小型隔离电源为从电动汽车牵引逆变器到工厂控制模块等应用中的隔离栅供电。在这篇电源技巧文章中，我将研究不同的隔离偏置电源拓扑结构及其电磁干扰(EMI)性能。正如您将看到的，隔离变压器上的寄生电容是共模噪声传播的主要因素。
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小型隔离电源为从电动汽车牵引逆变器到工厂控制模块等应用中的隔离栅供电。在这篇电源技巧文章中，我将研究不同的隔离偏置电源拓扑结构及其电磁干扰(EMI)性能。正如您将看到的，隔离变压器上的寄生电容是共模噪声传播的主要因素。
在牵引逆变器中，栅极驱动器驱动大功率开关，通常是绝缘栅双极晶体管(IGBT)或碳化硅(SiC) MOSFET，以在高压电池和电机之间转换能量(见图1)。栅极驱动器通常是隔离的，栅极驱动器IC的一部分连接到低压域(原边)，另一部分连接到高压域(副边)。栅极驱动控制信号来自初级侧的微控制器，并被传输到次级侧以开启和关闭电源开关。
隔离栅极驱动器的副边需要一个隔离电源来驱动电源开关的开启和关闭(见图2)。
图2的隔离偏置电源通过隔离栅向隔离栅驱动器供电。德州仪器的隔离偏置电源的额定功率通常很低，小于10 W..下面的公式估计其功率需求为:
DRV = DRV x Q g x F SW(1)
其中V DRV是栅极驱动电压，Q g是开关栅极电荷，F SW是开关的开关频率(不是隔离偏置电源的开关频率)。栅极驱动电压取决于您选择的开关，但通常在正电源轨上为+15V至+25V，在负电源轨上为–8v至0V。
隔离偏置电源的常见拓扑包括反激式、推挽式和电感-电感-电容(LLC)式。一些完全集成的电源模块在原边使用全桥配置。众所周知，反激式转换器(如德州仪器(TI)的LM5180-Q1)可以提供良好的输出电压调节，效率非常高，可以设计为无需光耦合器(使用原边调节)，并且可以具有多个隔离输出。它们的缺点是频率范围(
您可能会遇到的一个问题是关于不同拓扑的EMI性能:一些拓扑对EMC结果有或多或少的影响吗？为了解决这些问题，我们首先检查隔离变压器。当牵引逆变器的开关节点(V SW)在HV+和HV–节点之间切换时，变压器绕组之间存在一些寄生电容。在开关过程中，共模电流的短脉冲对寄生电容进行充电或放电。共模电流与开关节点的寄生电容和压摆率(dv/dt)成比例。开关节点的大电容或更快的开关速率(如GaN和SiC等宽带隙半导体中所见)将导致更高的共模电流。图3突出显示了寄生电容和用于充放电的共模电流。
图3当开关节点(V SW)切换时，共模电流对变压器的寄生电容充电。德州仪器(ti)转换器拓扑结构确实会影响变压器设计和由此产生的寄生电容。反激式转换器变压器(或者耦合电感，如果你喜欢这个术语的话)被设计成在初级侧和次级侧之间具有强耦合，以降低漏电感。漏电感会导致缓冲电路中不必要的电压尖峰和功率损耗。低漏电感设计的不利影响是绕组之间的电容通常会增加，并可能达到20 pF或更高。另一方面，LLC转换器可以设计为在其谐振回路中使用变压器的漏电感。所以，你可以不用设计变压器，把漏电感降到最低；它们的寄生电容约为2 pF。正如您将看到的，这有助于降低共模电流。
表1显示了四种隔离偏置拓扑的一些参数，通过实验验证了变压器寄生电容对共模电流的影响。所有转换器均设计用于15V输入、15V输出和1.5W应用。每种拓扑结构的开关频率都基于典型值，变压器也相应地进行设计。如您所见，反激式转换器变压器具有漏电感和寄生电容。LLC变换器变压器有漏电感和寄生电容。
表1四个隔离偏置电源转换器示例的变压器参数。数据德州仪器
比较这些隔离偏置电源拓扑结构需要一系列广泛的测试:效率、负载调整率、输入和输出纹波、热量以及传导和辐射EMI。为了关注系统中隔离接地之间测得的共模电流，我的同事在两个接地之间连接了一根导线，并在400V电压下测量了大功率开关(本例中GaN半桥使用LMG3522R030-Q1)开启和关闭时的共模电流。图4和图5显示了高压开关节点的压摆率分别为40V/ns和100V/ns时的结果。
图4开关节点上40V/ns压摆率下的共模电流比较。通道1是高压开关节点(200 V/div)，通道2是共模电流(500 mA/div)。数据德州仪器
图5开关节点上100V/ns压摆率下的共模电流比较。通道1是高压开关节点(200 V/div)，通道2是共模电流(500 mA/div)。数据德州仪器
测量结果表明，在40V/ns和100V/ns压摆率下，反激变压器的共模电流分别为935mA和1,420mA。由于变压器的寄生电容，这是意料之中的。由于LLC转换器的寄生电容，测得的共模电流(40V/ns和100V/ns压摆率时为197mA和570mA)为实测值。大共模电流尖峰是有害的，因为它会将噪声从高压域传导到低压域，导致接地反弹；它还可能导致转换器运行不良，包括脉冲跳跃、调节丢失或意外关断。
共模电流尤其难以抑制。解决共模电流问题的方法之一是首先避免产生共模电流。虽然这里讨论的应用是电动汽车中的牵引逆变器，但这些原理也适用于并网转换器和服务器电源。
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