林蘇斌，高旻，張麗萍

（福州大學(xué)電氣工程與自動化學(xué)院，福州 350108）

0 引言

《電磁兼容原理與設(shè)計》課程是電氣工程類專業(yè)的專業(yè)課程。該課程理論性強，概念抽象，且電磁干擾噪聲的傳輸涉及高頻磁場和電場，傳輸路徑不可見且具有空間分布性，這些都使得學(xué)生在學(xué)習(xí)該課程過程中難以理解，影響學(xué)生學(xué)習(xí)這門課程的熱情。為提高教學(xué)效果，眾多學(xué)者對電磁兼容原理與設(shè)計課程的教學(xué)方法和實驗內(nèi)容都作了積極的探索與實踐［1-11］。

為將理論學(xué)習(xí)與工程實踐相結(jié)合，加深學(xué)生對電磁兼容相關(guān)理論知識的理解，本文對電磁兼容原理與設(shè)計課程的理論教學(xué)與實驗內(nèi)容進行了初步探索。以反激變換器為實驗對象，在共模噪聲傳輸機理分析基礎(chǔ)上，明確反激變壓器是影響反激變換器共模噪聲的關(guān)鍵器件。在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了基于電磁場有限元分析軟件High Frequency Structure Simulator（HFSS）的反激變壓器共模特性仿真模型，通過虛擬仿真預(yù)測反激變壓器的傳導(dǎo)共模EMI 特性。進一步基于網(wǎng)絡(luò)分析儀構(gòu)建反激變壓器傳導(dǎo)共模EMI特性的演示實驗平臺，采用信號發(fā)生器以及示波器構(gòu)建反激變壓器傳導(dǎo)共模EMI特性簡易實驗平臺。通過羅德施瓦茨的EMI 接收機測試一臺反激變換器實驗樣機的傳導(dǎo)共模噪聲。通過理論分析、仿真建模、反激變壓器單體測試評估、實驗樣機共模噪聲測試驗證的學(xué)習(xí)過程，培養(yǎng)學(xué)生解決實際電磁干擾問題的能力，并取得較好的教學(xué)效果。

1 反激變換器共模噪聲傳輸路徑分析

如圖1 所示為反激變換器傳導(dǎo)共模噪聲傳輸路徑圖［12］。其中，虛線框內(nèi)元件（C1、C2、C3、C4、L1、L2、R1、R2）構(gòu)成線性阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)（LISN）；C5為輸入母線電容，D1、D2、D3、D4構(gòu)成整流橋，T 為反激變壓器；Q 為開關(guān)管、Cph為開關(guān)管與散熱片間的寄生電容，Csg為散熱片與機殼（大地）間的寄生電容，CY為副邊地對機殼（大地）間接的Y電容，Cps、Csp為變壓器原、副邊繞組間的分布電容，D5為輸出整流二極管，C6為輸出濾波電容，R為負載，P_GND為原邊地，S_GND為副邊地，PE為大地。

圖1 中給出了反激變換器主要的3 路共模噪聲。其中icm1是由電位跳變點A，經(jīng)Cph、Csg、大地、LISN、L／N線形成噪聲回路，即

圖1 反激變換器共模噪聲傳輸路徑

式中，uA為電位跳變點A與大地PE間的電壓。

icm2是由電位跳變點A，經(jīng)Cps、CY、大地、LISN、L／N線形成噪聲回路。CY（一般為零點幾到幾nF）遠大于反激變壓器原、副邊繞組間的電容（一般為幾pF～幾十pF），icm2可近似表示為：

式中：up為施加在反激變壓器原邊繞組端口的噪聲電壓；Q1為原邊繞組的噪聲電壓up在副邊繞組產(chǎn)生的感應(yīng)電荷。

icm3是由電位跳變點B，經(jīng)C6、CY、大地、LISN、L／N線、Csp形成噪聲回路。icm3可近似表示為：

式中：uS為施加在反激變壓器副邊繞組端口的噪聲電壓；Q2為施加在副邊繞組的噪聲電壓us在副邊繞組產(chǎn)生的感應(yīng)電荷。

由圖1 可見，icm2、icm3均為流經(jīng)反激變壓器的共模噪聲電流。因此流經(jīng)反激變壓器總的共模噪聲：

式中，Q為反激變壓器原、副邊繞組噪聲電壓在副邊繞組產(chǎn)生的總的感應(yīng)電荷。

同時因變壓器原、副邊噪聲電壓滿足匝數(shù)比關(guān)系，因此式（4）可進一步表示為

式中，CQ為流經(jīng)變壓器的共模端口等效電容。

由式（4）、（5）得到用集總參數(shù)表示的共模端口有效電容：

由上述分析可見，流經(jīng)反激變壓器的共模噪聲可視為由是施加在原邊繞組端口的噪聲電壓，通過原、副邊繞組層間的電場耦合效應(yīng)，在副邊繞組產(chǎn)生感應(yīng)電荷形成的。因此可得圖2 所示反激變換器流經(jīng)變壓器的共模噪聲傳輸簡化示意圖。其中RLISN為LISN 等效共模電阻。

由圖2 可見，共模端口有效電容對應(yīng)的阻抗參數(shù)實質(zhì)上可視為流經(jīng)變壓器的共模傳輸路徑的主要阻抗參數(shù)；若將反激變壓器看作一個二端口網(wǎng)絡(luò)，反激變壓器的共模端口有效電容對應(yīng)的阻抗參數(shù)實質(zhì)上是二端口的轉(zhuǎn)移阻抗。

圖2 流經(jīng)變壓器的共模噪聲傳輸示意

為明確共模端口有效電容的影響，以簡單的原邊和副邊均為單層繞組且無屏蔽層的反激變壓器為例進行說明，圖3 所示為反激變壓器原、副邊相鄰層的電位分布示意圖。

圖3 反激變壓器繞組電位分布示意圖

由圖3 可見，反激變壓器副邊繞組的感應(yīng)電荷

式中：C0為反激變壓器原繞組和副邊繞組相鄰層的層間結(jié)構(gòu)電容；w為繞組窗口的高度。

因此，共模端口有效電容

由式（8）可見，反激變壓器的共模端口有效電容與繞組原、副邊相鄰層的層間結(jié)構(gòu)電容以及原邊繞組以及副邊繞組的噪聲電位分布有關(guān)。因此可以通過調(diào)整反激變壓器繞組的繞制方式來改變原、副邊繞組的噪聲電位分布，改變共模端口有效電容。

2 反激變壓器共模特性的仿真建模

由圖2 所示的反激變換器流經(jīng)變壓器的共模噪聲傳輸簡化原理圖可見，共模端口有效電容是共模噪聲傳輸路徑的主要阻抗參數(shù)，調(diào)整共模端口有效電容可改變反激變換器的共模電流的大小。因此，可以利用濾波器的插入損耗來表征反激變壓器的共模噪聲抑制能力［7-10］。插入損耗（Insertion Loss，IL）仿真原理如圖4（a）所示。插入損耗

進一步可得反激變壓器的共模端口有效電容

由變壓器插入損耗仿真原理，利用電磁場有限元仿真軟件HFSS 建立反激變壓器的仿真模型如圖4（b）所示。

圖4 變壓器仿真原理及仿真模型

仿真反激變壓器參數(shù)為：原邊14 匝；副邊2 匝?？偣苍O(shè)計了兩款基本電氣參數(shù)一致，但繞組繞制方式不一樣，其中1＃變壓器為先繞原邊再繞副邊，2＃變壓器繞組采用三明治結(jié)構(gòu)。HFSS 仿真獲得變壓器傳導(dǎo)共模特性的一般步驟如下：

步驟1根據(jù)實際變壓器結(jié)構(gòu)繞組和磁芯結(jié)構(gòu)，繪制其3D仿真模型，模型中磁芯與繞組間的距離應(yīng)與實際相同。

步驟2添加材料參數(shù)。包括磁芯、繞組、層間絕緣材料等。

步驟3添加激勵。根據(jù)實際測量平面變壓器原理圖在對于繞組端點處添加Lumped Port激勵，并設(shè)置50 Ω端口阻抗。

步驟4設(shè)置求解邊界。點擊操作欄中的Create region設(shè)置求解邊界大小，求解區(qū)域材料特性默認為空氣，即認為是自由空間。

步驟5設(shè)置仿真頻率范圍。掃頻范圍設(shè)置為傳導(dǎo)頻段（0.15～30 MHz），求解頻率點越多仿真曲線越連續(xù)，但相應(yīng)的求解時間會增加，需根據(jù)實際情況來選取求解頻點個數(shù)。網(wǎng)格剖分頻率點要大于掃描最大頻點，以保證仿真結(jié)果的正確性。

步驟6檢查與運行。選擇操作欄中的Validate檢查步驟1～5 是否正確后即可運行仿真。

仿真得到的0.15～30 MHz頻段內(nèi)反激變壓器插入損耗特性的幅頻特性曲線如圖5 所示。

由式（10）結(jié)合圖5 電磁場仿真的插入損耗曲線可計算得1＃變壓器的共模端口等效電容為5.03pF，2＃變壓器的共模端口等效電容為1.52pF。根據(jù)共模噪聲傳輸機理，1＃變壓器對共模噪聲的抑制能力小于2＃變壓器。

圖5 HFSS仿真插入損耗特性曲線

3 反激變壓器傳導(dǎo)共模特性的測量評估

3.1 基于二端口儀器的插入損耗測量評估方法

根據(jù)插入損耗仿真原理，可利用二端口儀器（網(wǎng)絡(luò)分析儀或者帶TG的EMI 接收機）測量反激變壓器的插入損耗［13-15］。采用E5072A 網(wǎng)絡(luò)分析儀按圖4（a）的原理測量插入損耗，測量實驗如圖6（a）所示。

實驗時將網(wǎng)絡(luò)分析儀的PORT1 接反激變壓器的原邊繞組，PORT1 的正端接原邊繞組的電位跳變點，PORT1 的負端接原邊繞組的電位靜點。利用PORT1內(nèi)置的掃頻源在反激變壓器的原邊繞組建立電位分布（模擬原邊繞組噪聲源），根據(jù)電磁感應(yīng)定理，副邊繞組將感應(yīng)出噪聲電位分布（模擬副邊繞組噪聲源）。PORT2 的正端接反激變壓器的副邊繞組的電位靜點，PORT2 的負端與PORT1 的負端共地，副邊繞組的電位跳變點懸空。共模噪聲icm從原邊繞組的電位跳變點經(jīng)共模端口有效電容CQ流經(jīng)副邊繞組的電位靜點，最后經(jīng)PORT2 的正端，被其內(nèi)部的50 Ω電阻R2檢測到。插入損耗測量結(jié)果如圖6（b）所示。

圖6 插入損耗的實驗測量與損耗曲線

由式（10）結(jié)合圖6（b）的插入損耗曲線可計算得實驗測量的1＃變壓器的共模端口等效電容為5.97pF，2＃變壓器的共模端口等效電容為1.69pF。根據(jù)共模噪聲傳輸機理，1＃變壓器對共模噪聲的抑制能力小于2＃變壓器。這一結(jié)果與電磁場仿真的結(jié)果一致。但二者在電容數(shù)值上存在一定的偏差，這是由于仿真建模的變壓器與實際變壓器可能在繞組層間距等結(jié)構(gòu)參數(shù)上存在一定的偏差。

基于二端口儀器的反激變壓器共模端口有效電容的評估方法可以準(zhǔn)確測量反激變壓器的共模端口有效電容，但二端口儀器（網(wǎng)絡(luò)分析儀、帶TG 的EMI 接收機）價格昂貴，不適合用于學(xué)生的實驗操作。因此有必要進一步尋求學(xué)生可實際動手的實驗方案。

3.2 基于信號發(fā)生器與示波器的簡易測量評估方法

圖7 給出了利用信號發(fā)生器和示波器構(gòu)建的反激變壓器傳導(dǎo)共模特性的簡易實驗評估方法。其中圖7（a）為評估原理圖，圖7（b）為實驗測試線路圖。圖中信號發(fā)生器輸出接變壓器原邊繞組，信號發(fā)生器輸出端的正極接原邊繞組的電位跳變點，負極接原邊繞組的電位靜點。在變壓器原、副邊繞組電位靜點之間接采樣電阻R2并用示波器的電壓探頭測量采樣電阻R2上的電壓uR2。根據(jù)反激變壓器共模端口有效電容的形成機理，原、副邊繞組因電場耦合經(jīng)副邊地對大地產(chǎn)生位移電流（共模噪聲電流）流經(jīng)檢測電阻，在檢測電阻阻值給定的情況下，檢測電阻兩端的電壓越高，表明流經(jīng)變壓器的共模電流越大，即共模端口有效電容較大。圖7（c）、（d）分別為1＃變壓器和2＃變壓器的測試波形。實驗時檢測電阻阻值為20 kΩ。由測試波形可見，1＃變壓器檢測電阻上采樣的電壓峰峰值約為53 mV，2＃變壓器檢測電阻上采樣的電壓峰峰值約為10 mV，因此可判斷流經(jīng)1＃變壓器的共模電流大于2＃變壓器的，1＃變壓器的共模端口有效電容比2＃變壓器的共模端口有效電容大。因此，簡易實驗方法測試的結(jié)論與電磁場仿真建模和二端口儀器測試插入損耗的結(jié)論一致。

圖7 反激變壓器共模特性簡易評估方法

4 實驗樣機的共模噪聲測試

利用一款反激變換器為實驗樣機測試共模噪聲。樣機主要電路參數(shù)：輸入電壓Ui＝220 V（AC），輸出電壓Uo＝20 V（DC），開關(guān)頻率200 kHz。分別按1＃和2＃變壓器的規(guī)格繞制了兩個變壓器。變壓器基本參數(shù)為：N1＝14 匝；N2＝2 匝。分別制作了兩款實驗樣機，其中樣機1 采用1＃變壓器，樣機2 采用2＃變壓器，兩款樣機除變壓器不一樣外，其他參數(shù)一致，通過電流法采用羅德斯瓦茨的高頻電流探頭EZ-17 測得無濾波器下的共模噪聲。實驗測試的噪聲頻譜如圖8 所示。其中圖8（a）為共模噪聲測試實驗圖，圖8（b）為測試的共模噪聲頻譜。由測試結(jié)果可見，樣機1 的共模噪聲比樣機2 的共模噪聲大約10 dB，說明2＃變壓器對共模噪聲的抑制能力好于1＃變壓器，因此可得2＃變壓器的共模端口有效電容小于1＃變壓器的。共模噪聲測試的結(jié)論與仿真建模以及變壓器單體測試的結(jié)論基本一致。

圖8 共模噪聲測試與頻譜

5 結(jié)語

電磁干擾噪聲的傳輸機理分析以及噪聲傳輸路徑阻抗的確定是開關(guān)電源電磁兼容性能設(shè)計的基礎(chǔ)，高頻變壓器是影響開關(guān)電源電磁兼容性能的關(guān)鍵器件，其傳導(dǎo)共模特性也是“電磁兼容原理與設(shè)計”類課程中的重點環(huán)節(jié)之一。由于電磁干擾噪聲的產(chǎn)生和傳輸機理復(fù)雜，概念抽象，常規(guī)的理論教學(xué)的方法較為枯燥，學(xué)生難以清晰理解噪聲傳輸?shù)暮诵臋C理，不易掌握噪聲抑制的措施。

（1）本文以反激變換器為主要分析對象，通過傳導(dǎo)共模噪聲傳輸機理分析，明確了反激變壓器的容性寄生參數(shù)是共模噪聲傳輸?shù)闹饕杩箙?shù)，推導(dǎo)了反激變壓器的共模端口有效電容的數(shù)學(xué)模型，加深學(xué)生對傳導(dǎo)共模噪聲傳輸機理的理解并提高學(xué)生理論分析的能力。

（2）立足于反激變壓器共模端口有效電容，分析了其對共模噪聲的抑制效果，建立了基于電磁場有限元仿真軟件的反激變壓器共模特性評估模型，使學(xué)生掌握反激變壓器共模特性模型的分析及其建模方法。

（3）搭建了基于網(wǎng)絡(luò)分析儀的反激變壓器共模特性演示評估平臺，利用信號發(fā)生器、示波器設(shè)計了反激變壓器共模特性簡易評估實驗，通過實際動手實踐，幫助學(xué)生理解和掌握反激變壓器共模端口有效電容的關(guān)鍵影響因素及其對共模噪聲的抑制特性。通過一臺反激變換器實驗樣機，利用EMI 接收機測量共模噪聲，驗證反激變壓器對共模噪聲起抑制作用的分析方法有效性，培養(yǎng)學(xué)生通過基本理論分析，結(jié)合電磁場有限元仿真建模、實驗測試驗證等方法，解決實際復(fù)雜工程案例的能力。