作者：Amir Tahavorgar
发表于：2014年第16届谐波与电能质量国际会议（ICHQP）
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1、boost的DM噪声建模为电流源；波形为梯形波，峰值为输入电流Iin；DM噪声为LISN两个50Ω电阻的电压和；
2、boost的CM噪声建模为电压源；波形为梯形波，峰值为管子关断时管子两端的压差；CM噪声为LISN两个50Ω电阻的电压和；
摘要：
本文研究了 2 级交错式 DC/DC 升压转换器的传导电磁干扰 (EMI) 噪声。研究了差模 (DM) 噪声和共模 (CM) 噪声，同时考虑了所有寄生分量。使用频域方法，开发了交错拓扑的噪声预测模型。将该模型的结果与非交错拓扑的结果进行比较，以表征由交错拓扑中高频电源开关数量加倍和开关频率降低引起的传导 EMI噪声。结果表明，交错拓扑中的 DM 和 CM 噪声幅度小于非交错拓扑，尤其是在传导噪声频谱的高频处。
第一节 介绍
电磁干扰 (EMI) 干扰被定义为中断、阻碍或以其他方式降低或限制电信或其他电气和电子设备的有效性能的任何传导或辐射电磁能量。在设计阶段之前对差模 (DM) 和共模 (CM) 噪声进行准确建模至关重要，以避免更改设计和重新制造设备以满足电磁兼容性 (EMC) 标准。
配备高频电源开关的电力电子转换器是电气系统中 EMI 噪声的主要来源之一。开关瞬间的振铃行为和开关两端电压降的周期性和快速变化，以及开关电流是传导 EMI 噪声的主要原因。图1显示了一个广泛用于功率因数校正的简单单级 DC/DC 升压转换器。在每个开关周期内，升压开关管（Qb）两端的电压降在0和输出电压（Vo）之间的变化 。 此外，升压开关管的电流波形在0和输入电流（Iin）之间切换. 开关电压和电流的这些变化会导致高频 EMI 噪声，这些噪声会通过转换器的导体传播，需要在转换器的输入端加以抑制。
本文介绍了两级交错式 DC/DC 升压转换器中 DM 和 CM 噪声的仿真结果。通过并联基本转换器的相同模块并在两个模块的栅极信号中应用相位差，可以实现两级交错拓扑。两级交错拓扑已用于功率因数校正。已经表明，使用交错式拓扑可以实现统一功率因数和小于 4% 的 THD。已经提出了一种基于交错电流馈电全桥 DC/DC 转换器的新型拓扑，该拓扑使用零电压开关方案用于燃料电池电动汽车. 已经表明，所提出的转换器提供了更高的额定功率、减小了无源元件的尺寸以及减小了电流纹波。交错式拓扑已被证明的优势使其广泛用于其他转换器拓扑。尽管有一些关于理论建模和分析以及 EMI 噪声传导的实用解决方案的出版物，交错式 DC/DC 转换器中传导 EMI 噪声的建模和预测在文献中很少受到关注。例如，研究了用于功率因数校正应用的单相全桥转换器的 EMI 噪声水平，并研究了几种控制策略和 EMI 传播路径对 EMI 噪声水平的影响。 已经表明，通过降低 SMPS 中初级和次级绕组之间的寄生电容来切断传导 EMI 噪声的主要耦合路径，可以抑制 EMI 噪声水平。报告了 DC/DC 升压转换器交错拓扑中 EMI 噪声的重要贡献，其中仅研究了 CM 噪声水平，而未考虑转换器寄生组件的影响。然而，在逆变器中传导 EMI 噪声的研究中，已经证明包括电路的寄生元件会显着影响传导 EMI 噪声，尤其是在噪声频谱中的高频。
在本文中，综合研究了两级交错式 DC/DC 升压转换器中的 CM 和 DM 传导噪声，同时考虑了转换器的寄生分量。在对交错拓扑中的 DM 和 CM 噪声建模之后，通过比较交错和非交错拓扑的传导 DM 和 CM 噪声的结果，研究了交错对传导 EMI 噪声的影响。
本文的其余部分安排如下。在第二节中，讨论了两级交错式升压转换器的原理。第三节介绍了在两 级交错式 DC/DC 升压转换器中对 DM 和 CM 噪声进行建模的方法，其中考虑了每种传导 EMI 噪声的噪声源和噪声的传播路径。案例研究的模拟结果在中介绍和讨论，结论在第五节中给出。
第二节两级交错式 DC/DC 升压转换器
图2显示了两级交错升压转换器的拓扑结构，它由两个并联的相同升压转换器组成。每个并联单元可以单独进行升压转换；然而，通过将它们并联成一个交错拓扑并控制开关的栅极信号，电流被分配到两个独立且相同的路径中。对于这种配置，需要适当调整门信号的触发角度。每支中开关的栅极信号之间的相位差等于360°/ n. 其中n是交错阶段的数量。对于两级交错拓扑，此相位差等于 180°。在 PWM 开关方案中，这种相位差是在载波信号上实现的。图3显示了每个并联单元中开关的载波信号和门级信号。二极管和开关的导通间隔取决于占空比，占空比由控制电压决定。然而，可以看出，两级交错拓扑的合成工作频率是具有相同开关频率的非交错升压转换器的工作频率的两倍。这是交错技术的主要特点，可在不改变开关频率的情况下降低电感纹波电流。
第三节传导电磁干扰噪声
在本文中，频域方法用于模拟 DM 和 CM 噪声。与时域方法相比，这种方法需要更少的计算工作。尽管时域方法对 DM 噪声预测有效，但该方法需要非常小的时间步长，这显着增加了计算时间。此外，由于时域方法后面是快速傅里叶变换，已经证明时域方法的结果与实验结果存在困难。 为了使用频域方法，需要识别电路的噪声源和噪声传播路径。噪声源与电路中的有源半导体器件有关，例如二极管和 IGBT。由于高频噪声的性质，包括电路的所有寄生元件至关重要，例如开关器件的 PCB 铜和电容器的电阻和电感，以及升压电感器的合适高频模型和直流电容器。升压电感的建模考虑了等效并联电阻 (EPR) 和等效并联电容 (EPC)。直流电容器的高频模型作为升压电感模型的对偶获得，图4a和图4b显示了升压电感器和直流电容器的高频模型。
为了测量传导 EMI 噪声电压，标准线路阻抗稳定网络 (LISN) 被插入到转换器的输入端，以创建一个已知阻抗并提供一个噪声测量终端。LISN 两端的压降是被测设备的传导 EMI 噪声。图5显示了 LISN 及其标准组件值。在该图中，EMI 噪声以标记为 CH@- 的节点处的电压降的形式测量X和CH-Y。
已经表明，开关器件的噪声源可以建模为梯形波形，它显示了每个开关周期内电压或电流的变化，同时考虑了开关瞬间的上升和下降时间。
A. 差模噪声
差模 (DM) 噪声在电源电路和中性线之间传播，并且不会通过地面。DM 噪声源可以建模为梯形电流源。图6显示了图2升压开关的电流波形（Q1 和 Q2) 具有 180° 相位差。为简单起见，假设上升时间等于下降时间(tr=tf).
使用傅立叶分析，得到DM噪声电流源谐波频谱的幅值如下：
这里， Id 是直流电流； D 是占空比 ( D =ton/T);fs是开关频率； tr是上升时间（等于下降时间）；和n 是谐波次数。
考虑到升压电感器和直流电容器的所有寄生元件和高频模型，图7显示了用于 DM 噪声分析的 两级升压转换器的等效电路，其中 LISN 插入转换器的输入端。图中假设顶部走线PCB铜线的电感和电阻(Lcopper+，Rcopper+) 等于底部走线对应的PCB铜皮 (Lcopper-，Rcopper-) ，设备输出电容 (Co)是 IGBT 和反并联二极管的等效电容。
升压开关被建模为电流源，将高频噪声注入电路。LISN 两端的压降代表传导 DM 噪声，计算如下：
其中 ω 是开关频率（弧度/秒）；Z boost是升压电感模型的等效阻抗（图4a）；Z是 LISN 端口的等效阻抗；Z parasitic是寄生元件的阻抗。Z和 Z parasitic的计算如下：
B. 共模噪声
CM 噪声源于开关瞬间电压的变化率。CM 噪声的主要路径包括转换器和地之间的寄生电容。在升压转换器中，这个寄生电容(Cp)位于连接到转换器底盘的散热器和 IGBT 的漏极之间。两级交错转换器中的 CM 噪声源，图8所示，可以建模为与器件等效寄生电容串联的电压源(Co)。
该电压源的谐波频谱如下：
其中 Vo是关断状态下开关两端的电压。
图9显示了 2 级交错升压转换器的 CM 噪声源和传播路径。
传导 CM 噪声计算为 LISN 测量通道上的电压降，并获得如下：
对于 DM 和 CM 噪声，由于交错转换器每一级噪声源之间的 180° 相移，奇次谐波被抵消，只剩下偶次谐波。
第四节 案例分析
在两级交错式 DC/DC 升压转换器中，电感电流纹波的频率是单级非交错式拓扑结构的两倍。因此，对于相同的额定功率和输出条件，两级交错拓扑可以在较低频率下切换。这一事实降低了转换器的传导 EMI 噪声。另一方面，在交错拓扑中具有更多半导体开关可能会增加传导 EMI 噪声。因此，我们研究了一个案例研究，以表征与单级拓扑相关的两级交错拓扑中的传导 EMI 噪声。用于确定 DM 和 CM 噪声电平的 DC/DC 升压转换器的参数列于表1中。
图10显示了具有和不具有寄生元件的交错拓扑以及非交错拓扑的 DM 传导噪声水平的模拟结果。结果表明，交错拓扑的 DM 噪声水平低于非交错拓扑。高频下交错和非交错拓扑结构的 DM 噪声变化表现出最大值，当忽略寄生分量时，该值不会出现在频谱上。如果忽略寄生分量，则 DM 噪声电平会被低估，尤其是在噪声频谱的高频处。DM 噪声的最大值是开关频率和开关瞬间上升（下降）时间的函数，不随占空比变化。图11显示开关频率和开关的上升（下降）时间对交错拓扑的最大 DM 噪声水平的影响。
该图表明，与开关频率相比，开关的上升（下降）时间对最大 DM 噪声水平的影响更为显着。通常，较小的上升（下降）次数会增加最大 DM 噪声；然而，在上升（下降）时间的某些值下，最大 DM 噪声下降，这导致转换器的 DM 噪声水平显着降低。
对于传导 CM 噪声，与非交错拓扑相比，交错拓扑表现出较低的噪声水平。图12显示了传导 CM 噪声电平的模拟结果。从图10和图12可以看出，CM 噪声是 EMI 噪声的主要来源。
第五节 结论
本文研究了 2 级交错式 DC/DC 升压转换器的传导 DM 和 CM 噪声。已经开发了频域中转换器的噪声模型，包括所有寄生元件。模拟了一个案例研究，以比较交错式升压转换器和非交错式升压转换器中的传导 EMI 噪声水平。模型的仿真结果表明，交错拓扑的 DM 和 CM 噪声水平明显低于非交错拓扑中的 EMI 噪声水平，尤其是在传导噪声频谱的高频下。
