CN101304210A - Boost变换器电磁干扰机理的诊断方法及诊断电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种Boost变换器电磁干扰机理的诊断方法及诊断电路，由线阻抗稳定网络LISN、差模/共模噪声分离网络、Boost变换器和频谱仪构成；将交流电源直接接入到线阻抗稳定网络L、N，经过线阻抗稳定网络LISN后输入到Boost变换器及负载中，构成一整条电源回路；经过线阻抗稳定网络LISN进行噪声的提取，输入到差模/共模噪声分离网络进行噪声的分离，而后由频谱仪显示测量结果。通过修改Boost变换器内部各种元器件的参数，从而得到不同条件下的噪声信号，进而可以分析Boost变换器中各种元件和参数对噪声的影响。本发明方法及诊断电路，可以针对各类电力电子设备噪声源进行通用电磁干扰机理的诊断，且操作简单。通过该诊断方法，可以对电磁干扰噪声产生和传播机理进行判断，进一步为EMI滤波器的设计提供理论依据。
Description
技术领域
本发明涉及的是对Boost变换器电磁干扰机理进行诊断的方法及诊断电路，为研究电力电子设备的传导性电磁干扰噪声产生和传播机理提供基础，为传导性电磁干扰噪声的抑制即EMI滤波器的设计提供理论依据，属于电磁兼容设备设计的技术领域。
背景技术
EMI滤波器是抑制电磁干扰的有效措施，但目前国内外在进行EMI滤波器设计时，事先并不知道传导性电磁干扰噪声产生和传播机理，设计时往往只是进行一种通用的EMI滤波器设计。由于各噪声源的产生和传播机理并不相同，滤波器的滤波效果也不一样，因此，准确了解开关电源传导性EMI噪声产生和传播机理对于电磁干扰的有效抑制有着重要意义。
Boost变换器因其输出电压大于输入直流电压，又称为升压斩波电路(如图5所示)，其包括主电路和驱动电路。实现升压的是主电路，通过改变电力场效应晶体管MOSFET的开通时间与周期的比值改变输出电压的大小。升压斩波电路的输出电压U0大于输入电压Ui，其主要有两个原因：一是储能电感LBOOST储能后具有使电压泵升的作用，二是输出电容Cout值较大可将输出电压保持住。
发明内容
本发明的目的是对Boost变换器(如图1所示)的传导性电磁干扰噪声产生和传播机理进行诊断的方法及电路，为传导性电磁干扰噪声的抑制即EMI滤波器的设计提供理论依据。
根据传播路径的不同，开关电源中的传导电磁干扰可以分为差模(DM)干扰和共模(CM)干扰。差模干扰是指电源的相线与中线所构成的回路中的干扰信号，而共模干扰是指由电源的相线或中线与地线所构成回路中的干扰。
对于连续导电模式和临界断续模式的Boost电路，某一时刻整流桥中总有一对二级管是导通的，如D1和D4，或者D2和D3同时导通，则可得D1和D4，或者D2和D3分别同时导通时差模干扰电流传播途径。据此可得到的简化差模干扰等效电路，如图2所示。就差模干扰而言，电压增益越低则说明网络对噪声源的抑制作用越大，线阻抗稳定网络LISN接收到的干扰信号也越小。由此可见，储能电感LBOOST和输入电容Cin是影响差模干扰的主要因素。
对于散热器接地的系统，开关管MOSFET的漏极(图1中d)与散热器间的寄生电容Cm以及LISN构成了共模干扰电流的通道，据此可得到的简化共模干扰等效电路，如图3所示。开关管漏极和散热器之间的寄生电容Cm是影响共模干扰的主要因素。
以上是通过主电路分析的差模噪声和共模噪声的干扰传播机理，而驱动电路产生的噪声通过寄生电容耦合到主电路，也会在主电路中形成噪声干扰。因此，MOSFET管栅极g、漏极d(见图1)之间的寄生电容和驱动电压的上升时间是影响此部分噪声的主要因素。
本发明Boost变换器电磁干扰机理的诊断电路，由线阻抗稳定网络LISN、差模/共模噪声分离网络和频谱仪构成；其特征是：电源线通过L、N直接输入到线阻抗稳定网络LISN中，而后输入到Boost变换器及负载中，构成一整条电源回路；经过线阻抗稳定网络LISN进行噪声的提取，输入到差模/共模噪声分离网络进行噪声的分离，而后由频谱仪显示测量结果。
本发明Boost变换器电磁干扰机理诊断方法，其步骤如下：
建立Boost变换器电磁干扰机理的诊断电路，由线阻抗稳定网络、差模/共模噪声分离网络和频谱仪构成；电源线通过L、N直接输入到线阻抗稳定网络中，而后输入到Boost变换器及负载中，构成一整条电源回路；经过线阻抗稳定网络LISN进行噪声的提取，输入到差模/共模噪声分离网络进行噪声的分离，而后由频谱仪显示测量结果；
1：首先在诊断电路的线阻抗稳定网络LISN不接通电源，读取相应的频谱仪上的读数，记录频谱仪读数(此为底噪声)；
2：保持Boost变换器的主电路中其他参数不变，在Boost变换器的主电路(见图1)中n2节点和n1节点之间接入不同大小的电感，从而改变储能电感LBOOST，线阻抗稳定网络LISN接通电源，通过差模/共模噪声分离网络获得差模噪声信号，记录不同储能电感LBOOST时频谱仪读数，分析随着储能电感LBOOST增大差模噪声的变化规律；若随着储能电感LBOOST增大差模噪声减小，则可以通过增加储能电感LBOOST来减小差模噪声；反之，则通过减小储能电感LBOOST来减小差模噪声；
3：保持Boost变换器的主电路中其他参数不变，在Boost变换器的主电路(见图1)中n2节点和n3节点之间接入不同大小的电容，从而改变输入电容Cin，线阻抗稳定网络LISN接通电源，通过差模/共模噪声分离网络获得差模噪声信号，记录不同输入电容Cin时频谱仪读数，分析随着输入电容Cin增加差模噪声的变化规律；若随着输入电容Cin增大差模噪声减小，则可以通过增加输入电容Cin来减小差模噪声；反之，则可以通过减小输入电容Cin来减小差模噪声；
4：保持Boost变换器的主电路中其他电路参数不变，在开关管漏极d和散热器之间并联不同大小的电容(因散热器接地，故图1中开关管漏极和散热器之间寄生电容相当于接在开关管漏极d和地E之间)，从而人为地改变开关管漏极和散热器之间电容Cm，线阻抗稳定网络LISN接通电源，通过差模/共模噪声分离网络获得共模噪声信号，记录不同开关管漏极和散热器间电容Cm时的频谱仪读数，分析随着开关管漏极和散热器间电容Cm增加共模噪声的变化规律；若随着开关管漏极和散热器间电容Cm增大共模噪声减小，则可以通过增加输入电容Cin来减小差模噪声；
5：保持Boost变换器的主电路中其他电路参数不变，改变电力场效应晶体管MOSFET的开关频率，线阻抗稳定网络LISN接通电源，分别观察总噪声、差模噪声和共模噪声，记录不同开关频率时频谱仪读数，分析随着开关频率增加，总噪声、差模噪声和共模噪声的变化规律，根据其变化规律调整开关频率从而降低噪声；
6：保持Boost变换器的主电路中其他电路参数不变，在开关管栅极g和源极s(见图1)之间并联不同大小的电容，从而人为改变驱动电压的上升时间，记录示波器上驱动电压ugs的上升时间，线阻抗稳定网络LISN接通电源，分别观察总噪声、差模噪声和共模噪声，记录不同驱动电压ugs的上升时间时频谱仪读数，分析驱动电压的上升时间增加时，总噪声、差模噪声和共模噪声的变化规律，根据其变化规律调整驱动电压ugs的上升时间从而降低噪声；
7：保持Boost变换器的主电路中其他电路参数不变，在开关管栅极g和漏极d(见图1)之间并联不同大小的电容，从而人为的改变开关管栅极g和漏极d之间的寄生电容，线阻抗稳定网络LISN接通电源，分别观察总噪声、差模噪声和共模噪声，记录不同开关管栅极和漏极之间的寄生电容时频谱仪读数，分析开关管栅极g和漏极d之间的寄生电容增加时，总噪声、差模噪声和共模噪声的变化规律；根据其变化规律调整栅极g和漏极d之间的寄生电容从而降低噪声；
8：保持Boost变换器的主电路中其他电路参数不变，在接不同大小的负载电阻RL，线阻抗稳定网络LISN接通电源，分别观察总噪声、差模噪声和共模噪声，记录不同负载时频谱仪读数，分析负载电阻增加时，总噪声、差模噪声和共模噪声的变化规律。
本发明方法及电路，可以针对各类电力电子设备噪声源进行通用电磁干扰机理的诊断，且操作简单。通过该诊断方法，可以对电磁干扰噪声产生和传播机理进行判断，进一步为EMI滤波器的设计提供理论依据。
附图说明
图1是本发明所涉及的典型的Boost变换器主电路；
图2是Boost变换器的差模干扰等效电路；
图3是Boost变换器的共模干扰等效电路；
图4是本发明Boost变换器电磁干扰机理的诊断电路；
图5是实施例具体Boost变换器电路
图6是储能电感LBOOST分别为140μH(a)和591μH(b)时差模噪声信号
图7是输入电容Cin分别为1000uF(a)和4700uF(b)时的差模噪声信号
图8是在开关管漏极和散热器之间分别并联容量为100pF(a)、10000pF(b)的电容时共模噪声信号
图9是频率分别为50KHz、100KHz时的总噪声、差模噪声和共模噪声信号
其中：(a)为f＝50kHz时总噪声，(b)为f＝100kHz时总噪声，(c)为f＝50kHz时共模噪声，(d)为f＝100kHz时共模噪声，(e)f＝50kHz时差模噪声，(f)为f＝100kHz时差模噪声；
图10是Cgs分别为0.33nF和1nF时的总噪声、差模噪声和共模噪声信号
其中：(a)为Cgs＝0.33nF时总噪声，(b)为Cgs＝1nF时总噪声，(c)为Cgs＝0.33nF时共模噪声，(d)为Cgs＝1nF时共模噪声，(e)为Cgs＝0.33nF时差模噪声，(f)为Cgs＝1nF时差模噪声；
图11是Cgd分别为3.3nF和10nF时的总噪声、差模噪声和共模噪声信号
其中：(a)为Cgd＝3.3nF时总噪声，(b)为Cgd＝10nF时总噪声，(c)为Cgd＝3.3nF时共模噪声，(d)为Cgd＝10nF时共模噪声，(e)为Cgd＝3.3nF时差模噪声，(f)为Cgd＝10nF时差模噪声；
图12是不同负载电阻时的总噪声、差模噪声和共模噪声信号
其中：(a)为RL＝100欧姆时总噪声，(b)为RL＝300欧姆时总噪声，(c)为RL＝100欧姆时共模噪声，(d)为RL＝300欧姆时共模噪声，(e)为RL＝100欧姆时差模噪声，(f)为RL＝300欧姆时差模噪声。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明作进一步详细说明。
实施例
这里以图5的Boost变换器(升压斩波电路)为例说明本发明方法的具体实施步骤。其上半部分为主电路，下半部分为驱动电路。具体诊断实验电路如图4所示。目前国际上规定的传导性电磁干扰测量设备是线阻抗稳定网络LISN(LineImpedance Stabilization Network，简称LISN)，它又称作人工电源网络或电源阻抗稳定网络，是重要的电磁兼容测试设备。该网络能够有效屏蔽来自外部电网的高频干扰或阻止负载产生的高频干扰通过电源插座传入外部电网，同时又不影响负载正常工作下所提供的工频电流(如国内50Hz电流)，并在射频范围内向被测设备(即图4中的Boost变换器)提供一个稳定的50Ω的阻抗，然后将干扰电压经噪声分离网络耦合到频谱仪上。
具体方法是，将交流电源直接接入到线阻抗稳定网络L、N，经过线阻抗稳定网络LISN后输入到Boost变换器及负载中，构成一整条电源回路；经过线阻抗稳定网络LISN进行噪声的提取，输入到差模/共模噪声分离网络进行噪声的分离，而后由频谱分析仪显示测量结果。
首先，使得驱动频率为100KHz，Cin＝2200μF，在回路中分别串入140μH和591μH的电感，主电路中线阻抗稳定网络LISN通电，通过差模/共模噪声分离网络获得电感LBOOST分别为140μH和591μH时的差模噪声信号，如图6所示；
其次，使得驱动频率为100KHz，LBOOST＝355μH，在回路中并入1000uF和4700uF的输入电容，主电路中线阻抗稳定网络LISN通电，通过差模/共模噪声分离网络获得Cin分别为1000uF和4700uF时的差模噪声信号，如图7所示；
第三，使得驱动频率为100KHz，Cin＝2200μF，LBOOST＝355μH，在开关管漏极和散热器之间分别并联容量为100pF、10000pF的电容，从而人为的改变Cm，主电路中线阻抗稳定网络LISN通电，通过差模/共模噪声分离网络获得并联不同电容时共模噪声信号，如图8所示；
第四，使得Cin＝2200μF，LBOOST＝355μH，调整驱动电路中可调电位器，通过示波器观察uGS的波形，使其频率分别为50KHz、100KHz，主电路中线阻抗稳定网络LISN通电，分别观察总噪声、差模噪声和共模噪声信号，分别如图9所示；
第五，使得驱动频率为100KHz，Cin＝2200μF，LBOOST＝355μH，在开关管栅极和源极之间并联0.33nF、1nF的电容，从而人为的改变驱动电压的上升时间，主电路中线阻抗稳定网络LIAN通电，分别观察总噪声、差模噪声和共模噪声，如图10所示；
第六，使得驱动频率为100KHz，Cin＝2200μF，LBOOST＝355μH，在开关管栅极和漏极之间并联3.3nF、1nF的电容，主电路中线阻抗稳定网络LISN通电，分别观察总噪声、差模噪声和共模噪声，如图11所示；
第七，使得驱动频率为100KHz，Cin＝2200μF，LBOOST＝355μH，在输出端分别接100Ω和300Ω的电阻负载，主电路中线阻抗稳定网络LIAN通电，分别观察总噪声、差模噪声和共模噪声，如图12所示。
通过上述实验可见，储能电感Lboost和开关管栅极g和漏极d之间的寄生电容Cgd是本实施例电路的差模噪声的主要影响因素，而开关管漏极和散热器间电容Cm和开关管栅极g和漏极d之间的寄生电容Cgd是本实施例电路的共模噪声的主要影响因素，频率、负载、输入电容Cin和开关管栅极g和源极s之间的寄生电容Cgs对本实施例电路的噪声影响不大。因此，在本电路中可以通过修改Lboost、Cm和Cgd来改善电路的传导性噪声。对于其他相似的Boost变换器而言，可以用该发明的方法研究电路的噪声产生和传播的主要影响因子，从而为减小电路的传导性噪声以及滤波器的设计提供依据。
Claims (2)
1、一种Boost变换器电磁干扰机理的诊断电路，由线阻抗稳定网络、差模/共模噪声分离网络和频谱仪构成；其特征是：电源线直接输入到线阻抗稳定网络中，而后输入到Boost变换器及负载中，构成一整条电源回路；经过线阻抗稳定网络LISN进行噪声的提取，输入共模/差模噪声分离网络进行噪声的分离，而后由频谱仪显示测量结果。
2、一种Boost变换器电磁干扰机理的诊断方法，其步骤如下：
建立Boost变换器电磁干扰机理的诊断电路，由线阻抗稳定网络、差模/共模噪声分离网络和频谱仪构成；电源线通过L、N直接输入到线阻抗稳定网络中，而后输入到Boost变换器及负载中，构成一整条电源回路；经过线阻抗稳定网络LISN进行噪声的提取，输入到差模/共模噪声分离网络进行噪声的分离，而后由频谱仪显示测量结果；
A、首先在诊断电路的线阻抗稳定网络LISN不接通电源，读取相应的频谱仪上的读数，记录频谱仪读数，此为底噪声；
B、保持其他电路参数不变，在回路中串入不同大小的电感，从而改变LBOOST，主电路中线阻抗稳定网络通电，通过差模/共模噪声分离网络获得差模噪声信号，记录不同LBOOST时频谱仪读数，分析LBOOST对差模噪声的影响；
C、保持其他电路参数不变，在回路中并入不同大小的电容，从而改变Cin，主电路中线阻抗稳定网络通电，通过差模/共模噪声分离网络获得差模噪声信号，记录不同Cin频谱仪读数，分析Cin对差模噪声的影响；
D、在开关管漏极和散热器之间并联不同大小的电容，从而人为地改变Cm，主电路中线阻抗稳定网络通电，通差模/共模过噪声分离网络获得共模噪声信号，记录不同Cm频谱仪读数，分析Cm对共模噪声的影响；
E、保持其他电路参数不变，改变MOSFET的开关频率，主电路中线阻抗稳定网络通电，分别观察总噪声、差模噪声和共模噪声，记录不同开关频率时频谱仪读数，分析开关频率对总噪声、差模噪声和共模噪声的影响；
F、在开关管栅极和源极之间并联不同大小的电容，从而人为地改变驱动电压的上升时间，记录示波器上驱动电压的上升时间，主电路中线阻抗稳定网络通电，分别观察总噪声、差模噪声和共模噪声，记录不同驱动电压的上升时间时频谱仪读数，分析驱动电压的上升时间对总噪声、差模噪声和共模噪声的影响；
G、在开关管栅极和漏极之间并联不同大小的电容，从而人为的改变开关管栅极和漏极之间的寄生电容，主电路中线阻抗稳定网络通电，分别观察总噪声、差模噪声和共模噪声，记录不同开关管栅极和漏极之间的寄生电容时频谱仪读数，分析开关管栅极和漏极之间的寄生电容对总噪声、差模噪声和共模噪声；
H、保其他电路参数不变，在接负载侧不同大小的负载电阻，线阻抗稳定网络接通电源，分别观察总噪声、差模噪声和共模噪声，记录不同负载时频谱仪读数，分析负载电阻增加时，总噪声、差模噪声和共模噪声的变化规律。
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