基于場(chǎng)路耦合的反激變換器板級(jí)輻射研究

研究背景

隨著無線充電、電動(dòng)汽車等新能源技術(shù)的快速發(fā)展，電源產(chǎn)品逐漸趨向高頻化、小型化，隨之產(chǎn)生的電磁干擾(EMI)問題正變得日益嚴(yán)重。針對(duì)電源產(chǎn)品的輻射干擾，傳統(tǒng)的仿真預(yù)測(cè)方法普遍基于兩個(gè)基本假設(shè)：①輸入輸出線纜是主要的輻射源；②共模電流是造成輸入輸出線纜輻射的主要原因。基于場(chǎng)路耦合的仿真思路，建立MOSFET的電磁場(chǎng)有限元模型和高頻變壓器的等效高頻電路模型,聯(lián)合ANSYS SIwave、HFSS和Circuit Designer進(jìn)行場(chǎng)路耦合仿真通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證仿真的正確性，為實(shí)際研發(fā)生產(chǎn)提供參考。

成果簡(jiǎn)介

基于場(chǎng)路耦合的仿真思路，建立MOSFET的電磁場(chǎng)有限元模型和高頻變壓器的等效高頻電路模型。結(jié)合從SIwave電磁仿真軟件中提取的PCB網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，對(duì)反激變換器的板級(jí)輻射干擾進(jìn)行聯(lián)合仿真，并對(duì)比了兩種高頻變壓器模型對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)仿真結(jié)果的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在230MHz以內(nèi)的頻段3m遠(yuǎn)場(chǎng)仿真超標(biāo)頻點(diǎn)與實(shí)測(cè)吻合，驗(yàn)證了本仿真方法的正確性，且簡(jiǎn)化的變壓器二電容模型具有更寬頻帶的適用性；所得到的近場(chǎng)電磁場(chǎng)分布表明MOSFET和變壓器副邊的整流二極管是主要的輻射源。

亮點(diǎn)提煉

如圖1所示，HFSS和SIwave分別對(duì)MOSFET和PCB板進(jìn)行提取得到S參數(shù)；將S參數(shù)傳輸?shù)紺ircuit Designer仿真平臺(tái)，設(shè)置變壓器的高頻電路模型、有源器件的電路模型，并在關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)添加電壓電流激勵(lì)，進(jìn)行電路瞬態(tài)仿真；所得到的含激勵(lì)源信息的S參數(shù)文件被傳輸回SIwave仿真平臺(tái)；SIwave讀取Circuit Designer傳輸回來的激勵(lì)源數(shù)據(jù)，最終實(shí)現(xiàn)整塊電路板遠(yuǎn)場(chǎng)和近場(chǎng)輻射干擾的仿真預(yù)測(cè)。

圖1 仿真原理圖

建立MOSFET有限元模型和高頻變壓器模型，得到變壓器三電容、簡(jiǎn)化二電容模型的3m遠(yuǎn)場(chǎng)輻射仿真曲線，如圖2所示。

圖23m遠(yuǎn)場(chǎng)仿真曲線

反激變換器近場(chǎng)輻射做仿真分析。30MHz頻點(diǎn)處的電場(chǎng)仿真結(jié)果呈現(xiàn)如圖3，磁場(chǎng)仿真結(jié)果如圖4?？梢钥闯?，所用變壓器高頻模型不同，近場(chǎng)輻射計(jì)算結(jié)果也有所差別。從圖3可以判斷，電場(chǎng)輻射源均為MOSFET及其周邊的電路結(jié)構(gòu)；而圖4磁場(chǎng)輻射源的位置有所不同。

(a)三電容模型近場(chǎng)電場(chǎng)分布

(b)簡(jiǎn)化的二電容模型近場(chǎng)電場(chǎng)分布

圖3近場(chǎng)電場(chǎng)分布仿真

(a)三電容模型近場(chǎng)磁場(chǎng)分布

(b)簡(jiǎn)化二電容模型近場(chǎng)磁場(chǎng)分布

圖4 近場(chǎng)磁場(chǎng)分布仿真

如圖5是在賽寶實(shí)驗(yàn)室3m電波暗室的測(cè)試曲線?？梢钥闯?，超標(biāo)的部分均在230MHz以內(nèi)的低頻段。選取230MHz以內(nèi)幾個(gè)輻射的極大值點(diǎn)與仿真結(jié)果進(jìn)行比較。

圖5 3m遠(yuǎn)場(chǎng)實(shí)測(cè)曲線

通過對(duì)比，實(shí)測(cè)超標(biāo)的頻點(diǎn)與仿真結(jié)果一致，仿真對(duì)應(yīng)頻點(diǎn)的幅值與實(shí)測(cè)幅值進(jìn)一步比較，得到幅值的誤差(如圖6所示)。可以看出，采用二電容模型的仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果吻合度較大，寬頻特性優(yōu)于三電容模型，更適用于反激變換器輻射干擾的仿真預(yù)測(cè)。進(jìn)一步的可以從圖3(b)和圖4(b)的近場(chǎng)電磁場(chǎng)分布看出，MOSFET和變壓器副邊的二極管是主要的輻射源。

圖6 3m遠(yuǎn)場(chǎng)與實(shí)測(cè)對(duì)比

前景與應(yīng)用

將MOSFET三個(gè)引腳等效為三個(gè)天線，通過建立有限元模型，仿真分析得到其d極引腳輻射最強(qiáng)的結(jié)論；聯(lián)合Circuit Designer電路仿真平臺(tái)和SIwave、HFSS電磁場(chǎng)仿真平臺(tái)對(duì)反激變換器的板級(jí)輻射進(jìn)行仿真分析，通過3m遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試驗(yàn)證本文仿真方法的正確性，同時(shí)驗(yàn)證了變壓器高頻電路模型對(duì)輻射仿真有影響，其中簡(jiǎn)化的二電容更適應(yīng)于230MHz以內(nèi)頻段的輻射仿真；從近場(chǎng)電磁場(chǎng)分布可以看出，MOSFET和變壓器副邊的整流二極管是主要的輻射源。為此，針對(duì)反激變換器的EMC整改可以重點(diǎn)對(duì)MOSFET和變壓器副邊的二極管實(shí)施有效的屏蔽或抑制瞬變電壓電流的措施。