测量高频共模电流、电压和阻抗(第一部分)

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简介

在电力电子系统建模时，为了获得准确的电磁干扰分析，测量噪声源和传播路径上的阻抗是至关重要的。对于辐射EMI，对应的频段通常在30MHz和1GHz之间。由于频率高，很难测量诸如电压、电流和阻抗等参数。

本文是讨论使用反激转换器测量高频共模(CM)电流、电压和阻抗方法的三部分系列文章的第一部分。这些方法是由佛罗里达大学教授、IEEE院士王硕博士提出的。

第一部分将介绍辐射EMI模型并测量反激变换器拓扑结构中的高频CM电流。第二部分将解决CM电流的测量误差，然后探讨如何测量反激变换器中的CM阻抗。最后,第三部分将讨论开关噪声源的影响，测量等效电压源，并验证所提出的测量方法。

辐射电磁干扰的基本原理

当转换器在电路中工作时，dV/dt节点和dl/dt环路产生高频。高频CM电压(V_一个)在输入和输出行之间生成。注意，这些线相当于一对偶极天线。V_一个产生高频CM电流(I_一个)在输入和输出线上，以电磁场的形式向外辐射能量。

根据Tevenin定理，转换器的辐射模型可以简化为电压源和阻抗串联(见图1)。

图1:转换器的辐射电磁干扰模型

为了建立一个准确的辐射模型并预测辐射EMI，设计人员必须知道模型的关键参数，包括噪声源(V_年代)，励磁电压(V_一个)，励磁电流(I_一个)，源阻抗(R_年代)，天线阻抗(X ._年代）.

用天线阻抗分析辐射电磁干扰

图2显示了天线能量的模型，它由三部分组成。第一部分在两极之间转换，不向外辐射。该无功功率对应的阻抗可用jX表示_一个．第二部分表示发射的能量(R_R)，最后是代表电缆功率损耗的电阻(R_l）.

图2:天线阻抗等效模型

在考虑天线阻抗的情况下，得到了整体辐射电磁干扰模型。通过将电磁场模型转换为电路模型，工程师可以有效地分析EMI。

测量辐射电磁干扰

要测量辐射EMI，需确定转换器从一定距离外产生的电磁场强度。考虑从转换器的距离(r)的电场。最大电场强度(E_马克斯)可由式(1)计算:

在V_年代为噪声源，η为波阻抗，D为方向性。D为球面平均功率密度方向上的最大功率密度比(半径为r，可通过测量或仿真得到)。

为了预测最终的辐射结果，本文系列将使用反激变换器来找到准确的噪声电压、CM电流和阻抗。

反激式变换器中高频CM电流的测量

图3显示了反激变换器的拓扑结构和CM电流路径。

图3:反激变换器电路

在CM路径上，一次侧包括CM滤波器、整流桥和电解电容器。CM电流通过变压器流到二次侧和输出线。注意整流桥的结电容在高频时阻抗最小，这可以被认为是短路。此外，输入和输出电解电容器的阻抗也最小;在高频率下，它可以被认为是短路。因此，输入线和输出线应该被认为是电路中的两个节点(如图3中的“a”和“b”所示)。

图4显示了辐射模型。在这个模型中，V_厘米为等效噪声电压源，将在第三部分中详细讨论。Z_CMTRANS为变压器的CM阻抗，而Z_CMCONV为环路上其他元件的CM阻抗，如PCB走线和滤波器。CM电流(I_厘米)被测量为输入和输出线上流向相同方向的电流。