【導讀】小型隔離電源為從電動汽車牽引逆變器到工廠控制模塊等應(yīng)用中的隔離柵提供電力。在本電源提示中，我將研究不同的隔離式偏置電源拓撲及其電磁干擾 (EMI) 性能。正如您將看到的，隔離變壓器上的寄生電容是共模噪聲傳播的主要因素。
小型隔離電源為從電動汽車牽引逆變器到工廠控制模塊等應(yīng)用中的隔離柵提供電力。在本電源提示中，我將研究不同的隔離式偏置電源拓撲及其電磁干擾 (EMI) 性能。正如您將看到的，隔離變壓器上的寄生電容是共模噪聲傳播的主要因素。
在牽引逆變器中，柵極驅(qū)動器驅(qū)動高功率開關(guān)——通常是絕緣柵雙極晶體管 (IGBT) 或碳化硅 (SiC) MOSFET——在高壓電池和電機之間轉(zhuǎn)換能量（見圖 1 ）。柵極驅(qū)動器通常是隔離的，柵極驅(qū)動器 IC 的一部分連接到低壓域（初級側(cè)），另一部分連接到高壓域（次級側(cè)）。柵極驅(qū)動控制信號來自初級側(cè)的微控制器，并傳遞到次級側(cè)以打開和關(guān)閉電源開關(guān)。
隔離式柵極驅(qū)動器的次級側(cè)需要隔離電源來驅(qū)動功率開關(guān)的開通和關(guān)斷（見圖2）。
圖 2 隔離偏置電源跨過隔離柵為隔離柵極驅(qū)動器提供電源。資料德州儀器
隔離式偏置電源的額定功率通常相當?shù)停∮?10 W。下面的公式將其功率要求估算為：
P DRV = V DRV x Q g x F SW(1)
其中 V DRV是柵極驅(qū)動電壓，Q g是開關(guān)柵極電荷，F(xiàn) SW是開關(guān)的開關(guān)頻率（不是隔離偏置電源開關(guān)頻率）。柵極驅(qū)動電壓取決于您選擇的開關(guān)，但通常在正電源軌上的范圍為 +15V 至 +25V，在負電源軌上的范圍為 –8V 至 0V。
隔離式偏置電源的常見拓撲包括反激式、推挽式和電感器-電感器-電容器 (LLC)。一些完全集成的電源模塊（包括封裝中的變壓器）在初級側(cè)使用全橋配置。反激式轉(zhuǎn)換器，例如德州儀器 (TI) 的LM5180-Q1，眾所周知，提供良好的輸出電壓調(diào)節(jié)，相當高效，可以在沒有光耦合器的情況下進行設(shè)計（使用初級側(cè)調(diào)節(jié)），并且可以具有多個隔離輸出。它們的缺點是頻率范圍 (<350 kHz) 受到限制并且變壓器尺寸較大。推挽式轉(zhuǎn)換器，例如 TI 的SN6507-Q1和 LLC 轉(zhuǎn)換器，例如 TI 的UCC25800-Q1，很簡單，但沒有閉環(huán)反饋。因此，輸出電壓調(diào)節(jié)會受到影響，可能需要預調(diào)節(jié)器、后調(diào)節(jié)器或兩者都需要。集成電源模塊（例如 TI 的UCC14341-Q1）可以調(diào)節(jié)輸出電壓，并且簡單且體積小，但其缺點是功率輸出有限（通常<1.5 W）且效率比其他選項低。
您可能會遇到的一個問題是關(guān)于不同拓撲的 EMI 性能：某些拓撲對電磁兼容性結(jié)果有或多或少的影響？為了解決這些問題，我們首先檢查一下隔離變壓器。變壓器的繞組之間確實存在一些寄生電容，當牽引逆變器開關(guān)節(jié)點（V SW) 在 HV+ 和 HV– 節(jié)點之間切換。在開關(guān)轉(zhuǎn)換期間，共模電流的短脈沖對寄生電容進行充電或放電。共模電流與寄生電容和開關(guān)節(jié)點壓擺率 (dv/dt) 成正比。大電容或更快的開關(guān)節(jié)點轉(zhuǎn)換速率（正如您在氮化鎵 (GaN) 和 SiC 等寬帶隙半導體中可能看到的那樣）將導致更多的共模電流。圖 3突出顯示了該寄生電容以及用于對其充電和放電的共模電流。
圖 3當開關(guān)節(jié)點 (V SW ) 轉(zhuǎn)換時，共模電流對變壓器寄生電容充電。資料德州儀器
轉(zhuǎn)換器拓撲確實會影響變壓器設(shè)計以及由此產(chǎn)生的寄生電容。反激式轉(zhuǎn)換器變壓器（或耦合電感器，如果您喜歡這種命名法）設(shè)計為在初級側(cè)和次級側(cè)之間具有強耦合，以減少漏感。漏感會導致緩沖電路中出現(xiàn)不必要的電壓尖峰和功率損耗。低漏感設(shè)計的不幸影響是繞組間電容通常會增加，并且可能達到 20 pF 或更高。另一方面，可以將 LLC 轉(zhuǎn)換器設(shè)計為在其諧振回路中使用變壓器的漏感。因此，您無需設(shè)計變壓器即可限度地減少漏感；它們的寄生電容約為 2 pF。正如您將看到的，這有助于減少共模電流。
表 1顯示了對四種隔離偏置拓撲進行研究的一些參數(shù)，以通過實驗驗證變壓器寄生電容對共模電流的影響。所有轉(zhuǎn)換器均設(shè)計用于 15V輸入、15V輸出、1.5W 應(yīng)用。每種拓撲的開關(guān)頻率均基于典型值，并相應(yīng)設(shè)計變壓器。如您所見，反激式轉(zhuǎn)換器變壓器具有的漏感和的寄生電容。LLC 轉(zhuǎn)換器變壓器具有的漏感和的寄生電容。
表 1四個示例隔離偏置電源轉(zhuǎn)換器的變壓器參數(shù)。資料德州儀器
比較這些隔離式偏置電源拓撲需要執(zhí)行一系列廣泛的測試：效率、負載調(diào)節(jié)、輸入和輸出紋波、熱量以及傳導和輻射 EMI。為了重點關(guān)注系統(tǒng)中隔離接地之間測量的共模電流，我的同事在兩個接地之間連接了一根電線，并測量了高功率開關(guān)時的共模電流（在本例中，GaN 半橋使用LMG3522R030-Q1 ) 在 400V 電壓下開啟和關(guān)閉。圖 4和圖 5分別顯示了高壓開關(guān)節(jié)點壓擺率 40V/ns 和 100V/ns 時的結(jié)果。
圖 4開關(guān)節(jié)點上 40V/ns 壓擺率下的共模電流比較。通道 1 是高壓開關(guān)節(jié)點 (200 V/div)，通道 2 是共模電流 (500 mA/div)。資料德州儀器
圖 5開關(guān)節(jié)點上 100V/ns 壓擺率下的共模電流比較。通道 1 是高壓開關(guān)節(jié)點 (200 V/div)，通道 2 是共模電流 (500 mA/div)。資料德州儀器
測量結(jié)果表明，反激變壓器的共模電流（40V/ns 和 100V/ns 壓擺率時分別為 935mA 和 1,420mA）。這是可以預料的，因為變壓器具有的寄生電容。由于 LLC 轉(zhuǎn)換器的寄生電容，因此測得的共模電流（40V/ns 和 100V/ns 壓擺率時為 197mA 和 570mA）。大的共模電流尖峰是有害的，因為它們會將噪聲從高壓域傳導到低壓域，導致接地反彈；并可能導致轉(zhuǎn)換器運行不良，包括跳過脈沖、失去調(diào)節(jié)或意外停機。
共模電流尤其難以緩解。解決共模電流問題的方法之一是首先避免產(chǎn)生共模電流。雖然這里討論的應(yīng)用是電動汽車中的牽引逆變器，但這些原理也適用于并網(wǎng)轉(zhuǎn)換器和服務(wù)器電源等應(yīng)用。
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