在上期中，我們探討了采用峰值電流模式控制的功率因數(shù)校正。

本期，為大家?guī)淼氖恰妒褂没?GaN 的 OBC 應(yīng)對電動汽車 EMI 傳導發(fā)射挑戰(zhàn)》，將深入回顧 CISPR 32 對 OBC 的 EMI 要求，同時詳細探討可靠數(shù)據(jù)測量的最佳做法、GaN 對 EMI 頻譜的影響，以及解決傳導發(fā)射問題的有效方案。

引言

車載充電器 (OBC) 是任何電動汽車的基本要素。為了減小車輛尺寸和減輕車輛重量，氮化鎵 (GaN) 等寬帶隙器件是實現(xiàn)功率轉(zhuǎn)換的熱門選擇。GaN開關(guān)具有低輸出電容 (COSS)，能夠比傳統(tǒng)的硅金屬氧化物半導體場效應(yīng)晶體管 (MOSFET)更快、更有效地進行開關(guān)，從而顯著減小 OBC 的體積。但是，更快的開關(guān)速度確實引發(fā)了對電磁干擾 (EMI) 特征的相關(guān)影響的擔憂。

本文回顧了國際無線電干擾委員會 (CISPR) 32對 OBC 的 EMI 要求，并討論了關(guān)于可靠數(shù)據(jù)測量的最佳做法、GaN 對 EMI 頻譜的影響以及有助于解決觀察到的傳導發(fā)射問題的想法。

系統(tǒng)概述

圖 1是 OBC 的示意圖。功率因數(shù)校正 (PFC) 包括兩個以 120kHz 固定頻率和 180° 相位差運行的相位。電容-電感-電感-電感-電容 (CLLLC) 以 250kHz 和 800kHz 之間的可變頻率運行。在全功率運行 (6.6kW) 下，CLLLC 以大約 500kHz 的標稱頻率運行。該系統(tǒng)使用鋁制冷板進行液冷，如圖 1底部所示。該冷板對于圍繞 EMI 進行討論特別重要，因為它連接到大地；因此，冷板的任何寄生電容都有可能產(chǎn)生共模發(fā)射。

圖 1展示了濾波器的結(jié)構(gòu)，以及與交流電源和 OBC 的相關(guān)連接。該濾波器是一個二級濾波器，其差模電感來自共模扼流圈中的漏電感。

圖 1：OBC 原理

圖 2展示了附有冷板的物理系統(tǒng)。

圖 2：帶液冷冷板的 OBC 硬件

EMI 濾波器設(shè)計

通常，EMI 包括差模和共模噪聲。在 OBC 系統(tǒng)中，PFC 的輸入電流是差模噪聲的主要產(chǎn)生源，而共模噪聲可能來自 PFC 和 CLLLC。圖 1展示了開關(guān)節(jié)點與冷板之間、冷板初級和次級接地之間以及 CLLLC 變壓器初級和次級繞組之間的寄生電容。這些寄生電容會產(chǎn)生或影響系統(tǒng)中的共模噪聲電流水平。

使用估算的寄生電容進行的仿真表明，在最壞的情況下，僅使用 2.2μF 輸入電容 CX1 的裸差模噪聲約為 110dBμV。同樣，沒有共模濾波器的裸共模噪聲在大約 350kHz 時約為 115dBμV。如圖 1所示，二級濾波器的設(shè)計可衰減低于 CISPR 32 標準的 EMI 噪聲。在圖 1中，LCM1 和 LCM2在 350kHz 時的共模阻抗約為 3kΩ，其漏感約為 6.4μH，用于差模噪聲衰減。

在圖 1中，CX1 和 CX2 是用于衰減差模噪聲的 2.2μF 薄膜電容器，而 CY1、CY2、CY3 和 CY4 是用于衰減共模噪聲的 4.7nF 陶瓷電容器。理想情況下，通過設(shè)計的濾波器，裸共模噪聲和裸差模噪聲均應(yīng)衰減 65dBμV 以上，EMI 噪聲應(yīng)符合 CISPR 32 標準。

然而，在高頻和實際測試中仍然存在一些實際挑戰(zhàn)。

測量設(shè)置

測量設(shè)置對于了解與 EMI 相關(guān)的挑戰(zhàn)至關(guān)重要。圖 3展示了要考慮的基本要素。OBC 需要 12V 電源來為控制和偏置電路供電。這種偏置不會在待測器件中產(chǎn)生，因此需要某種輔助電源才能運行。

圖 3：測試設(shè)置的方框圖

在選擇電源之前，重要的是要認識到任何臺式測試設(shè)備都有專屬的內(nèi)部 Y 電容器。這些電容器創(chuàng)建了一條路徑，OBC 內(nèi)的共模電流可以通過該路徑流動。但由于這些電容器不是待測系統(tǒng)的一部分，因此它們的影響是在任何測量 EMI 中產(chǎn)生誤差。使用與接地良好隔離的電源（在本例中為 12V 電池）有助于避免此問題。

OBC 的負載具有相同的潛在問題，需要使用電阻負載組。此外，雖然使用 PC 配置 OBC 進行操作，但在運行 EMI 掃描之前將其移除了；因此它沒有顯示在測量設(shè)置中。

結(jié)果

在測試階段出現(xiàn)了幾個難題。初始測試試圖用一個電子負載、輔助電源和一臺 PC 來表征 EMI，所有這些都在 EMI 掃描期間連接到 OBC。這導致通過測試設(shè)備和 PC 的多個接地返回路徑產(chǎn)生問題。所有這些項目都有內(nèi)部 Y 電容器，讓共模噪聲有機會流動。最終，在測試期間移除 PC、使用電池作為輔助電源并改為電阻負載，這三項操作消除了這些路徑。

在解決了測量設(shè)置中的接地問題之后，仍然需要顯著改進頻譜。請注意，圖 3展示了與交流電源串聯(lián)的濾波器。我只需要測量 OBC 生成的 EMI。交流電源產(chǎn)生的任何 EMI 都是與 OBC 無關(guān)的問題。在確定交流源將大量噪聲注入測量頻譜后，添加一個與交流源串聯(lián)的濾波器可防止任何源產(chǎn)生的傳導發(fā)射破壞 OBC 的測量 EMI 特征。

在系統(tǒng)開發(fā)早期，EMI 濾波器中有一個額外的 X 電容器，未在圖 1中顯示。這個 X 電容器在圖 4中表示為 CX0。這個電容器是由 CX0 產(chǎn)生的 240kHz 諧振的一部分，即 OBC 寄生互連電感（LP1 和 LP2）和 CX1。如前所述，PFC 的每個相位都以 120kHz 和 180° 的相位差運行。這意味著 240kHz 是 PFC 產(chǎn)生的電流的基頻。由于共振發(fā)生在該頻率，頻譜的 240kHz 分量的幅度顯著增加。移除 CX0 會消除這種共振。

圖 4：突出顯示寄生諧振的 EMI 濾波

下一個重要問題是繞過 EMI 濾波器的噪聲，通過在 EMI 濾波器周圍使用屏蔽以及用于互連的屏蔽電纜來解決這個問題。屏蔽 EMI 濾波器時，除 CX1 外，整個 EMI 濾波器從主板上移除。EMI 濾波器放置在屏蔽外殼內(nèi)。最終，將一組 4.7nF Y 電容器（CY5 和 CY6）放回主板上的位置，該位置非?？拷靼宓牡妆P接地連接到冷板的位置。添加這些電容器可顯著降低 5MHz 以上的 EMI 頻譜。圖 5展示了帶有額外 Y 電容器的最終濾波器。

圖 5：刪除了 CX0 的最終 EMI 濾波器

圖 6展示了最終 EMI 性能。此時，只剩下接近 10MHz 的小共振。為了解決這種諧振，您可以改善濾波器第二級中共模電感的高頻特性，改進印刷電路板布局，或添加另一級帶有鐵氧體磁珠或小型共模扼流圈的高頻電感來過濾高頻噪聲。

圖 6：全功率 EMI 濾波器掃描

結(jié)論

EMI 在很大程度上取決于系統(tǒng)的電氣特性和物理結(jié)構(gòu)。這些因素導致難以列出一個能成功降低 EMI 的簡單公式。

但是，在調(diào)試此示例中出現(xiàn)的問題后，可以突出顯示幾個要點：

接地是濾波器設(shè)計和測試中非常重要的方面。對于正確評估 EMI 和降低 EMI 水平，了解系統(tǒng)中的所有返回路徑至關(guān)重要。

原理圖上的內(nèi)容并不是全部。理論上，您的過濾器可能具有您需要的所有衰減。但在現(xiàn)實中，濾波器將具有無法解釋的寄生電容和互感耦合路徑。這些路徑導致管理 EMI 變得非常困難，尤其是在高頻和低頻時。請記住，小信號行為并不總是與大信號行為相同。濾波器在小電流幅度下的行為未必與同一濾波器在重負載時的行為相同。

GaN 可以增加電源的功率密度，而不會對 EMI 頻譜產(chǎn)生不利影響。雖然本文沒有討論 GaN 實現(xiàn)的功率密度改進，但您可以看到，通過使用傳統(tǒng)的 EMI 緩解策略，可以處理更快的壓擺率或開關(guān)頻率帶來的任何相關(guān)影響。實際上，數(shù)據(jù)中沒有任何內(nèi)容表明此設(shè)計的 EMI 問題比基于硅的設(shè)計更糟糕。這可能是非常重要的結(jié)果，因為減輕對這一因素的擔憂會增強 GaN 的吸引力。

基于 GaN 的 6.6kW 雙向車載充電器參考設(shè)計包括由 TI 的GaN FET 實現(xiàn)的原理圖、布局和測試結(jié)果。