Análise do método de supressão de EMI para comutação de tubo e diodo em fonte de alimentação comutada

Análise dos métodos de supressão de EMI para comutação de tubos e diodos na comutação de fontes de alimentação
1. Introdução
A interferência eletromagnética (EMI) é a falta de compatibilidade eletromagnética e é o processo de energia eletromagnética destrutiva que passa de um dispositivo eletrônico para outro por meio de condução ou radiação. Nos últimos anos, a fonte de alimentação comutada desenvolveu-se rapidamente devido às suas vantagens de alta frequência, alta eficiência, tamanho pequeno e saída estável. As fontes de alimentação comutadas substituíram gradualmente as fontes de alimentação reguladas linearmente e são amplamente utilizadas em computadores, comunicação, sistemas de controle automático, eletrodomésticos e outros campos. No entanto, como a fonte de alimentação comutada opera em alta frequência e seu alto di/dt e alto dv/dt, a fonte de alimentação comutada tem uma desvantagem muito importante - é fácil gerar sinais de interferência eletromagnética (EMI) relativamente fortes. Os sinais EMI não apenas possuem uma ampla faixa de frequência, mas também uma certa amplitude, o que poluirá o ambiente eletromagnético por meio de condução e radiação e causará interferência em equipamentos de comunicação e produtos eletrônicos. Portanto, como reduzir ou mesmo eliminar o problema de EMI na comutação da fonte de alimentação tornou-se um problema com o qual os projetistas de fontes de alimentação comutadas estão muito preocupados. Este artigo enfoca quatro métodos de supressão de EMI de válvulas e diodos de comutação em fontes de alimentação de comutação.
2. Mecanismo de geração de EMI do tubo de comutação e diodo
A causa raiz da interferência eletromagnética gerada pela própria fonte de alimentação de comutação quando o tubo de comutação funciona sob condições de comutação difíceis é que a comutação de alta velocidade do tubo de comutação e a recuperação reversa do diodo retificador durante seu processo de trabalho produzem alta di/ dt e dv/dt alto, que geram A corrente de irrupção e a tensão de pico formam uma fonte de interferência. Quando o tubo de comutação funciona em comutação difícil, ele também produzirá alto di/dt e alto dv/dt, gerando grande interferência eletromagnética. A Figura 1 representa a faixa de comutação do tubo de comutação quando o tubo de comutação funciona sob condições de comutação difíceis quando conectado a uma carga indutiva. A linha pontilhada na figura é a área de operação segura do transistor bipolar. Se as condições de comutação do tubo de comutação não são melhorados, a pista de comutação É provável que exceda a área de trabalho segura, resultando em danos ao tubo de comutação. Devido à comutação de alta velocidade do tubo de comutação, a carga indutiva, como o transformador de alta frequência ou o indutor de armazenamento de energia na fonte de alimentação de comutação, forçará uma grande corrente de surto no primário do transformador quando o tubo de comutação for ligado , o que causará um pico de tensão. Durante o período de corte do tubo interruptor, a mutação de corrente causada pela indutância de fuga do enrolamento do transformador de alta frequência gera uma força eletromotriz contrária E=-Ldi/dt, cujo valor é proporcional à taxa de variação da corrente (di/ dt) e proporcional à indutância de fuga. O pico de baixa tensão é sobreposto à baixa tensão para formar interferência eletromagnética. Além disso, as características de recuperação reversa do diodo antiparalelo no tubo do interruptor não são boas ou os parâmetros do circuito de absorção de pico de tensão são selecionados incorretamente, o que também causará interferência eletromagnética. Existem duas fontes de interferência causadas pela recuperação reversa do diodo retificador, que são o diodo retificador de entrada e o diodo retificador de saída. São distúrbios causados ​​pela comutação da corrente. Pode ser visto na Figura 2 que quando t0 = 0, o diodo é ligado e a corrente do diodo aumenta rapidamente, mas a queda de tensão do diodo não cai imediatamente, mas ocorre um aumento rápido. A razão é que durante o processo de ativação, a longa região de base da junção PN do diodo injeta portadores minoritários suficientes e leva um certo tempo tr para que a modulação de condutância ocorra. Este excesso de tensão causa um ruído eletromagnético de banda larga. Quando é desligada, um grande número de portadores minoritários em excesso existentes na longa região de base da junção PN precisa de um certo período de tempo para restaurar a um estado de equilíbrio, resultando em uma grande corrente de recuperação reversa. Quando t = t1, a junção PN começa a reverter a recuperação e, dentro do tempo t1-t2, outros portadores em excesso dependem do centro de recombinação para se recombinar e retornar ao estado de equilíbrio. Neste momento, outro pico negativo aparece na queda de pressão do tubo. Normalmente t2 < t1, então este pico é um pico muito estreito que gera mais ruído eletromagnético do que na ativação. Portanto, a interferência de recuperação reversa do diodo retificador também é uma importante fonte de interferência na fonte de alimentação chaveada.


3. Método de supressão de EMI
Di/dt e dv/dt são os principais fatores para a interferência eletromagnética gerada pela própria fonte de alimentação chaveada, e a redução de qualquer um deles pode reduzir a interferência eletromagnética na fonte de alimentação chaveada. Pode ser visto acima que di/dt e dv/dt são causados ​​principalmente pela comutação rápida do tubo de comutação e a recuperação reversa do diodo. Portanto, se você deseja suprimir a EMI na fonte de alimentação de comutação, deve resolver os problemas causados ​​pela comutação rápida do tubo de comutação e pela recuperação reversa do diodo.
3.1 Dispositivo de absorção paralela
Adotar um dispositivo de absorção é uma boa maneira de suprimir a interferência eletromagnética. O princípio básico do circuito de absorção é que a chave fornece um bypass para a chave quando esta é desligada, absorvendo a energia acumulada nos parâmetros de distribuição parasita, suprimindo assim a ocorrência de interferência. Os circuitos de amortecimento comumente usados ​​são RC e RCD. As vantagens deste tipo de circuito de absorção são estrutura simples, preço barato e fácil implementação, por isso é um método comumente usado para suprimir a interferência eletromagnética.

(1) Conecte o circuito RC em paralelo:
adicione o circuito de absorção RC em ambas as extremidades do tubo de comutação T, conforme mostrado na Figura 3. Adicione um circuito de absorção RC em ambas as extremidades do diodo retificador D no circuito retificador secundário, conforme mostrado na Figura 5, para suprimir o surto de corrente.
(2) Conecte o circuito RCD
em paralelo Adicione o circuito absorvedor RCD em ambas as extremidades do tubo T do interruptor, conforme mostrado na Figura 4.
3.2 Bobina de núcleo magnético saturável conectada
em série No circuito retificador secundário, a bobina de núcleo magnético saturável é conectada em série com o diodo retificador D, conforme mostra a Figura 5. A bobina de núcleo magnético saturável fica saturada quando a corrente normal é passada e a indutância é muito pequena, o que não afetará a operação normal do circuito. Uma vez que a corrente será invertida, a bobina do núcleo magnético gerará uma grande força eletromotriz contrária para evitar o aumento da corrente reversa. Portanto, conectá-lo em série com o diodo D pode efetivamente suprimir a corrente de surto reversa do diodo D.
3.3 Tecnologia quasi-ressonante tradicional
De um modo geral, a tecnologia de comutação suave pode ser usada para resolver o problema de comutação de tubos, conforme mostrado na Figura 6. A Figura 6 mostra a pista de comutação do tubo de comutação funcionando em condições de comutação suave. A tecnologia de comutação suave reduz principalmente a perda de comutação no tubo do interruptor e também pode suprimir a interferência eletromagnética no tubo do interruptor. Entre todas as tecnologias de comutação suave, a quase-ressonância suprime melhor a interferência eletromagnética no tubo de comutação, portanto, este artigo usa a tecnologia quase-ressonante como exemplo para introduzir a tecnologia de comutação suave para suprimir EMI. A chamada quase-ressonância significa que o tubo interruptor é ligado na parte inferior da tensão, conforme mostrado na Figura 7. A indutância e a capacitância parasitas na chave, como parte do elemento ressonante, controlam totalmente a ocorrência de picos de corrente quando a chave é ligada e picos de tensão quando ela é desligada. Desta forma, não apenas a perda de comutação pode ser reduzida ao mínimo, mas também o ruído pode ser reduzido. A comutação Valley requer que a energia armazenada no interruptor durante o tempo desligado seja liberada quando o interruptor estiver ligado. Sua perda média é: Pode

-se observar por esta fórmula que a redução levará a uma grande redução, reduzindo assim o estresse no switch, melhorando a eficiência, reduzindo dv/dt, ou seja, reduzindo EMI.



A Figura 8 mostra a topologia da ressonância em série LLC. Pode ser visto na figura que os dois interruptores principais Ql e Q2 formam uma estrutura de meia ponte, e seu sinal de acionamento é um sinal complementar com um ciclo de trabalho fixo de 50%. A indutância Ls, a capacitância Cs e a indutância de excitação Lm do transformador formam uma rede ressonante LLC. No conversor ressonante série LLC, uma vez que a indutância de excitação Lm está conectada em série no circuito ressonante, a frequência de comutação pode ser menor que a frequência ressonante intrínseca fs do LC, e só precisa ser maior que a frequência ressonante intrínseca fm de o LLC para realizar a comutação zero do interruptor principal. A tensão é ligada. Portanto, a ressonância da série LLC pode reduzir a EMI no tubo do interruptor principal e minimizar a interferência da radiação eletromagnética (EMI). Na topologia ressonante LLC, enquanto a corrente ressonante não cair para zero, a tendência de ajuste da frequência à tensão de saída não mudará, ou seja, a tensão de saída continuará aumentando conforme a frequência diminui. a condição de ativação da tensão do interruptor principal é garantida. Portanto, a frequência de operação do conversor ressonante LLC tem um limite inferior, ou seja, a frequência ressonante série fm de Cs e Ls e Lm. Na faixa de frequência de operação fm<f<fs, a chave principal no lado primário funciona sob a condição de tensão zero, e não depende da magnitude da corrente de carga. Ao mesmo tempo, quando o diodo retificador no lado secundário funciona em estado descontínuo ou descontínuo crítico, o diodo retificador pode ser desligado sob a condição de corrente zero, o problema de sua recuperação reversa é resolvido e não há pico de tensão não mais.
4. Análise comparativa de métodos de supressão
O circuito de amortecimento RC paralelo e a bobina de núcleo magnético saturável em série são métodos simples e comumente usados, principalmente para suprimir alta tensão e corrente de surto, desempenham o papel de absorção e buffer, e seu efeito de supressão em EMI é comparável Inferior à tecnologia quase ressonante e à tecnologia ressonante da série LLC. O foco a seguir é a análise comparativa da tecnologia quase ressonante e da tecnologia ressonante da série LLC. À quase-ressonância é adicionado um circuito snubber RCD, ou seja, um circuito de absorção de tensão de pico composto por diodos, capacitores e resistores, cuja principal função é absorver a energia de pico de tensão de borda ascendente gerada pelo tubo da chave de alimentação do MOSFET quando este é desligado e reduza o valor da amplitude da tensão de pico, para evitar a quebra de sobretensão do tubo do interruptor de alimentação. No entanto, isso aumentará as perdas e, como o diodo é usado no circuito de amortecimento, também aumentará o problema de recuperação reversa do diodo. Pode ser visto na análise acima que a tecnologia de quase-ressonância reduz principalmente a perda de comutação no tubo de comutação e também pode suprimir a interferência eletromagnética no tubo de comutação, mas não pode suprimir a interferência eletromagnética no diodo, e quando o a tensão de entrada aumenta, a frequência aumenta; Quando a carga de saída aumenta, a frequência diminui, então seu efeito de supressão não é muito bom e geralmente não consegue os resultados desejados. Portanto, se você deseja obter um melhor efeito de supressão, deve resolver o problema de recuperação reversa no diodo, para que o efeito de supressão seja satisfatório. A topologia ressonante da série LLC suprime melhor a EMI do que a quase ressonante. Suas vantagens foram analisadas acima.
5. Conclusão
Com o desenvolvimento contínuo da tecnologia de fonte de alimentação comutada, seu volume está ficando cada vez menor e sua densidade de energia está ficando cada vez maior.EMI tornou-se um fator chave para a estabilidade da fonte de alimentação comutada. O tubo de comutação interno e o diodo da fonte de alimentação de comutação são as principais fontes de EMI. Este artigo apresenta principalmente quatro métodos de supressão de EMI de válvulas e diodos de comutação, analisa e compara-os e visa encontrar um método mais eficaz de supressão de EMI. Por meio de análise e comparação, pode-se concluir que o efeito de supressão da tecnologia de ressonância da série LLC é melhor, e sua eficiência aumenta com o aumento da tensão, e sua frequência de operação varia muito com a tensão, mas a mudança com a carga é pequena.