高頻共模電流、電壓和阻抗的測(cè)量（上）

簡(jiǎn)介

在電力電子設(shè)備的EMI建模與分析中，要想獲得精確的結(jié)果，噪聲源和傳播路徑上的阻抗測(cè)量至關(guān)重要。對(duì)輻射 EMI來說，其對(duì)應(yīng)頻帶常在 30MHz 和 1GHz 之間。在如此的高頻之下，測(cè)量電壓、電流和阻抗等參數(shù)也變得十分困難。

我們將通過一系列文章討論如何利用反激式變換器來測(cè)量高頻共模 (CM) 電流、電壓和阻抗。這些方法由佛羅里達(dá)大學(xué)教授和 IEEE Fellow王碩博士分享。本系列文章包括上、中、下三篇，本文為上篇。

上篇將介紹輻射 EMI 模型以及反激式變換器拓?fù)渲械母哳l共模電流測(cè)量；中篇將討論共模電流的測(cè)量誤差，并探討如何測(cè)量反激式變換器中的共模阻抗；最后，下篇將討論開關(guān)噪聲源效應(yīng)以及等效電壓源的測(cè)量，并對(duì)所提出的測(cè)量方法進(jìn)行驗(yàn)證。

輻射 EMI 的基本原理

變換器工作時(shí)，電路中的dV/dt 節(jié)點(diǎn)和 dl/dt 環(huán)路會(huì)產(chǎn)生高頻，這會(huì)在輸入和輸出線之間產(chǎn)生高頻共模電壓 (VA)。而輸入、輸出線就相當(dāng)于一對(duì)雙極天線（Dipole Antenna）。 這個(gè)高頻的共模電壓會(huì)在輸入、輸出線上激勵(lì)出高頻的共模電流IA，并以電磁場(chǎng)的形式向外輻射能量。

根據(jù)戴維南定理，變換器的輻射模型可以簡(jiǎn)化成一個(gè)電壓源及其串聯(lián)的阻抗（見圖 1）。

圖1: 變換器的輻射EMI模型

要構(gòu)建出精確的輻射模型并預(yù)測(cè)輻射 EMI，設(shè)計(jì)人員需要了解模型的關(guān)鍵參數(shù)，包括噪聲源(VS)、激勵(lì)電壓(VA)、激勵(lì)電流(IA)、源阻抗(RS)以及天線阻抗(XS)。

通過天線阻抗來分析輻射 EMI

圖 2 顯示了一個(gè)天線的能量模型，它由三部分組成：第一部分能量在兩極之間轉(zhuǎn)換，并不向外輻射，這部分無功功率阻抗可以用jXA表示；第二部分為發(fā)射能量RR；最后一部分是代表電纜功耗的電阻(RL)。

圖 2：天線阻抗的等效模型

將天線阻抗考慮進(jìn)去之后，就可以得到完整的輻射EMI 模型。通過將電磁場(chǎng)模型轉(zhuǎn)換為電路模型，我們就能對(duì) EMI進(jìn)行有效分析。

輻射 EMI測(cè)量

要測(cè)量輻射 EMI，需要確定變換器在一定距離之外產(chǎn)生的電磁場(chǎng)強(qiáng)度，即確定變換器在距離r 之外的電場(chǎng)。其最大電場(chǎng)強(qiáng)度(EMAX)可以通過公式 (1) 計(jì)算：

其中VS代表噪聲源，η為波阻抗，D為方向性，表示該方向上的最大功率密度與半徑為r的球面平均功率密度之比，可以通過測(cè)量或者仿真得到。

為預(yù)測(cè)最終的輻射結(jié)果，本系列文章將以反激式變換器為例得出精確的噪聲電壓、共模電流以及阻抗。

反激式變換器中的高頻共模電流測(cè)量

圖 3 所示為反激式變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其共模電流路徑。

圖3: 反激式變換器電路

在共模路徑上，原邊包含了共模濾波器、整流橋和電解電容等。共模電流通過變壓器流向副邊和輸出線上。由于整流橋的結(jié)電容在高頻下阻抗很小，基本可以認(rèn)為是短路；輸入及輸出的電解電容的阻抗也很小，高頻的時(shí)候也可以認(rèn)為短路。因此，輸入線和輸出線可以認(rèn)為是電路中的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)（圖中的b點(diǎn)與a點(diǎn)），并得到如圖3右圖所示的等效模型。

圖 4 所示為輻射模型。在該模型中，VCM表示等效噪聲電壓源，我們將在下篇中進(jìn)一步詳細(xì)討論。ZCMTRANS 集裝箱運(yùn)輸表示變壓器的共模阻抗，而Z內(nèi)銅銅表示環(huán)路上其他組件（如 PCB走線和濾波器）的共模阻抗。共模電流(ICM)可以通過測(cè)量輸入和輸出線上方向相同的電流得到。

圖 4：反激式變換器的輻射模型

圖 5 顯示了測(cè)量共模電流的傳統(tǒng)方法。它采用高頻電流鉗同時(shí)鉗住輸入的火線和零線。通過同軸線將電流鉗與頻譜分析儀連接，即可獲得共模電流頻譜。

圖5: 共模電流的傳統(tǒng)測(cè)試方法

但是，由于變換器與同軸線之間會(huì)產(chǎn)生耦合，所以傳統(tǒng)方法并不精確。這種耦合包括了 dV/dt 節(jié)點(diǎn)與同軸線之間的電場(chǎng)耦合，以及 dl/dt 環(huán)路與同軸線（變換器與地之間）之間的磁場(chǎng)耦合。這部分額外的測(cè)量誤差我們將在下一篇文章中展開討論。

結(jié)論

本文回顧了輻射 EMI 的基本原理，探討了輻射模型的關(guān)鍵參數(shù)（即天線阻抗），并介紹了一種計(jì)算輻射 EMI 的方法。最后還探討了在反激式變換器拓?fù)渲袦y(cè)量共模電流的傳統(tǒng)方法。

本系列的第二篇文章將討論測(cè)量參數(shù)時(shí)的干擾源與誤差，同時(shí)介紹計(jì)算共模阻抗的方法。最后一篇文章則探討開關(guān)噪聲源效應(yīng)以及等效電壓源，同時(shí)對(duì)提出的測(cè)量方法進(jìn)行驗(yàn)證。

審核編輯：湯梓紅