電磁干擾 (EMI) 是電源設(shè)計中最難解決的問題之一。我認為，這種名聲很大程度上源于這樣一個事實：大多數(shù)與 EMI 相關(guān)的挑戰(zhàn)都不是可以通過查看原理圖來解決的。這可能令人沮喪，因為原理圖是工程師了解電路功能的中心位置。當然，您知道設(shè)計中有一些相關(guān)功能不在原理圖中 - 例如代碼。

您還知道，原理圖并不表示印刷電路板寄生效應(yīng)之類的東西。然而，在 EMI 中，像這樣的寄生效應(yīng)會對您滿足要求的能力產(chǎn)生主導(dǎo)影響，迫使您擁有必要的經(jīng)驗來識別哪些類型的寄生效應(yīng)會對 EMI 頻譜產(chǎn)生積極或消極影響。這篇 Power Tip 文章將探討這些類型的寄生效應(yīng)如何在電動汽車 (EV) 的氮化鎵 (GaN) 車載充電器 (OBC) 中產(chǎn)生意外的 EMI 濾波器諧振。

圖 1顯示了 OBC 的高級系統(tǒng)表示。其主要功能是電網(wǎng)到車輛的電壓和電流電池充電。次要功能是車輛到電網(wǎng)的電力流動，以便電動汽車可以補充可能具有波動峰值容量的可再生能源。

圖 1示意圖顯示了車載充電器 (OBC) 的高級系統(tǒng)表示。

現(xiàn)在，讓我們將注意力轉(zhuǎn)向 OBC 內(nèi)部的 EMI 考慮因素。

車載充電器的 EMI 評估

EMI 包括差模 (DM) 和共模 (CM) 噪聲。對于 OBC 系統(tǒng)，DM 噪聲主要由功率因數(shù)校正 (PFC) 的輸入電流產(chǎn)生，而 CM 噪聲可能來自 PFC 和導(dǎo)體-電感器-電感器-電感器-電容器 (CLLLC)。圖 2在原理圖的右下角顯示了 OBC 的冷卻解決方案(冷板)。冷板對于防止組件過熱至關(guān)重要;然而，它的存在會引入影響 EMI 的寄生電容。

圖 2導(dǎo)致 EMI 的寄生效應(yīng)顯示在原理圖的右下角。

如圖 2 所示，開關(guān)節(jié)點與冷板之間、初級和次級接地與冷板之間以及 CLLLC 變壓器的初級和次級繞組之間存在寄生電容。這些寄生電容可能會在系統(tǒng)中產(chǎn)生或影響 CM 噪聲電流水平。

根據(jù)估計的寄生電容，仿真表明，在最壞情況下，僅使用 2.2 μF 輸入電容器 (C X1 ) 的裸 DM 噪聲約為 110 dBμV。同樣，沒有任何 CM 濾波器的裸 CM 噪聲在 350 kHz 左右約為 115 dBμV。設(shè)計兩級 EMI 濾波器有助于將 EMI 噪聲衰減到國際無線電干擾特別委員會 (CISPR) 32 標準以下。

L CM1和 L CM2在 350 kHz 時的共模阻抗約為 3 kΩ。它們的漏電感約為 6.4 μH，用于衰減 DM 噪聲。C X1和 C X2是用于衰減 DM 噪聲的 2.2 μF 薄膜電容器，C Y1、C Y2、C Y3和 C Y4是用于衰減 CM 噪聲的 4.7 nF 陶瓷電容器。

理想情況下，采用設(shè)計的濾波器，裸 CM 噪聲和裸 DM 噪聲均應(yīng)衰減 65 dBμV 以上，EMI 噪聲應(yīng)滿足 CISPR 32 標準。然而，仍有一些實際挑戰(zhàn)需要解決。

EMI 濾波器諧振

EMI 濾波器在設(shè)計時就充滿了諧振。事實上，正是這些諧振使得濾波器能夠衰減噪聲并使系統(tǒng)能夠通過 EMI 標準。圖 3顯示了 EMI 濾波器的典型衰減曲線。請注意，在 100 kHz 以上的頻率下，濾波器可以很好地降低振幅。然而，有些低于 100 kHz 的諧振如果存在于開關(guān)頻率之上，可能會造成很大問題。

圖 3這是車載充電器的典型 EMI 濾波器衰減情況。

顯然，沒有人會故意在開關(guān)頻率上產(chǎn)生諧振，但互連阻抗、元件寄生效應(yīng)或兩者有時會導(dǎo)致系統(tǒng)以非預(yù)期的方式運行。

圖 4顯示了與圖 2 相比略有修改的 EMI 濾波器。差異在紅色元件中。L P1和 L P2表示 EMI 濾波器和 PFC 輸入之間互連的寄生電感。L P1和 L P2的存在需要一些局部電容才能使 PFC 電流流過。因此，將 C X1移至 PFC 的輸入端并添加 C X0增加了濾波器的衰減。紅色的四個元件結(jié)合在一起，在 240 kHz 處產(chǎn)生諧振。在此設(shè)計中，240 kHz 是兩相 PFC 的轉(zhuǎn)換組合開關(guān)頻率。此諧振將放大開關(guān)電流，隨后使此頻率下的 EMI 惡化。

圖 4 EMI 濾波器在開關(guān)頻率下產(chǎn)生諧振。

圖 5以洋紅色顯示了流過 L P1 的交流線電流的時域波形，以藍色顯示了交流輸入電壓。請注意，電流具有明顯的 240 kHz 正弦波，峰峰值幅度為 28 A。該正弦波是三角 PFC 電流流過圖 4 中紅色元件產(chǎn)生的非預(yù)期放大器的直接結(jié)果。

圖 5交流線電流的時域波形以洋紅色顯示流過 L P1。

抑制這樣的共振可能具有挑戰(zhàn)性，因為必要的阻尼器通常需要比電路中使用的電感器或電容器更大的電感器或電容器。另一種可能的解決方案可能是降低互連的電感，以便共振不再位于開關(guān)頻率之上。從理論上講，這聽起來不錯，但實際上，互連的存在是有原因的;因此，將其縮小并不可行。

另一個選擇是考慮保留 C X0和 C X1的必要性。您不能移除 C X1，因為 PFC 需要一些本地輸入電容來處理高頻電流。但是，C X0可以增加電容，目的是增加衰減。移除 C X0可將 EMI 改善約 6 dBμV。幅度減少了 50%，并且衰減量(65 dBμV)的很大一部分是通過標準所需的。這是一筆相當劃算的交易。

兩個設(shè)計要點

這里的要點有兩個。首先是原始前提：原理圖并不能說明 EMI 的全部情況。在這種情況下，互連電感引起了意外諧振，從而放大了開關(guān)頻率噪聲。識別問題的根本原因始終是調(diào)試中最關(guān)鍵的一步。

第二個要點是，有時少用一些通常很好的東西(濾波電容器)反而更好。通?？梢酝ㄟ^添加元件來解決 EMI 問題，但在這種情況下，元件的存在會使問題變得更糟。因此，通過移除 C X1，我們能夠減小濾波器的尺寸、降低系統(tǒng)成本并改善 EMI。