内阻非常小的情况下

或者开关速度非常快的情况下

那么显然这个电荷迅速的在里头被短路

那么这个电流峰值电流是非常大的

时间持续得非常的短

那么这就形成了一个很高的 dv/dt

电压变化率

从 400V 突然变 0

那么里头只要这个半导体芯片的外面的引线上有一丁点

或者哪个地方有一丁点电感量

那么它就会形成一个非常恶劣的高频振荡

所以说我们开通的时候往往不希望把它开通的太快

开通的特别快

驱动的时候

这个 EMI 就非常厉害

所以这是这一部分这个电容器会造成 EMI

我们再来说另外一个地方

开通了之后

就是说首先往这儿流的电流肯定会增大

因为往这边不流了

就是说那么往上增大

那增大到这个地方

就是最高的时候一直往上涨

涨到最高的时候

那么我这时候要关闭它了

那么我要想减少开关损耗

我势必想关的非常快

对不对

所以非常快的直接关闭了之后

第一个问题来了

原先短路的时候这两个电压为零

那一关闭的时候这肯定要给这个电容充电了

是这意思吧

那么非常快的时候呢它就要会给它充电非常快

还有一点

因为我们电感讲过电感的电流是连续不可以跳变的

所以刚才比如说这个地方电流是十个安培是吧

那十个安培一直往下跑的

从这个电感十个安倍一直往这个路上跑

这个路上是没有电流的

那么也就是说这两个电感是串在这个地方

所以它一关闭的时候

它这两个电感都要都要进行续流

它电感电流不能跳变

所以它续流

那么这边的电流往哪去了

这边电流的续流，那实际上是给电容充电了

所以迅速的把这个电压抬高

然后这一边的续流往哪去了

它当然一方面是往底下走

一方面是往这边走

那么往底下走

因为有由于这个电感的作用

所以这一点你可以看到这个点

它因为电流突然增

一直在那个就是说增加到很高的时候

突然停下来了

那么这个电压呢就会开始跳变就开始变化

那么这取决于这个两个电感的分压对不对

所以说这个地方会变化

那同时呢它电流呢因为它关闭了

很快就把这个电容充满了

所以电流再也流不过去了

是不是这意思

这个关闭了嘛再也流不过去

那只有把这个电压越来越跳得很高

那么是通过这个能量把这个电压搞的很高

另外一个呢再一个怎么高

因为毕竟电流上不来了

所以说呢电流呢它就必须要有个通路

那就不是往这儿走就要往那走

但是很可恶的是什么

不管往哪走都有两个引线电感在那堵着

那电感对高频的来讲瞬间的变化

它肯定是一个极大的阻抗

就是流不过去

那怎么办

只有把这个电压不断的提高

提的越高

那么流的越快

是不是

所以它会自然的就是这个尖刺就冲上去了

所以这个地方可以看到很高的尖刺

有时候比如说我们这个 400V

有时候我们看到 500V 的电压尖刺都有

直到把那个你这个管子击穿为止

有些很高的毛刺就冲上去了这个地方

所以说这个呢就会引起很大的这个尖峰

那么很大的尖峰呢

那么这个电流呢往这充进去了

这又是电容

又是 L 又是 C 这所以说很快的变化

这个的话都会形成振荡

这个都形成振荡

所以你这地方看到的就是毛刺冲的很高

然后一大堆乱七八糟振荡

那么频率当然是由这么 L 和 C

L 和 C

和 L 和这些 C 所综合决定

所以我们振荡都是 LC 的振荡

但是由于我们这个电路里面的内阻也非常小

所以说呢啊这个寄生电感也非常小

所以第一个寄生电感非常小的寄生的能量相对比较小

那么这个能量都是在这个充电放电的过程中

振荡的过程中在这个内阻上进行消耗掉

所以它就形成了一个发热

当然了这个引线电感非常小

发热量非常小

但是可恶的是它造成的 EMI 会非常的大

会被辐射出去或者是被传导出去

那么按道理这地方有很高的毛刺的时候

如果这地方我是纯电感

那它是往这儿是出不去的

可恶的是我们刚才讲的这里头有大量的寄生的电容

所以这个地方很高的振荡呢

它照样可以通过这个电容往外传出去多就短路出去

所以说这也是形成

我们 EMI 的一个干扰源的非常重要的原因

所以说从这个角度来讲呢

这个干扰源就是这些很快的电压变化或者电流变化所造成

究其原因都是极快的电压变化导致了这个电容的充电

或者是电感的为了保持这个电流

所以形成电压的跳变

所以说这边的电容这边形成电流的跳变

电感这边产生电压的跳变

所以这些很高的 dv/dt 和 di/dt

结合这个很小的 L 和 C 进行高频的振荡

这是我们这个回路里面和这个回路里面

或者互相之间产生 EMI 的最重要的根源

当然还有这部分

我们说这地方我要加个退耦电路

所谓退耦电路是什么呢加个高频的电容

我把它短路上是吧

短路上呢我让这个电压呢尽量地吸收掉

就是实行振荡

但实际上由于我们这个电容

又有引线的管脚的这个电感

那实际上呢它想吸收又不太容易一下子吸收

因为它也要经过一个阻抗

高频的时候他阻抗非常大

所以说这里头又引入了一些振荡等等

那么这就是这个电路

从这里头看就是我们整个的

PFC 的干扰的最重要的产生的原因

那么简单的讲

究其原因

我们总结一下

就是由于这个开关管的快速的关，快速开

导致这里头各个电容上的那个电压瞬间的被放电或者被充电

或者导致这个寄生的电感上的电流要变成突变

电流接近突变的时候

电压肯定变化得非常的快

所以说那么这由于这个 L 和 C

这两条从这个能量导通到这地方

从这个能量又导到这边去

那么它就会形成一个自由的振荡

那自由振荡它的衰减系数由谁决定

由内部的这个振荡回路的内阻来决定

所以说这个能量逐步被在内阻上进行消耗

在内阻上进行消耗

那么形成一个慢慢振荡就变没有掉了

所以说这个过程是这么个过程

所以说这些振荡

就是我们产生 EMI 的一个最根源的原因

根本的原因

也就是快速的这个电压和电流的变化

那对这个也是快速的电压的变化

它引起电流振荡

实际上这就是我们讲的

整个 EMI PFC 电路里面 EMI 所产生的机理

或者是说原因

那么具体这个原因我们怎么去解决它

解决的办法

既然我们分析了原因

我们看这个图

其实呢我比较强调的是我们有两种方法对吧

一个是主动的防御

一个是被动的围堵

那么我们最强调的实际上

还是用主动防御的办法来解决

被动的围堵是什么意思

说我们 EMI 已经产生了

没有办法把它变小

这个能量

那我只有靠滤波器来强化滤波

这是这最没办法的办法

这是又花钱又花体积

又花损耗

所以说我们最好是不要用这个办法

最好是没有 EMI 的滤波器

你的 EMI 问题也没有问题

那是最佳对吧

但实际上我们不一定能做得到

那么所以说我们最重要的在 PFC 设计里面

最重要的手段就是必须要

重点的去发挥这个主动防御的能力

所谓主动防御就是说我们去通过刚才分析这个原因

要消除我们 EMI 产生的源头

把这个源不让它产生了

那么自然我也用不着去防它去堵它了

实际上是这个概念

那么我们想这个源来通过什么手段去减轻或者消除

那么对于前面这个电感来讲比较简单

我们采用一个没有这个寄生电容的电感

那就解决问题了是不是

或者是有寄生内容

我也让他这个电容两端形成的静电场分布非常的均匀

而且非常小

那么即便有电容

它也形成不了这样的这个电容储能

所产生的导致这个变化的这个能量

那这是我们解决的问题办法

也就是说我这地方说的采用 No Spike 没有毛刺的电感

那现在其实我们大量的去开发了

很多没有毛刺的电感各种各样的

不管小功率大功率

那这个是容易解决的

所以说我们往往，尽量避免用一个磁环

那么磁环上用一些圆的导线在一圈圈去绕

那那种呢是一种最恶劣的毛刺最大的一种做法

所以说虽然说我们可能电感量还不错是吧

温升也不高

体积也挺小

但是由于这个 EMI 产生的毛刺的问题

导致你前面滤波器非常的复杂

导致了我们这个共模和差模的干扰非常的厉害

导致了我们整个 PFC 控制变成得非常不稳定不好调等等

那么这都是我们要极力避免的

所以这个 PFC 电感的 No Spike 这个要求显得非常的重要

那么解决了电感的问题

我们要着手解决这个半导体所产生的 EMI 的问题

那半导体产的 EMI 问题呢

我们有下面这些办法来解决

第一个

第一个

我们要有合理的 PCB 布局位置

就是位置的布局

什么叫合理

我这地方画了个图

有这么一个示意

也就是说我最好呢是这个 IGBT

或者场效应管和这个快恢复二极管

它俩最好是管心对管心连着它没有引线

所以自然之间也没有引线电感

那么 PCB 布板的时候

我这个电感拉到这个地方来拉多远都没关系

反正引线电感嘛就等于串联到那个 PFC 电感里面了

如果是这样的话

那这个地方就不存在引线电感

电容依然是存在

是我没办法去解决的

这是寄生的电容

所以说这地方没有引线电感

这是一个我们的一个最理想的要求

那么至于说没有引线电感

我们要解决的办法有两个

一个呢就是说这个管脚啊不要留得太长了

我们一般都采用分立的元件

比如说一个 TO247 的封装

那个管脚呢我们刚开始是一个粗的管

就是管脚连出来

刚开始是接着那个塑料壳的地方是比较粗

然后很快就变细

底下一段是细的

那么最好呢你焊在电路板上

就是到那个粗的地方一旦变细那个地方

直接就插在电路板上了

不要留出一大块

你那个管脚留得越长

这个地方的引线电感越大

当然它封装在里头

我们没有办法去解决

那么你如果有办法

你直接用管型封装把这个都封装在一起

那是最棒的

那我们做不到

那只能说能够提高改善到哪算哪

也就是说这个二极管的管脚