开关电源传导EMI建模和模型有效性评估

摘要

随着电力电子技术发展,开关电源作为一种高效率的电能变换装置广泛应用于各行各业。为了抑制开关电源产生的电磁干扰,各国均制定了相关的电磁兼容标准。电磁兼容测试耗时长,成本高,极大地影响了产品上市速度。本文通过建模仿真的方法来快速预测开关电源传导EMI,提供一种简单快速经济有效的传导EMI预测方法,以节省电磁兼容测试整改时间,加快产品上市速度。
　　本研究首先依据国家标准建立传导EMI测试平台,实测了一小功率反激开关电源传导EMI。结合反激开关电源电路结构,分析传导EMI实测结果,阐明传导EMI各个频段的噪声来源。指出功率 MOSFET开关过程中的两个振荡是主要共模噪声源,次级功率二极管是高频段内主要差模噪声源,开关频率是低频段内主要差模噪声源。针对不同噪声源,分析了其产生机理、耦合路径及其对传导 EMI测试结果的影响。其次,通过分析器件机理建立反激开关电源传导EMI模型,包括变压器高频模型,功率MOSFET模型,功率二极管模型以及PCB高频模型等。在变压器高频模型中,详细考虑了变压器寄生参数对传导EMI的影响。针对传统短路法测量漏感结果,提出了修正公式。讨论了绕组分布电容、绕组对屏蔽层电容对传导EMI的影响,提出了绕组分布电容、绕组对屏蔽层电容的计算公式,并通过实验和仿真验证了计算公式的正确性。使用Q3D软件采用有限元法和矩量法的思想提取PCB高频寄生参数。搭建反激开关电源时域电路模型,利用SABER仿真软件进行时域仿真,通过对噪声电压进行FFT变换,获得传导EMI仿真结果。最后,本文利用FSV方法评估了反激开关电源传导EMI仿真结果的有效性,验证了变压器高频模型、功率MOSFET模型的准确性,表明时域建模仿真的方法能够达到快速预测传导EMI的目的。

目录

摘 要

Abstract

绪论

研究背景和意义

国内外研究现状

传导EMI产生传递机理

传导EMI建模

传导EMI测试

传导EMI抑制

模型有效性评估

本文主要研究内容

开关电源传导EMI测量和结果分析

反激开关电源设计

传导EMI测试平台

传导EMI测试结果

功率MOSFET开关过程Q1振荡

功率MOSFET开关过程Q2振荡

开关频率对传导EMI的影响

次级二极管振荡对传导EMI的影响

本章小结

适用传导EMI分析的变压器高频模型

绕组漏感

短路法数据校正

绕组匝间寄生电容

绕组分布电容

绕组对屏蔽层电容

绕组电阻

本章小结

传导EMI仿真

功率二级管模型

功率MOSFET模型

功率MOSFET模型

功率MOSFET散热片对地电容

PCB寄生参数提取

电容矩阵

电阻矩阵

Saber仿真

本章小结

传导EMI仿真结果评估和分析

视觉评估

FSV方法评估

数据预处理

滤波分解数据

幅值特性差别指数ADM

信号特性差别指数FDM

全局特性差别指数GDM

评估结果总结

传导EMI仿真分析

本章小结

结 论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

附 录

哈尔滨工业大学学位论文原创性声明及使用授权说明

致 谢