Análisis del método de supresión de EMI para el tubo de conmutación y el diodo en la fuente de alimentación de conmutación

Análisis de los métodos de supresión de EMI para tubos y diodos de conmutación en fuentes de alimentación de conmutación
1. Introducción
La interferencia electromagnética (EMI) es la falta de compatibilidad electromagnética y es el proceso de energía electromagnética destructiva que pasa de un dispositivo electrónico a otro a través de la conducción o la radiación. En los últimos años, la fuente de alimentación conmutada se ha desarrollado rápidamente debido a sus ventajas de alta frecuencia, alta eficiencia, tamaño pequeño y salida estable. Las fuentes de alimentación conmutadas han reemplazado gradualmente a las fuentes de alimentación reguladas lineales y se utilizan ampliamente en computadoras, comunicaciones, sistemas de control automático, electrodomésticos y otros campos. Sin embargo, debido a que la fuente de alimentación conmutada opera a alta frecuencia y su alta di/dt y alta dv/dt, la fuente de alimentación conmutada tiene una desventaja muy importante: es fácil generar señales de interferencia electromagnética (EMI) relativamente fuertes. Las señales EMI no solo tienen un amplio rango de frecuencia, sino que también tienen una cierta amplitud, lo que contaminará el entorno electromagnético a través de la conducción y la radiación, y causará interferencias en los equipos de comunicación y productos electrónicos. Por lo tanto, cómo reducir o incluso eliminar el problema de EMI en la fuente de alimentación conmutada se ha convertido en un problema que preocupa mucho a los diseñadores de fuentes de alimentación conmutadas. Este artículo se centra en cuatro métodos de supresión de EMI de válvulas y diodos de conmutación en fuentes de alimentación de conmutación.
2. Mecanismo de generación de EMI de tubo interruptor y diodo.
La causa principal de la interferencia electromagnética generada por la propia fuente de alimentación conmutada cuando el tubo de conmutación funciona en condiciones de conmutación difíciles es que la conmutación de alta velocidad del tubo de conmutación y la recuperación inversa del diodo rectificador durante su proceso de trabajo producen di/ dt y dv/dt alto, que generan La corriente de irrupción y el voltaje pico forman una fuente de interferencia. Cuando el tubo de conmutación funciona en una conmutación dura, también producirá un alto di/dt y un alto dv/dt, generando así una gran interferencia electromagnética. La figura 1 muestra la pista de conmutación del tubo de conmutación que funciona en condiciones de conmutación dura cuando el tubo de conmutación está conectado a una carga inductiva. La línea punteada en la figura es el área de operación segura del transistor bipolar. Si la condición de conmutación de el tubo de conmutación no se mejora, la pista de conmutación es probable que exceda el área de trabajo segura, lo que provocará daños en el tubo de conmutación. Debido a la conmutación de alta velocidad del tubo de conmutación, las cargas inductivas, como los transformadores de alta frecuencia o los inductores de almacenamiento de energía en la fuente de alimentación de conmutación, fuerzan una gran sobretensión en el primario del transformador en el momento en que se enciende el tubo de conmutación. lo que provocará un pico de tensión. Durante el período de corte del tubo interruptor, la mutación de corriente provocada por la inductancia de fuga del devanado del transformador de alta frecuencia genera una fuerza contraelectromotriz E=-Ldi/dt, cuyo valor es proporcional a la tasa de cambio de corriente (di/ dt) y proporcional a la inductancia de fuga. El pico de tensión de desconexión se superpone a la tensión de desconexión para formar una interferencia electromagnética. Además, las características de recuperación inversa del diodo antiparalelo en el tubo del interruptor no son buenas, o los parámetros del circuito de absorción de pico de voltaje se seleccionan incorrectamente, lo que también causará interferencia electromagnética. Hay dos fuentes de interferencia causadas por la recuperación inversa del diodo rectificador, que son el diodo rectificador de entrada y el diodo rectificador de salida. Son perturbaciones provocadas por la conmutación de la corriente. En la Figura 2 se puede ver que cuando t0=0, el diodo se enciende y la corriente del diodo aumenta rápidamente, pero la caída de voltaje del diodo no cae inmediatamente, sino que se produce un aumento rápido. La razón es que durante el proceso de encendido, la región de base larga de la unión PN del diodo inyecta suficientes portadores minoritarios, y se necesita un cierto tiempo tr para que se produzca la modulación de la conductancia. Este sobreimpulso de voltaje provoca un ruido electromagnético de banda ancha. Y cuando se apaga, una gran cantidad de portadores minoritarios en exceso que existen en la región de base larga de la unión PN necesitan un cierto período de tiempo para restablecer un estado de equilibrio, lo que resulta en una gran corriente de recuperación inversa. Cuando t=t1, la unión PN comienza a revertir la recuperación, y dentro del tiempo t1-t2, otros portadores en exceso dependen del centro de recombinación para recombinarse y volver al estado de equilibrio. En este momento, aparece otro pico negativo en la caída de presión del tubo. Por lo general, t2 < t1, por lo que este pico es un pico muy estrecho que genera más ruido electromagnético que cuando se encendió. Por lo tanto, la interferencia de recuperación inversa del diodo rectificador también es una fuente importante de interferencia en la fuente de alimentación conmutada.


3. Método de supresión de EMI
Di/dt y dv/dt son los factores clave para la interferencia electromagnética generada por la propia fuente de alimentación conmutada, y la reducción de cualquiera de ellos puede reducir la interferencia electromagnética en la fuente de alimentación conmutada. De lo anterior se puede ver que di/dt y dv/dt son causados ​​principalmente por la conmutación rápida del tubo de conmutación y la recuperación inversa del diodo. Por lo tanto, si desea suprimir la EMI en la fuente de alimentación de conmutación, debe resolver los problemas causados ​​por la conmutación rápida del tubo de conmutación y la recuperación inversa del diodo.
3.1 Dispositivo de absorción en paralelo
La adopción de un dispositivo de absorción es una buena manera de suprimir la interferencia electromagnética. El principio básico del circuito de absorción es proporcionar una derivación para el interruptor cuando el interruptor está apagado y absorber la energía acumulada en los parámetros de distribución parásita, suprimiendo así la aparición de interferencias. Los circuitos amortiguadores comúnmente utilizados son RC y RCD. Las ventajas de este tipo de circuito absorbente son la estructura simple, el precio económico y la fácil implementación, por lo que es un método comúnmente utilizado para suprimir la interferencia electromagnética.

(1) Conecte el circuito RC en paralelo:
agregue el circuito absorbente RC en ambos extremos del tubo de conmutación T, como se muestra en la Figura 3. Agregue un circuito de absorción RC en ambos extremos del diodo rectificador D en el circuito rectificador secundario, como se muestra en la Figura 5, para suprimir la sobrecorriente.
(2) Conecte el circuito RCD
en paralelo Agregue el circuito absorbente RCD en ambos extremos del tubo T del interruptor, como se muestra en la Figura 4.
3.2 Bobina de núcleo magnético saturable conectada
en serie En el circuito secundario de rectificación, la bobina de núcleo magnético saturable está conectada en serie con el diodo rectificador D, como se muestra en la Figura 5. La bobina de núcleo magnético saturable se satura cuando pasa la corriente normal y la inductancia es muy pequeña, lo que no afectará el funcionamiento normal del circuito. Una vez que la corriente va a invertirse, la bobina de núcleo magnético generará una gran fuerza contraelectromotriz para evitar el aumento de la corriente inversa. Por lo tanto, conectarlo en serie con el diodo D puede suprimir efectivamente la sobrecorriente inversa del diodo D.
3.3 Tecnología cuasi-resonante tradicional
En términos generales, la tecnología de conmutación suave se puede utilizar para resolver el problema de los tubos de conmutación, como se muestra en la Figura 6. La figura 6 muestra la pista de conmutación del tubo de conmutación que funciona en condiciones de conmutación suave. La tecnología de conmutación suave reduce principalmente la pérdida de conmutación en el tubo del interruptor y también puede suprimir la interferencia electromagnética en el tubo del interruptor. Entre todas las tecnologías de conmutación suave, la cuasi-resonancia suprime mejor la interferencia electromagnética en el tubo de conmutación, por lo que este artículo toma la tecnología cuasi-resonante como ejemplo para presentar la tecnología de conmutación suave para suprimir EMI. La llamada cuasi-resonancia significa que el tubo del interruptor se enciende en la parte inferior del voltaje, como se muestra en la Figura 7. La inductancia y capacitancia parásitas en el interruptor, como parte del elemento resonante, controla completamente la ocurrencia de picos de corriente cuando se enciende el interruptor y picos de voltaje cuando se apaga. De esta manera, no solo se puede reducir al mínimo la pérdida de conmutación, sino que también se puede reducir el ruido. La conmutación de valle requiere que la energía almacenada en el interruptor durante el tiempo de apagado se libere cuando el interruptor esté encendido. Su pérdida promedio es:

A partir de esta fórmula se puede ver que la reducción conducirá a una gran reducción, reduciendo así la tensión en el interruptor, mejorando la eficiencia, reduciendo dv/dt, es decir, reduciendo EMI.



La Figura 8 muestra la topología de la resonancia en serie LLC. En la figura se puede ver que los dos interruptores principales Ql y Q2 forman una estructura de medio puente, y su señal de activación es una señal complementaria con un ciclo de trabajo fijo del 50 % La inductancia Ls, la capacitancia Cs y la inductancia de excitación Lm del transformador forman una red resonante LLC. En el convertidor resonante en serie LLC, dado que la inductancia de excitación Lm está conectada en serie en el circuito resonante, la frecuencia de conmutación puede ser menor que la frecuencia resonante intrínseca fs del LC, y solo necesita ser mayor que la frecuencia resonante intrínseca fm de el LLC para realizar la conmutación cero del interruptor principal.El voltaje se enciende. Por lo tanto, la resonancia de la serie LLC puede reducir la EMI en el tubo del interruptor principal y minimizar la interferencia de radiación electromagnética (EMI). En la topología resonante LLC, siempre que la corriente resonante no haya caído a cero, la tendencia de ajuste de la frecuencia al voltaje de salida no cambiará, es decir, el voltaje de salida continuará aumentando a medida que la frecuencia disminuye. Se garantiza la condición de encendido de voltaje del interruptor principal. Por lo tanto, la frecuencia de operación del convertidor resonante LLC tiene un límite inferior, es decir, la frecuencia resonante en serie fm de Cs y Ls y Lm. En el rango de frecuencia de operación fm<f<fs, el interruptor principal en el lado primario funciona bajo la condición de encendido de voltaje cero y no depende de la magnitud de la corriente de carga. Al mismo tiempo, cuando el diodo rectificador en el lado secundario funciona en estado discontinuo o discontinuo crítico, el diodo rectificador se puede apagar bajo la condición de corriente cero, se resuelve el problema de su recuperación inversa y no hay pico de voltaje. ya no.
4. Análisis comparativo de los métodos de supresión
El circuito amortiguador RC paralelo y la bobina de núcleo magnético saturable en serie son métodos simples y comúnmente utilizados, principalmente para suprimir el alto voltaje y la corriente de sobretensión, desempeñan el papel de absorción y amortiguación, y su efecto de supresión en EMI es comparable Inferior a la tecnología cuasi-resonante y la tecnología resonante de la serie LLC. Lo siguiente se enfoca en el análisis comparativo de la tecnología cuasi-resonante y la tecnología resonante de la serie LLC. A la cuasi-resonancia se le agrega un circuito snubber RCD, es decir, un circuito de absorción de voltaje pico compuesto por diodos, capacitores y resistencias, cuya función principal es absorber la energía de voltaje pico de flanco ascendente generada por el tubo interruptor de potencia del MOSFET cuando es Apague y reduzca el valor de amplitud de voltaje máximo para evitar la ruptura de sobrevoltaje del tubo del interruptor de alimentación. Sin embargo, esto aumentará las pérdidas y, dado que el diodo se usa en el circuito amortiguador, también aumentará el problema de recuperación inversa del diodo. Se puede ver en el análisis anterior que la tecnología de cuasi-resonancia reduce principalmente la pérdida de conmutación en el tubo del interruptor y también puede suprimir la interferencia electromagnética en el tubo del interruptor, pero no puede suprimir la interferencia electromagnética en el diodo, y cuando el el voltaje de entrada aumenta, la frecuencia aumenta; cuando la carga de salida aumenta, la frecuencia disminuye, por lo que su efecto de supresión no es muy bueno y, en general, no puede lograr los resultados deseados. Por lo tanto, si desea obtener un mejor efecto de supresión, debe resolver el problema de recuperación inversa en el diodo para que el efecto de supresión sea satisfactorio. La topología resonante de la serie LLC suprime la EMI mejor que la cuasi-resonante. Sus ventajas han sido analizadas anteriormente.
5. Conclusión
Con el desarrollo continuo de la tecnología de fuente de alimentación conmutada, su volumen es cada vez más pequeño y su densidad de potencia es cada vez mayor. EMI se ha convertido en un factor clave para la estabilidad de la fuente de alimentación conmutada. El tubo de conmutación interno y el diodo de la fuente de alimentación de conmutación son las principales fuentes de EMI. Este documento presenta principalmente cuatro métodos para suprimir EMI de válvulas y diodos de conmutación, los analiza y compara, y tiene como objetivo encontrar un método más efectivo para suprimir EMI. A través del análisis y la comparación, se puede concluir que el efecto de supresión de la tecnología de resonancia de la serie LLC es mejor, y su eficiencia aumenta con el aumento del voltaje, y su frecuencia de operación varía mucho con el voltaje, pero el cambio con la carga es pequeño.