功率電子系統對于高頻的EMI的設計，應該從那些方面入手呢？本文將提供一寫(xiě)參考：確認有哪些噪聲源；分析噪聲源的特性；確認噪聲源的傳遞路徑等。

 

功率電子系統對于高頻的EMI的設計：

A．確認有哪些噪聲源；

 

B．分析噪聲源的特性；相關(guān)資料可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò )搜索作者名字下載或觀(guān)看；（我的理論：先分析再設計；了解噪聲源頭特性是關(guān)鍵）！

 

C．確認噪聲源的傳遞路徑；這也是我們大多數工程師處理EMI－Issue時(shí)的著(zhù)手點(diǎn)；（處理的手段和方法）；

 

EMI的耦合路徑：感性耦合；容性耦合；傳導耦合；輻射耦合！

 

處理功率電子系統EMI的噪聲源及噪聲特性分析：

 

1．功率電子高頻電磁干擾是由于電磁干擾噪聲源的梯形波頻譜造成的；

 

2．功率電子高頻電磁干擾在差模（DM）傳播路徑上的PFC電路中的PFC電感其阻抗由于磁芯選擇和繞線(xiàn)結構會(huì )引起器件的多個(gè)諧振點(diǎn)！在諧振點(diǎn)的阻抗到達谷底對此頻段的插入損耗就不足，造成差模數據超標；

 

3．功率電子高頻電磁干擾在共模噪聲傳播路徑上的高頻電磁干擾和共模（CM）噪聲傳播路徑上的寄生耦合（分布電容）相關(guān)；

 

4．功率電子高頻電磁干擾還可以由磁性元件（電感，變壓器等磁性元件）的寄生耦合（容性＆感性耦合）近場(chǎng)－電路板級的耦合引起的。

 

5．抑制功率電子高頻電磁干擾PCB－電路板布局布線(xiàn)設計就很關(guān)鍵了。

 

我的《開(kāi)關(guān)電源：EMC的分析與設計》對于EMI－傳導的問(wèn)題我有講插入EMI輸入濾波器的設計是最快速的方法；我后面再將細節分析。同時(shí)對于＞75w有PFC的功率電子PFC系統的EMI－輻射的問(wèn)題；特別是客戶(hù)經(jīng)常碰到30MHZ－50MHZ的EMI－輻射的問(wèn)題，我有提供設計方法參考；我再進(jìn)行設計分析；

 

對于功率電子系統我們先來(lái)了解梯形波的噪聲頻譜特性：如下圖所示；

 

 

圖中左邊是簡(jiǎn)化的梯形波電壓／電流波形，其周期為T(mén)PERIOD，脈沖寬度為T(mén)W，脈沖上升／下降時(shí)間為T(mén)RISE／TFALL。圖中右邊我們從頻域來(lái)看此信號，其中含有基頻成分和很多高次諧波成分，通過(guò)傅里葉變換分析可以知道這些高頻成分的幅度和脈沖寬度、上升／下降時(shí)間之間的關(guān)系；其關(guān)系的表現結果如下：

 

 

通常EMI輻射問(wèn)題常常發(fā)生在30MHz～300MHz頻段。通過(guò)增加上升和下降時(shí)間可將fR的位置向更低頻方向移動(dòng)，同時(shí)更高頻率信號的強度將以40dB／dec的速度快速降低，從而改善其輻射狀況。在低頻段，上升和下降速度所導致的改善是很有限的。

 

功率電子電路在A(yíng)C輸入端增加PFC升壓電感電路其EMI－輻射測試數據超標通常在30MHZ－50MHZ／其EMI－輻射的優(yōu)化設計分析如下圖；

 

 

我先分析系統的騷擾源的情況：

差模騷擾的產(chǎn)生主要是由于開(kāi)關(guān)管工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，當開(kāi)關(guān)管開(kāi)通時(shí)流過(guò)電源線(xiàn)的電流線(xiàn)性上升，開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)電流突變?yōu)榱悖虼?，流過(guò)電源線(xiàn)的電流為高頻的三角脈動(dòng)電流，含有豐富的高頻諧波分量，隨著(zhù)頻率的升高，該諧波分量的幅度越來(lái)越小，因此差模騷擾隨頻率的升高而降低；

 

共模騷擾的產(chǎn)生主要原因是電源與大地（保護地）之間存在分布電容，電路中方波電壓的高頻諧波分量通過(guò)分布電容傳入大地，與電源線(xiàn)構成回路，產(chǎn)生共模騷擾。建立簡(jiǎn)單的等效天線(xiàn)模型進(jìn)行理論分析：

 

 

通過(guò)上面的等效天線(xiàn)模型進(jìn)行分析：我們要降低Rr的輻射功率在等效電路中加入Y電容是比較好的方法；參考如下：

 

 

我再將上述等效的Y電容進(jìn)行電路應用原理圖設計＆重要分布參數的等效分析：

 

 

L、N為電源輸入，整流前級為輸入EMI濾波器，DB1為整流橋，VT2為PFC開(kāi)關(guān)管（功率電子器件MOS／IGBT／SiC等等），開(kāi)關(guān)管安裝在散熱器上時(shí)，開(kāi)關(guān)管的D極與散熱器相連，與散熱器之間形成一個(gè)耦合電容C7，VT2工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，其D極的電壓為高頻方波（梯形波），方波（梯形波）的頻率為開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)頻率，方波中的各次諧波就會(huì )通過(guò)耦合電容、L、N電源線(xiàn)構成回路，產(chǎn)生共模騷擾。

 

電源與大地的分布電容比較分散，其它的分布參數我先不作分析；

 

從原理設計圖來(lái)看，VT2的D極與散熱器之間耦合電容的作用最大，從BD1到電感LB之間的電壓為100Hz，而從L3到VD1和VT2的D極之間的連線(xiàn)的電壓均為方波（梯形波）電壓，含有大量的高次諧波。其次LB的影響也比較大，但LB與機殼的距離比較遠（器件布局要求），分布電容比開(kāi)關(guān)管和散熱器之間的耦合電容小得多，因此，我們主要考慮開(kāi)關(guān)管與散熱器之間的耦合電容＝C7。

 

通過(guò)上面的理論：解決PFC的30MHZ－50MHZ輻射騷擾的問(wèn)題方法如下：

 

增加一個(gè)高頻電容C8，接在開(kāi)關(guān)管散熱器與輸出地之間，該電容與散熱器的連接處離開(kāi)關(guān)管越近越好，該電容選用安規電容，容量在470PF到0．01μF之間，太大會(huì )使電源的漏電流超標，經(jīng)過(guò)電容C7耦合到散熱器上的騷擾信號經(jīng)過(guò)C8衰減，衰減的系數為：

 

 

由于C8比C7大的多，上式可以簡(jiǎn)化為：C7／C8

 

進(jìn)行理論計算：

 

注意：C7為 PFC開(kāi)關(guān)MOS與散熱器的耦合電容；計算數據我們可以進(jìn)行估算：假設C7為30PF，C8為470PF，則向外發(fā)射的騷擾信號被衰減了15．7倍，近25dB。

 

實(shí)際應用與理論測試一致；已指導工程師朋友們解決了很多的實(shí)際問(wèn)題！

 

對于功率電子其有相對較大的功率EMI－傳導的設計《開(kāi)關(guān)電源：EMC的分析與設計》對于EMI－傳導的問(wèn)題我有講插入EMI輸入濾波器的設計是最快速的方法；其設計細節相關(guān)資料可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò )搜索作者名字下載或觀(guān)看；我將容易出現困惑的地方及細節進(jìn)行分析；

 

我通過(guò)一個(gè)實(shí)際的變頻空調的例子進(jìn)行分析，如下是使用2級共模濾波器結構的帶有PFC設計的大功率的傳導EMI的測試數據：

 

 

我們來(lái)分析10MHZ左右的包絡(luò )；變頻空調的系統在2KW左右，其系統有PFC電路設計；對于傳導的問(wèn)題，我的開(kāi)關(guān)電源－PFC進(jìn)行高效設計解決高頻傳導設計：對于超標的整改通過(guò)Y的設計優(yōu)化就能解決問(wèn)題！

 

 

那么超標處的理論機理是怎樣的？通過(guò)理論與實(shí)際深層次進(jìn)行機理分析如下；

 

 

從圖示中；我們實(shí)際產(chǎn)品在地線(xiàn)的連接時(shí)，過(guò)長(cháng)的地線(xiàn)就會(huì )存在電感Lgnd；在功率電子開(kāi)關(guān)其回路中的寄生電容我用Cc來(lái)進(jìn)行等效；那么電路的共?；芈分芯驮黾右粋€(gè)L，C諧振的狀態(tài)，其振蕩頻率用f標示怎諧振頻率為：

 

 

超標的尖峰包絡(luò )基本是跟這個(gè)諧振頻率相關(guān)；我將模擬測試數據提供參考：

 

 

黑色曲線(xiàn)數據是去除共模濾波器的測試數據；紅色曲線(xiàn)數據是插入共模電感Y電容的2級濾波器測試數據；很明顯共?；芈返腖C諧振產(chǎn)生了高頻尖峰，同時(shí)共模電感的阻抗在10MHZ左右衰減也很大（即阻抗減?。?，即共模濾波器對＞10MHZ的插入損耗低；大的諧振能量就會(huì )造成高的高頻尖峰，不適合的設計就更難處理該頻點(diǎn)的EMI問(wèn)題了！

 

因此處理措施方法就會(huì )清晰，阿杜的老師的理論：先分析再設計；實(shí)現性?xún)r(jià)比最優(yōu)化原則！

 

對于功率電子的EMI傳導我經(jīng)常讓設計工程師調整系統Y電容的位置也非常有效－特別是有2級共模電感＆2級Y電容結構的設計我將原理進(jìn)行分析；如下圖：

 

 

在圖示的兩級共模濾波器的結構中，Y電容的走線(xiàn)或連接線(xiàn)不合適的連接方式及接地位置不同時(shí)時(shí)，兩根線(xiàn)之間就會(huì )存在互感M，大的互感能量就會(huì )將噪聲源耦合到LISEN網(wǎng)絡(luò )造成EMI的數據超標－出現高頻的尖峰；模擬測試數據參考如下：

 

 

如圖所示紅色曲線(xiàn)數據顯示的高頻尖峰EMI噪聲；通過(guò)改善輸入濾波器的Y電容的接地點(diǎn)的位置，增加前后兩個(gè)Y 電容地走線(xiàn)的平行距離再連接到機殼或公共地；從而可減小共模環(huán)路的相互耦合強度；通過(guò)選擇合適的接地點(diǎn)就能搞定高頻的尖峰EMI傳導的設計！如圖中的綠色曲線(xiàn)的模擬測試數據，功率電子系統就能通過(guò)EMI設計。

 

通過(guò)上面的中大功率的帶PFC系統的EMI的分析和設計，任何復雜的EMI問(wèn)題；我都可以通過(guò)電子設計師的EMI測試曲線(xiàn)找到問(wèn)題的根源；大家可以在網(wǎng)絡(luò )上搜索本作者：查詢(xún)我的文章我們通過(guò)EMI的測試曲線(xiàn)數據分析解決EMI的問(wèn)題！

 

任何的EMC及電子電路的可靠性設計疑難雜癥；先分析再設計才是高性?xún)r(jià)比的設計！

 

實(shí)際應用中電子產(chǎn)品的EMC涉及面比較廣；我的系統理論及課程再對電子設計師遇到的實(shí)際問(wèn)題 進(jìn)行實(shí)戰分析！先分析再設計；實(shí)現性?xún)r(jià)比最優(yōu)化原則！