EMI-Simulationsdesign eines Schaltnetzteils
Mit der Zunahme von Schaltfrequenz und Leistungsdichte wird die elektromagnetische Umgebung im Schaltnetzteil immer komplizierter, und die elektromagnetische Verträglichkeit ist zu einem wichtigen Schwerpunkt und einer großen Schwierigkeit bei der Netzteilkonstruktion geworden. Bei der herkömmlichen Konstruktionsmethode wird das EMV-Problem durch empirische Konstruktion gelöst, und das EMV-Problem kann erst nach der Erstellung des Prototyps endgültig berücksichtigt werden. Die traditionelle EMV-Lösung kann nur zusätzliche Komponenten hinzufügen, die die ursprüngliche Bandbreite der Steuerschleife beeinträchtigen können, was im schlimmsten Fall zu einer Neukonstruktion des gesamten Systems und höheren Konstruktionskosten führt. Um diese Situation zu vermeiden, ist es notwendig, die EMV-Probleme im Konstruktionsprozess zu berücksichtigen, die elektromagnetischen Störungen des Schaltnetzteils mit einer gewissen Genauigkeit zu analysieren und vorherzusagen und die Konstruktion entsprechend dem Interferenzmechanismus und seiner Verteilung in jedem Frequenzband zu verbessern, um den elektromagnetischen Störungspegel zu senken und so die Konstruktionskosten zu reduzieren.
2 EMI-Eigenschaften und Klassifizierung von Schaltnetzteilen
Um die leitungsgebundenen elektromagnetischen Störungen eines Schaltnetzteils vorherzusagen, muss man sich über deren Entstehungsmechanismus und die Eigenschaften der Rauschquellen im Klaren sein. Aufgrund der Hochgeschwindigkeitsschaltvorgänge der Leistungsschaltröhre sind ihre Spannungs- und Stromänderungsrate sehr hoch und die steigenden und fallenden Flanken enthalten viele höhere Harmonische, sodass die Intensität der elektromagnetischen Störungen groß ist. Die elektromagnetischen Störungen des Schaltnetzteils konzentrieren sich hauptsächlich in der Nähe von Dioden, Leistungsschaltgeräten, Strahlern und Hochfrequenztransformatoren, die mit ihnen verbunden sind. Da die Schaltfrequenz der Schaltröhre zwischen einigen zehn kHz und mehreren MHz liegt, sind die Störungsformen des Schaltnetzteils hauptsächlich leitungsgebundene Störungen und Nahfeldstörungen. Unter ihnen werden leitungsgebundene Störungen über den Rauschausbreitungspfad in das Stromnetz eingespeist und stören andere an das Stromnetz angeschlossene Geräte.
Leitungsgebundene Störungen von Schaltnetzteilen können in zwei Kategorien unterteilt werden.
1) Differentialmodus-Störung (DM). DM-Rauschen wird hauptsächlich durch di/dt verursacht. Durch parasitäre Induktivität und Widerstand breitet es sich in der Schleife zwischen stromführendem und neutralem Leiter aus und erzeugt einen Strom Idm zwischen den beiden Leitern, der mit dem Erdungsleiter keine Schleife bildet.
2) Gleichtaktstörung (CM). CM-Rauschen wird hauptsächlich durch dv/dt verursacht. Die Streukapazität der Leiterplatte breitet sich in der Schleife zwischen zwei Stromleitungen und Erde aus, und die Störung dringt zwischen Leitung und Erde ein. Der Störstrom fließt jeweils zur Hälfte auf beiden Leitungen, wobei Erde die gemeinsame Schleife ist. In der tatsächlichen Schaltung wird die Gleichtaktsignalstörung aufgrund der unsymmetrischen Leitungsimpedanz in Übersprechstörungen umgewandelt, die nicht leicht zu beseitigen sind.
Simulationsanalyse von EMI in Schaltnetzteilen
Theoretisch betrachtet können die Simulationsergebnisse den EMI-Quantisierungsgrad des Systems korrekt wiedergeben, sofern ein angemessenes Analysemodell erstellt wird, unabhängig davon, ob es sich um eine Zeitbereichssimulation oder eine Frequenzbereichssimulation handelt.
Die Methode der Zeitbereichssimulation muss ein Schaltungsmodell erstellen, das alle Komponentenparameter im Konverter enthält, die Software PSPICE oder Saber für die Simulationsanalyse verwenden und das Tool für die schnelle Fourieranalyse nutzen, um die Spektrumwellenform der elektromagnetischen Interferenz zu erhalten. Diese Methode wurde bei der Analyse von DM-Rauschen verifiziert. Die nichtlinearen Eigenschaften und Streuparameter von Halbleiterbauelementen wie MOSFET und IGBT in Schaltnetzteilen machen das Modell jedoch sehr kompliziert, und die Schaltungstopologie des Schaltnetzteils ändert sich während des Betriebs ständig, was zu dem Problem der Nichtkonvergenz bei der Simulation führt. Bei der Untersuchung von CM-Rauschen müssen alle Parameter parasitärer Elemente einbezogen werden. Aufgrund des Einflusses parasitärer Parameter lassen sich die FFT-Ergebnisse nur schwer mit den experimentellen Ergebnissen abgleichen. Schaltnetzteilkonverter arbeiten üblicherweise in einem großen Bereich von Zeitkonstanten, der hauptsächlich drei Gruppen von Zeitkonstanten umfasst: Zeitkonstanten bezüglich der Grundfrequenz des Ausgangsanschlusses (zehn ms); Zeitkonstante (zehn µs) bezüglich der Schaltfrequenz der Schaltelemente; Zeitkonstante (einige ns) bezogen auf die Anstiegszeit und Abfallzeit beim Ein- bzw. Ausschalten des Schaltelements.
Aus diesem Grund sind bei der Zeitbereichssimulation nur sehr wenige Berechnungsschritte erforderlich und es dauert lange, bis die Berechnung abgeschlossen ist. Darüber hinaus ermöglichen die mit der Zeitbereichsmethode erzielten Ergebnisse häufig keine klare Analyse des Einflusses verschiedener Variablen im Schaltkreis auf Störungen und können das EMI-Verhalten des Schaltnetzteils nicht genau erklären. Außerdem fehlt die Beurteilung des EMI-Mechanismus, sodass keine klare Lösung zur Reduzierung der EMI bereitgestellt werden kann.
