寄生效应如何产生意外的 EMI 滤波器谐振

电磁干扰 (EMI) 被誉为电源设计中最困难的问题之一。我认为这种声誉在很大程度上来自这样一个事实：大多数与 EMI 相关的挑战并不是通过查看原理图就能解决的。这可能会令人沮丧，因为原理图是工程师了解电路功能的中心位置。当然，您知道设计中有一些原理图中没有的相关功能，例如代码。

您还知道原理图并不代表印刷线路板寄生效应之类的东西。然而，在 EMI 中，此类寄生效应会对您满足要求的能力产生决定性影响，迫使您拥有必要的经验来识别哪些类型的寄生效应会对 EMI 频谱产生积极或消极影响。这篇 Power Tip 文章将探讨这些类型的寄生效应如何在电动汽车 (EV) 的基于氮化镓 (GaN) 的车载充电器 (OBC) 中产生意外的 EMI 滤波器谐振。其主要功能是对电网到车辆的电压和电流进行电池充电。第二个功能是车辆到电网的功率流，以便电动汽车可以补充可能具有波动峰值容量的可再生能源。

现在，让我们将注意力转向 OBC 内部的 EMI 考虑因素。

车载充电器的EMI审查

EMI 包括差模 (DM) 和共模 (CM) 噪声。对于 OBC 系统，DM 噪声主要由功率因数校正 (PFC) 的输入电流产生，而 CM 噪声则可能由 PFC 和导体-电感器-电感器-电感器-电容器 (CLLLC) 产生。图 1原理图右下角显示了 OBC 的冷却解决方案(冷板)。冷板对于防止组件过热至关重要;然而，它的存在会引入影响 EMI 的寄生电容。

图 1原理图右下角显示了引起 EMI 的寄生效应。

如图 1所示，开关节点与冷板之间、初级和次级接地与冷板之间以及 CLLLC 变压器的初级和次级绕组之间都存在寄生电容。这些寄生电容会产生或影响系统中的 CM 噪声电流水平。

根据估计的寄生电容，仿真表明，在最坏的情况下，仅使用 2.2 µF 输入电容器 (C X1 ) 时的裸 DM 噪声约为 110 dBµV。同样，没有任何 CM 滤波器的裸 CM 噪声在约 350 kHz 时约为 115 dBμV。设计两级 EMI 滤波器有助于将 EMI 噪声衰减到低于国际无线电扰动特殊委员会 (CISPR) 32 标准。

L CM1和L CM2在350 kHz 时的共模阻抗约为3 kΩ。它们的漏感约为 6.4 µH，用于 DM 噪声衰减。 C X1和 C X2是用于 DM 噪声衰减的 2.2 µF 薄膜电容器，C Y1、C Y2、C Y3和 C Y4是用于 CM 噪声衰减的 4.7 nF 陶瓷电容器。

理想情况下，使用设计的滤波器，裸CM噪声和裸DM噪声均应衰减65 dBμV以上，并且EMI噪声应满足CISPR 32标准。然而，仍有一些实际挑战需要解决。

EMI滤波器谐振

EMI 滤波器在设计上就充满了谐振。事实上，正是这些谐振使滤波器能够衰减噪声并使系统能够通过 EMI 标准。图 2显示了 EMI 滤波器的典型衰减曲线。请注意，在频率高于 100 kHz 时，滤波器可以很好地降低幅度。然而，存在一些低于 100 kHz 的谐振，如果它们存在于开关频率之上，则可能会产生很大的问题。

图 2这是车载充电器的典型 EMI 滤波器衰减的样子。

显然，没有人会故意在开关频率处产生谐振，但互连阻抗、元件寄生效应或两者有时会推动系统以无意的方式运行。

图 3显示了与图 1 相比略有修改的 EMI 滤波器。差异在于红色组件。 L P1和 L P2表示 EMI 滤波器和 PFC 输入之间互连的寄生电感。 L P1和 L P2的存在需要一些局部电容，以便 PFC 电流流过。因此，将 C X1移至 PFC 的输入并添加 C X0增加滤波器的衰减。四个红色元素结合在一起产生 240 kHz 的共振。在本设计中，240 kHz 是两相 PFC 的转换组合开关频率。这种谐振将放大开关电流，从而使该频率下的 EMI 变得更糟。

图 1显示了 EMI 滤波器在开关频率处出现谐振。

图 4显示了流过 L P1 的交流线路电流的时域波形(洋红色)以及交流输入电压(蓝色)。请注意，电流具有明显的 240kHz 正弦波，峰峰值幅度为 28A。该正弦波是三角 PFC 电流流过由图 3 中的红色组件产生的意外放大器的直接结果。

图 4显示了流经 L P1 的交流线路电流的时域波形(洋红色)。

抑制这样的谐振可能具有挑战性，因为必要的阻尼器通常需要比电路中使用的电感器或电容器更大的电感器或电容器。另一种可能的解决方案可能是降低互连的电感，以便谐振不再位于开关频率之上。从理论上讲，这听起来不错，但实际上，这种互连的存在是有原因的。因此，将其变小并不是真正可行的。

另一种选择是考虑保留C X0和C X1的必要性。您无法移除 C X1，因为 PFC 需要一些本地输入电容来提供高频电流。然而，C X0是为了增加电容，目的是增加衰减。移除 C X0将 EMI 改善约 6 dBμV。幅度降低了 50%，并且达到通过标准所需衰减 (65 dBμV) 的很大一部分。这是一笔非常划算的交易。

两个设计要点

这里的要点是双重的。第一个是最初的前提：原理图并不能说明 EMI 的全部情况。在这种情况下，互连电感引起了意外谐振，放大了开关频率噪声。认识问题的根本原因始终是调试中最关键的一步。

第二个要点是，有时通常好的东西(滤波电容器)越少越好。通常可以通过添加组件来解决 EMI 问题，但在这种情况下，组件的存在会使问题变得更糟。因此，通过去除C X1，我们能够减小滤波器的尺寸，降低系统成本，并改善EMI。