馮德虎, 史永勝, 趙慧榮

(1.陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電學(xué)院, 陜西 咸陽 712000; 2.陜西科技大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院， 陜西 西安 710021)

0 引 言

開關(guān)電源用半導(dǎo)體功率器件作為開關(guān)，通過改變開/關(guān)的時(shí)間比來控制輸出電壓的大小,其基本構(gòu)成如圖1所示.在開關(guān)元件通斷前后產(chǎn)生了大幅度的電壓和電流跳變，因而會(huì)產(chǎn)生很大的電磁干擾.開關(guān)電源工作在幾十kHz到1 MHz的開關(guān)頻率，高頻的通斷狀態(tài)下產(chǎn)生的電磁干擾(EMI)通過傳輸通道耦合到系統(tǒng)內(nèi)外，對(duì)系統(tǒng)內(nèi)外的敏感設(shè)備造成了危害，導(dǎo)致系統(tǒng)的電磁兼容性能下降.主要騷擾源的研究是實(shí)現(xiàn)電磁兼容設(shè)計(jì)的關(guān)鍵,在產(chǎn)品設(shè)計(jì)初期利用電子軟件找到其主要騷擾途徑，將干擾程度降低到最低，可大大縮短產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期.本文在Saber中建立了開關(guān)電源DC-DC變換電路Buck電路的仿真模型，研究分析了各支路電流的時(shí)域和頻域特性，找出了其主要騷擾途徑，實(shí)現(xiàn)了其EMC設(shè)計(jì).

圖1 開關(guān)電源的基本構(gòu)成

1 Saber軟件介紹

Saber仿真軟件是美國Analogy公司開發(fā)的功能強(qiáng)大的電力電子系統(tǒng)仿真軟件之一，可用于電子、電力電子、機(jī)電一體化、機(jī)械、水力、控制等領(lǐng)域的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和仿真.

Saber的分析功能是比較強(qiáng)的，主要有5種：(1)DC analysis(直流分析)，用于計(jì)算設(shè)計(jì)的工作點(diǎn)；(2)Transient(瞬態(tài)分析)，分析確定系統(tǒng)的時(shí)域響應(yīng)；(3)AC(頻響分析)，分析系統(tǒng)隨頻率變化的響應(yīng)特性；(4)Fourier和FFT(傅里葉和快速傅里葉變換分析)，將時(shí)域波形變換成頻譜；(5)IFFT(反快速傅里葉變換分析)，將頻域波形變換成時(shí)域波形.

圖2 Buck 電路圖

2 Buck電路仿真

降壓式(Buck)DC-DC變換器是構(gòu)成包括開關(guān)電源等電力電子裝置的重要電路，本文研究的Buck等效電路如圖2所示，以占空比D工作的脈沖信號(hào)和轉(zhuǎn)換開關(guān)代替場(chǎng)效應(yīng)管與二極管D、電感L、電容C、電阻R組成Buck變換電路.當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，有電流is=iL流過電感線圈L，在電感線圈未飽和前，電流線性增加，在負(fù)載R上流過電流i0，兩端輸出電壓V0，極性為上正下負(fù).當(dāng)is>i0時(shí)，電容在充電狀態(tài),這時(shí)二極管D1承受反向電壓.經(jīng)時(shí)間DTs后(D=ton/Ts，ton為開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間，Ts為周期)，當(dāng)開關(guān)管截止時(shí)，線圈L中的磁場(chǎng)將改變線圈L兩端的電壓極性，以保持其電流不變.負(fù)載R兩端的電壓仍是上正下負(fù).在iL

輸入直流電源Ui設(shè)為10 V，脈沖信號(hào)源幅度Us=5 V，上升時(shí)間Tμ=0.1 ns，下降時(shí)間TF=0.1 ns,脈沖寬度PW=1 ns,周期PER=2 μs.

圖3 脈沖信號(hào)上的電壓電流 圖4 直流電源上的電壓電流

圖5(a) 電阻上的電流電壓 圖5(b) 電容上的電流電壓

圖5(c) 電感上的電流電壓 圖5(d) 二極管兩端的電流電壓

3 結(jié)果與分析

分析以上各支路的電流頻譜可以得到以下結(jié)果(如圖3～圖5所示)：

(1)在降壓式(Buck)DC-DC變換電路導(dǎo)通瞬間，流經(jīng)電感、電容、二極管的電流明顯比流經(jīng)電阻的電流大很多，在分析此電路的電流輻射場(chǎng)時(shí)，可以把電感、電容、二極管支路電流作為主要輻射源.

(2)電感、電容、二極管支路電流在時(shí)間t=153.06 μs時(shí)出現(xiàn)較大峰值.在相同的頻率下，它們的電流幅值近似相等，可以認(rèn)為它們?cè)趖=153.06 μs時(shí)刻組成了一個(gè)高頻電流環(huán)路.

(3)電感、電容、二極管支路電流從時(shí)間t=326.81 μs開始在零值上下波動(dòng)，電阻支路電流從時(shí)間t=2.397 3 ms在0.628 45 A左右波動(dòng)，可以認(rèn)為在時(shí)間t=326.81 μs后電路的主要騷擾源來自于電阻，而電阻中的電流僅有0.628 45 A，它帶來的電磁騷擾可以忽略不計(jì),因此我們?cè)谶M(jìn)行此電路的電磁兼容設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮時(shí)間0～326.81 μs的電磁干擾.

4 結(jié)束語

電子電路的EMI分析是一門邊緣性的學(xué)科，涉及到的學(xué)科很廣泛，值得深入研究的問題也很多.本文通過在Saber中建立DC-DC變換電路Buck電路的仿真模型，進(jìn)行了支路電流信號(hào)的時(shí)域分析，發(fā)現(xiàn)了電路的主要騷擾源和騷擾途徑，可在產(chǎn)品設(shè)計(jì)前將電磁騷擾程度降低到最低，降低產(chǎn)品的研發(fā)成本.

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