工程师笔记 | 高频共模电流、电压和阻抗的测量 —— 以反激变换器为例

刍狗

变换器的EMI是怎么辐射出去的呢？

实际上，变换器工作的时候，电路中会有产生高频的dv/dt节点和di/dt环路，最终在变换器的输入和输出端之间形成一个高频的共模电压VA（如图1所示），而变换器的输入与输出线相当于一对双极天线（Dipole Antenna）。这个高频的共模电压会在输入、输出线上激励出高频的共模电流iA，并以电磁场的形式向外辐射能量。因此，如图1所示，依照戴维南定理，变换器的辐射模型可以简化成一个电压源及其串联的阻抗。

图1：电力电子变换器辐射EMI模型。

因此，如果想准确构建辐射模型并预测辐射EMI，必须知道模型中的关键参数，包括噪声源VS，激励电压VA，激励出的电流iA，源阻抗RS、XS，以及天线阻抗等。

那天线的阻抗又是怎么与辐射EMI相联系的呢？

      

       如图2所示，天线的能量可以看成以下几部分：一部分在两极之间相互转换，并不辐射到空间去，这部分无功对应的阻抗可以用jXA表示；一部分是发射出去的能量，用Rr来表示；最后一部分是天线上的电流在其本身电阻上产生的损耗，以Rl表示。由此，如图2右侧所示，在考虑天线的阻抗后，整体的辐射EMI模型就得到了。由此，我们将一个电磁场的模型转化成了一个电路模型，为工程师分析EMI问题提供了很大的便利。

图2：天线阻抗的等效模型。

最后，在辐射EMI测量中，实际测到的是变换器在一定距离外的某点产生的电磁场强度。以电场为例，在距离变换器为r的位置，电场强度的最大值Emax可以由（1）式得到：

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其中，VS代表噪声源，η为波阻抗，D为方向性，表示该方向上的最大功率密度与半径为r的球面平均功率密度之比，可以通过测量或者仿真得到。

因此，我们可以看出，想预测辐射的最终结果，我们需要得到准确的噪声电压，共模电流以及阻抗。

下文从这三个方面，以一个反激变换器为例，来谈论怎样得到准确的测量结果。

2.反激变换器高频共模电流的测量

下图左图为反激变换器的拓扑及共模电流路径。

在共模路径上，原边主要有共模滤波器，整流桥，电解电容等；共模电流通过变压器流到副边，并流到输出线上。其中，整流桥的结电容在高频的时候阻抗很小，基本可以认为是短路；输入及输出的电解电容的阻抗也很小，高频的时候也可以认为短路。因此，输入线和输出线可以认为是电路中的两个节点（图中的b点与a点），并得到如图3右图所示的等效模型。其中VCM为等效的噪声电压源，我们会在下一节中详细分析，ZCMTrans和ZCMConv分别代表变压器共模阻抗和回路上其他元件（如PCB走线，滤波器等）的共模阻抗。从图中可以看出，输入输出线上同方向的电流即为要测的共模电流ICM。

图3：反激变换器的电路以及辐射模型。

图4即为共模电流的传统测法：高频电流钳同时钳住输入的火线与零线，并通过同轴线连接至频谱分析仪，得到共模电流的频谱。然而，这个测量方法会有两个误差。

图4：共模电流的传统测试方法。

其一在于，工作中的变换器与同轴线之间会有耦合（包括通过dv/dt节点与同轴线之间的电场耦合，以及变换器与大地之间的di/dt环路与同轴线之间的磁场耦合），会引入测量误差。图5中的a图分析了电场耦合产生的误差；其二在于，输入线的接地阻抗（Zg），即零线与大地之间的阻抗，是随着环境变化的，这个阻抗回路会对共模电流起到分流的作用，导致在不同环境下测试结果不一致，如图5中的b图所示。

图5：共模电流测试中近场耦合和接地阻抗的影响。

因此，为了解决这一问题，我们提出了如下图所示的改进方法。即在同轴线以及输入线的前端加多个磁环。磁环可在辐射频率段（30MHz~1GHz）提供高达数千欧姆的阻抗，从而有效避免耦合和接地阻抗带来的影响，由于测量的共模电流对于测试的同轴线来说，是一个差模信号，因此它不会受到磁环影响。

图6：共模电流的改进测试方法。