林蘇斌， 周云， 陳為， 張濱， 陳長(zhǎng)青

(1.福州大學(xué) 電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，福州350108；2. 中興通訊股份有限公司，廣東 深圳 518057)

0 引 言

變壓器是影響反激電源電磁兼容特性的關(guān)鍵器件，其原、副邊分布電容是傳導(dǎo)共模噪聲傳輸路徑的重要阻抗參數(shù)，對(duì)傳導(dǎo)共模噪聲的大小和特性都有著非常重要的影響[1-10]。優(yōu)化設(shè)計(jì)變壓器的容性分布參數(shù)可以實(shí)現(xiàn)共模噪聲的抑制[11-17]。文獻(xiàn)[11]通過(guò)外接電容，文獻(xiàn)[12]通過(guò)調(diào)整變壓器內(nèi)屏蔽層結(jié)構(gòu)安排，改變變壓器內(nèi)部電場(chǎng)分布均實(shí)現(xiàn)了共模噪聲抑制。在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，采用上述方法抑制共模噪聲時(shí)，為了尋求較佳的噪聲抑制效果，往往需要多個(gè)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的反復(fù)方案調(diào)整，憑經(jīng)驗(yàn)通過(guò)試錯(cuò)法對(duì)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)行驗(yàn)證和修改，設(shè)計(jì)缺乏明確的優(yōu)化方向和理論指導(dǎo)。變壓器容性分布參數(shù)是影響共模噪聲的關(guān)鍵因素，文獻(xiàn)[15]深入分析了變壓器原、副邊繞組間的容性分布參數(shù)的產(chǎn)生機(jī)理，給出了變壓器的三電容模型，但未能明確變壓器的容性效應(yīng)對(duì)共模噪聲的影響機(jī)理。

本文以反激電源為研究對(duì)象，深入分析了變壓器的容性分布參數(shù)對(duì)傳導(dǎo)共模噪聲的影響，通過(guò)對(duì)反激電源的共模噪聲傳輸機(jī)理分析，提出了變壓器可視為共模濾波器的新觀點(diǎn)。在理論分析基礎(chǔ)上，為了改善變壓器對(duì)共模噪聲抑制的能力，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)變壓器繞組結(jié)構(gòu)，改變?cè)?、副邊繞組間的容性分布參數(shù)，改善變壓器的傳導(dǎo)共模EMI(electromagnetic interference)特性，最后，通過(guò)一臺(tái)反激電源樣機(jī)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 反激電源傳導(dǎo)共模噪聲傳輸機(jī)理

圖1為反激電源共模噪聲傳輸路徑。圖1中L1、L2、C1、C2、R1、R2構(gòu)成線性阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)(LISN)；L、Cy1、Cy2、Cx構(gòu)成一階EMI濾波器，其中L為共模扼流圈，以其漏感作為差模電感，Cy1、Cy2為Y電容，Cx為X電容；D1-D4為整流橋二極管；C3為輸入母線電容；TX1為反激變壓器；Q為開(kāi)關(guān)管、Cph為開(kāi)關(guān)管與散熱片的分布電容，Csg為散熱片對(duì)大地的分布電容，Cg為反激電源副邊地對(duì)大地分布電容，Cps為共模噪聲從變壓器原邊繞組向副邊繞組傳輸時(shí)的等效電容，Csp為共模噪聲從變壓器副邊繞組向原邊繞組傳輸時(shí)的等效電容,C4為輸出濾波電容，RL為負(fù)載，PE為大地，Pri_GND為變壓器原邊地，Sec_GND為變壓器副邊地。對(duì)于反激電源，根據(jù)疊加定理，原邊電位跳變點(diǎn)A、副邊電位跳變點(diǎn)B分別作用產(chǎn)生的共模噪聲傳輸路徑大體可分為三部分，分別如圖1(a)、圖1(b)和圖1(c)所示。

圖1(a)給出了由變壓器原邊向變壓器副邊傳輸?shù)墓材Ｔ肼昳cm1的噪聲傳輸路徑，這一部分噪聲由變壓器原邊側(cè)的電位跳變點(diǎn)A，通過(guò)Cps經(jīng)副邊與大地間的分布電容Cg、LISN形成噪聲回路。

圖1 反激電源的共模噪聲傳輸路徑Fig.1 Common mode noise transmission path of flyback power supply

因共模噪聲電流較小，一般為μA級(jí)，此噪聲電流在LISN等效電阻上的電壓降非常小，相對(duì)于噪聲源電位可忽略不計(jì)，此時(shí)這一路的原始共模噪聲icm1(無(wú)濾波器時(shí))的大小可表示為

(1)

圖1(b)給出了由變壓器副邊向原邊傳輸?shù)墓材Ｔ肼昳cm2的噪聲傳輸路徑，這一部分噪聲由變壓器副邊側(cè)的電位跳變點(diǎn)B，通過(guò)輸出濾波電容C4、副邊對(duì)地分布電容Cg、LISN、Csp形成噪聲回路。這一路的原始共模噪聲icm2(無(wú)濾波器時(shí))的大小可表示為

(2)

式(2)中忽略了電容C4的影響。這是由于在傳導(dǎo)EMI的考核頻率范圍150 kHz～30 MHz內(nèi)，C4電容的容抗遠(yuǎn)小于Csp的容抗，C4對(duì)這一路共模噪聲的影響很小。

圖1(c)給出了流經(jīng)散熱片的共模噪聲icm3,這一部分共模噪聲由開(kāi)關(guān)管Q通過(guò)其與散熱片的分布電容Cph、散熱片對(duì)地分布電容Csg，LISN形成噪聲回路。當(dāng)散熱片懸空時(shí)，這一路的原始共模噪聲icm3(無(wú)濾波器時(shí))的大小可表示為

(3)

傳導(dǎo)共模噪聲抑制中，在安規(guī)允許的條件下，開(kāi)關(guān)器件通過(guò)散熱片經(jīng)對(duì)地電容的共模噪聲(圖1(c)中的icm3)一般可通過(guò)將散熱片接電路中的電位靜點(diǎn)來(lái)屏蔽。此時(shí)反激電源的共模噪聲的大小主要由流經(jīng)變壓器的共模噪聲icm1，icm2決定。同時(shí)由式(1)、式(2)可見(jiàn)，icm1，icm2的大小與Cps、Csp以及副邊地對(duì)大地分布電容Cg密切相關(guān)。在工程應(yīng)用中，常在變壓器副邊地與機(jī)殼(大地)間接Y電容，同時(shí)考慮到Y(jié)電容(一般為零點(diǎn)幾到幾nF)遠(yuǎn)大于變壓器共模端口有效電容(一般為幾pF)，此時(shí)式(1)、式(2)可近似的表示為：

(4)

(5)

式(4)、式(5)中CY為連接在變壓器副邊與機(jī)殼(大地)間的Y電容。

由式(4)、式(5)可見(jiàn)，變壓器原副邊繞組容性效應(yīng)的等效電容Cps、Csp是影響反激電源原始共模噪聲大小的最主要因素。

為了進(jìn)一步明確變壓器對(duì)共模噪聲的影響機(jī)理，給出了如圖2所示的反激電源共模噪聲等效模型。圖2中，RLISN為L(zhǎng)ISN的共模等效電阻，Lcm、Cy1、Cy2構(gòu)成一階共模濾波器，uA為電路中原邊噪聲源，uB為電路中副邊噪聲源。由圖2可見(jiàn)，反激電源中的原邊噪聲源uA、副邊噪聲源uB都是直接施加在變壓器的原副邊繞組上，在變壓器原副邊繞組上形成噪聲電位，共模噪聲通過(guò)變壓器內(nèi)部容性分布參數(shù)經(jīng)過(guò)大地、LISN、L/N 線形成回路。噪聲電流icm1、icm2通過(guò)容性分布參數(shù)在變壓器原副邊繞組間傳輸,容性效應(yīng)的等效電容Cps、Csp是這兩路噪聲的主要傳輸路徑阻抗。從圖2所示的共模噪聲傳輸途徑可見(jiàn)，Cps、Csp與EMI 濾波器中的共模濾波器件(共模電感L、Y電容)的等效阻抗在電路結(jié)構(gòu)上是等效串聯(lián)的。在共模噪聲抑制中，可通過(guò)調(diào)整EMI濾波器的共模電感的感量和Y電容的容值來(lái)抑制共模噪聲，同理也可以通過(guò)調(diào)整變壓器容性效應(yīng)的等效電容Cps、Csp來(lái)抑制共模噪聲。因此從這一角度來(lái)看，在共模噪聲傳輸中變壓器實(shí)質(zhì)上是起到濾波器的作用，可以將變壓器看成共模濾波器。通過(guò)調(diào)整變壓器的原副邊繞組的等效電容可以從源頭上抑制共模噪聲。

圖2 反激電源共模噪聲等效模型Fig.2 Common mode noise equivalent model of flyback power supply

2 變壓器容性效應(yīng)分析

變壓器在共模噪聲傳輸中可以起到濾波器的作用，其對(duì)共模噪聲抑制的能力取決于共模噪聲在變壓器內(nèi)部傳輸時(shí)的容性分布參數(shù)的等效阻抗。因此有必要進(jìn)一步明確在共模噪聲傳輸時(shí)變壓器內(nèi)部容性效應(yīng)的形成機(jī)理。

反激電源中，開(kāi)關(guān)器件Q導(dǎo)通、關(guān)斷過(guò)程中會(huì)在開(kāi)關(guān)器件兩端形成電位跳變，這一跳變的電位同時(shí)也會(huì)施加在變壓器的原邊繞組兩端。圖3為變壓器內(nèi)部共模噪聲的傳輸機(jī)理，圖中uA為變壓器原邊噪聲源，Cg為變壓器副邊對(duì)大地的分布電容。在傳導(dǎo)EMI考核頻段范圍內(nèi)，原邊噪聲源可近似認(rèn)為是直接施加在變壓器原邊繞組兩端，在變壓器原邊繞組上產(chǎn)生噪聲電位。這一噪聲電位會(huì)通過(guò)電場(chǎng)耦合的方式，在副邊繞組產(chǎn)生感應(yīng)電荷，副邊繞組的感應(yīng)凈電荷經(jīng)Cg形成的位移電流即為流經(jīng)變壓器的共模噪聲電流。從這一角度來(lái)看，共模噪聲源是施加在變壓器繞組端口，共模噪聲通過(guò)變壓器原副邊繞組間的容性分布參數(shù)傳輸。

圖3 變壓器共模噪聲傳輸機(jī)理Fig.3 Transmission mechanism of common mode noise

由圖3可見(jiàn)，若將變壓器看作一個(gè)二端口網(wǎng)絡(luò)，變壓器的共模噪聲傳輸路徑阻抗實(shí)質(zhì)上是一個(gè)二端口的轉(zhuǎn)移阻抗。在變壓器原、副邊均為單層繞組且無(wú)屏蔽層時(shí)，變壓器副邊的感應(yīng)凈電荷可表示為

(6)

式中：C0為變壓器原副邊繞組的層間結(jié)構(gòu)電容；w為變壓器繞組窗口的高度。

定義變壓器的容性效應(yīng)等效電容為共模端口有效電容為

(7)

由式(7)可見(jiàn)，變壓器的共模端口有效電容與變壓器繞組層間結(jié)構(gòu)電容以及原副邊繞組相鄰層的噪聲電位分布有關(guān)。一般而言，變壓器為客制化定制的元器件，滿足相同基本電氣特性的變壓器，可以有不同的繞制方法和繞制工藝。不同的繞組結(jié)構(gòu)以及端口連接方式，變壓器原副邊繞組間的電位分布不同，對(duì)應(yīng)的共模端口有效電容也就不一樣，因此通過(guò)繞組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可有效控制共模端口等效電容的大小。

在容性效應(yīng)分析基礎(chǔ)上，可以進(jìn)一步深入分析變壓器對(duì)反激電源傳導(dǎo)共模電磁干擾的影響。

3 共模端口有效電容的影響因素分析

3.1 連接方式對(duì)共模端口有效電容的影響

以4層繞組結(jié)構(gòu)變壓器為分析對(duì)象，變壓器繞組排列方式為AP1P2S。為表述方便，下文簡(jiǎn)稱為1#變壓器，其中A為輔助繞組，P1為原邊內(nèi)層繞組， P2為原邊外層繞組，S為副邊繞組(該變壓器繞制時(shí)，先繞輔助繞組、再繞原邊繞組，原邊分2層繞制，原邊繞組內(nèi)層P1與輔助繞組相鄰，最后繞副邊繞組)。變壓器具體參數(shù)為：原邊56匝，2層繞制；副邊5匝，單層繞制：輔助繞組7匝，單層繞制。

1#變壓器結(jié)構(gòu)分布如圖4所示，其中圖4(a)中a為原邊電位跳變點(diǎn)，b為原邊電位靜點(diǎn)，c為副邊電位跳變點(diǎn)，d為副邊電位靜點(diǎn)。圖4(b)為1#變壓器在反激電源中的連接方式1，在該連接方式中原邊內(nèi)層繞組P1出線端接原邊電位跳變點(diǎn)a，原邊外層繞組P2出線端接原邊電位靜點(diǎn)b，副邊繞組2個(gè)出線端子分別按圖4(b)所示接副邊電位靜點(diǎn)c和副邊電位跳變點(diǎn)d。圖4(c)為1#變壓器在反激電源中的連接方式2，該連接方式中原邊內(nèi)層繞組P1出線端接原邊電位靜點(diǎn)b，原邊外層繞組P2出線端接原邊電位跳變點(diǎn)a，副邊繞組2個(gè)出線端子分別按圖4(c)所示接副邊電位跳變點(diǎn)d和副邊電位靜點(diǎn)c。

從圖4(b)和圖4(c)的電位分布可以看出，同一個(gè)變壓器接在反激電源中，端口連接方式不同，原副邊繞組相鄰層的電位差分布是不一樣的。圖4(b)中，連接方式1的相鄰層的電位差分布從0到0.5up-us，其中up為變壓器原邊電壓，us為變壓器副邊電壓；圖4(c)中，相鄰層電位差分布是從0.5up到up-us。由于原副邊繞組相鄰層電位差分布不同，因此，對(duì)應(yīng)這2種接法的變壓器共模端口有效電容也不一樣。

圖4 1#變壓器連接方式Fig.4 Connection mode of No.1 transformer

1#變壓器連接方式1的共模端口有效電容為

(8)

式中：C0為變壓器的原副邊相鄰層層間電容；w為繞組寬度。

1#變壓器連接方式2的共模端有效電容為

(9)

比較式(8)、式(9)可見(jiàn)，同一變壓器，因連接方式不同，共模端口有效電容存在較大差異。連接方式2的共模端口有效電容是連接方式1的3.4倍，因此變壓器在電源中的連接方式對(duì)變壓器共模端口有效電容具有很大影響,優(yōu)化變壓器在電源中的連接方式，可減小共模端口有效電容。

3.2 繞制方式對(duì)共模端口有效電容的影響

以2個(gè)基本電氣參數(shù)(匝數(shù)、匝比、磁心結(jié)構(gòu)、繞組線規(guī)，參數(shù)與1#變壓器一致)相同但繞制方式不同的變壓器為研究對(duì)象，其中一個(gè)變壓器的繞制方式為AP1P2S(本文3.1中的1#變壓器)，另一個(gè)變壓器的繞制方式為AP1SP2，(為表述方便，下文簡(jiǎn)稱2#變壓器)。2個(gè)變壓器在反激電源中均采用原邊內(nèi)層繞組P1接電路原邊電位跳變點(diǎn)的連接方式，對(duì)于1#變壓器連接方式如圖4(b)所示。2#變壓器連接示如圖5所示。

圖5 2#變壓器連接示意圖Fig.5 Connection diagram of no. 2 Transformer

通過(guò)WK-6500B阻抗分析儀測(cè)量2個(gè)變壓器的原副邊繞組相鄰層的層間結(jié)構(gòu)電容。1#變壓器原副邊繞組相鄰層的層間結(jié)構(gòu)電容C0為21.8 pF。2#變壓器有2個(gè)原副邊繞組相鄰層，其中相鄰層1的層間結(jié)構(gòu)電容C01為19.6 pF，相鄰層2的層間結(jié)構(gòu)電容C02為43.1 pF 。

從圖5可見(jiàn)， 2#變壓器相鄰層1的電位差分布是從(0.5up-us)到up,相鄰層2的電位差分布是從0到(0.5up-us)。

2#變壓器相鄰層1的共模端口有效電容為

13.82pF。

(10)

式中C01為2#變壓器的相鄰層1的層間結(jié)構(gòu)電容。

2#變壓器原副邊相鄰層2的共模端口有效電容為

8.85pF。

(11)

因此，2#變壓器的共模端口有效電容為

CQ0=CQ01+CQ02=22.67pF。

(12)

將1#變壓器層間結(jié)構(gòu)電容代入式(8)可得1#變壓器的共模端口有效電容為

CQ=0.205C0=4.65pF。

(13)

由式(12)、式(13)可見(jiàn)：繞制方式對(duì)變壓器共模端口有效電容有很大影響，2#變壓器的共模端口有效電容約為1#變壓器連接方式1的4.9倍，優(yōu)化變壓器的繞組方式，可有效減小共模端口有效電容。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

以一款反激電源為實(shí)驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。樣機(jī)主要電路參數(shù)：輸入電壓Uin為AC 220 V；輸出電壓Uo為DC 12 V；輸出功率為36 W；開(kāi)關(guān)頻率為53 kHz。分別按1#變壓器和2#變壓器的規(guī)格繞制了兩個(gè)變壓器。變壓器基本參數(shù)為：飛磁磁芯 EE-30-3F35；原邊繞組：56匝、0.35 mm漆包線，2層繞制；副邊繞組5匝、0.59 mm漆包線，單層繞制；輔助繞組7匝、0.35 mm漆包線、單層繞制。實(shí)驗(yàn)測(cè)試時(shí)，采用市電三線接法，變壓器副邊地接大地，通過(guò)將散熱片接原邊電位靜點(diǎn)的方式屏蔽經(jīng)散熱片的共模噪聲。噪聲測(cè)試時(shí)采用電流法測(cè)量共模噪聲。

4.1 連接方式對(duì)傳導(dǎo)共模噪聲影響的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

將1#變壓器按連接方式1和連接方式2分別接入反激電源，測(cè)量的共模噪聲頻譜如圖6所示。

圖6 2種繞制方式的共模噪聲波形比較曲線Fig.6 Comparison curve of common mode noise waveforms of two winding modes

從圖6可見(jiàn)，在150 kHz～12 MHz頻段范圍內(nèi)，連接方式1 的共模噪聲比連接方式2的共模噪聲小約10 dBμA，連接方式2的共模噪聲大小約是連接方式1的3.1倍。根據(jù)式8和式9理論計(jì)算的這2種連接方式的變壓器的共模端口有效電容相差3.4倍，理論分析的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)量的結(jié)果基本一致。實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了本文改變變壓器的連接方式可以優(yōu)化變壓器共模端口等效電容理論分析的正確性。

4.2 繞組繞制方式對(duì)傳導(dǎo)共模噪聲影響的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

將1#變壓器(連接方式1)和2#變壓器分別接入反激電源，測(cè)量的共模噪聲頻譜如圖7所示。從圖7中可見(jiàn)，在150 kHz～20 MHz頻段范圍內(nèi)，1#變壓器樣機(jī)的共模噪聲比2#變壓器樣機(jī)的共模噪聲小約12 dBμA，2#變壓器的共模噪聲的大小約是1#變壓器的4倍。根據(jù)式(12)和式(13)理論計(jì)算的這2個(gè)變壓器的共模端口有效電容相差4.87倍，實(shí)驗(yàn)測(cè)量和理論計(jì)算的存在一定的偏差，這主要是由于2個(gè)變壓器的原副邊相鄰層的結(jié)構(gòu)電容需通過(guò)阻抗分析儀測(cè)量，因結(jié)構(gòu)電容容值較小，測(cè)量中存在一定的測(cè)量誤差?？紤]到實(shí)驗(yàn)測(cè)量誤差的影響，理論分析的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)量的結(jié)果基本一致。實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了本文調(diào)整變壓器的繞制方式可以優(yōu)化變壓器共模端口等效電容理論分析的正確性。

圖7 2種繞制方式的共模噪聲波形比較曲線Fig.7 Comparison curve of common mode noise waveforms of two winding modes

綜上所述，改變變壓器與電路的連接方式或者調(diào)整變壓器的繞制方式，都可以優(yōu)化變壓器的共模端口有效電容。采用優(yōu)化變壓器的共模端口有效電容的措施可極大的抑制共模噪聲，這一實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了本文提出的在共模噪聲傳輸中變壓器實(shí)質(zhì)上是起到共模濾波器作用理論分析的正確性。

5 結(jié) 論

1)在共模噪聲傳輸中，共模噪聲源實(shí)際上是施加在變壓器的繞組端口，并通過(guò)變壓器原副邊繞組間的容性分布參數(shù)傳輸。

2)變壓器容性分布參數(shù)在共模噪聲傳輸路徑中的等效阻抗(共模端口有效電容的等效容抗)是影響共模噪聲大小的最主要的傳輸路徑阻抗參數(shù)。

3)從共模噪聲傳輸機(jī)理角度來(lái)看，變壓器實(shí)質(zhì)上可看成共模濾波器；通過(guò)合理設(shè)計(jì)繞組結(jié)構(gòu)及其端口與電路的連接，優(yōu)化變壓器的共模端口有效電容，可提高變壓器的共模干擾抑制能力。