第26卷第3期2007年7月
电工电能新技术
Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy
Vol.26,No.3July 2007
收稿日期:2007 02 07
基金项目：福建省自然科学基金资助项目(2006J0159)；福州大学科技发展基金资助项目(0010824769)
作者简介：董纪清(1974 )，女，河北籍，讲师，在职博士生，主要从事高频功率磁技术及EMI 抑制技术的研究;
陈 为(1958 )，男，福建籍，教授 博导，博士，主攻工程电磁场、高频功率磁技术、EMI 抑制技术等。
董纪清，陈 为
(福州大学电气工程与自动化学院，福州福建350002)
摘要：两路交错PFC 是中、大功率开关电源前级的常用拓扑。本文从共模EMI 噪声源和噪声路径两方面对共模噪声产生的机理进行了分析，详细说明了磁性元件的杂散分布电容对共模噪声的影响。针对交错PFC 的共模噪声特点，提出了改善其共模EMI 噪声的措施，并在一台600W 的样机上进行了实验，实验验证了理论分析的结果。关键词：交错PFC；分布电容；共模噪声
中图分类号:TM46 文献标识码:A
文章编号:1003 3076(2007)03 0042 05
1 引言
功率因数校正电路(PFC)常用在开关电源的前级以减少输入电流中存在的大量谐波成分，改善开关电源对电网的污染。对单级PFC 电路的E MI 噪
声分析，已经有较多的研究，文献[1 3]分别从噪声源、噪声路径、开关管参数、PCB 板走线等方面分析了单级PFC 校正电路的噪声特点及抑制方法。在大功率等级开关电源中，常常采用两路或多路交错PFC 前级校正电路。目前对交错PFC 的E MI 噪声研究[4]
，普遍的结论认为：两相交错降低了电路中的电流纹波，较小的电流纹波有助于改善交错PFC 中的差模噪声。但是对交错PFC 电路中的共模E MI 噪声特性，目前可见的相关资料和文章都比较少。就交错
PFC 的每一单相而言，其共模EMI 噪声与单相PFC 共模E MI 噪声并无本质差异，但由于两相交错并联，其共模噪声并不是两路单相PFC 共模噪声的简单叠加，其噪声分布有其自己的特点。
对于开关电源的共模EMI 问题，除了噪声源本身的特点，电路中的杂散参数对E MI 噪声也有着重要的影响，许多文章对此做了分析研究，如[5]和[6]分别以反激式开关电源为例,[5]分析了PCB 间的电场耦合对E MI 噪声的影响,[6]中分析了变压器绕组间的分布电容对E MI 的影响，文献[7]分析了
杂散磁场对单级PFC 的传导E MI 影响。本文中详细分析了由于元器件间的电场近场耦合引起的分布电容对交错PFC 的共模EMI 噪声影响，对其详细的理论分析有利于采取相应有效的E MI 抑制措施。在本文的第二部分，描述了交错PFC 开关电源样机的电路构成及由于分布电场耦合造成的E MI 问题的现象。第三部分对交错PFC 的共模噪声产生机理进行了分析，通过傅立叶分解对频域内的噪声源特点进行了分析。第四部分根据噪声源的特点，对比了共模噪声在对称和不对称噪声传播路径情况下的不同噪声特点。在文章的第五部分，详细分析了PFC 电感线圈对地的不同杂散电场导致不对称的电容分布情况，以及不对称的分布电容对交错PFC 的共模E MI 噪声的影响情况，给出了交错PFC 开关电源样机的EMI 测量结果，最后给出了本文的结论。 2 分布电容对交错PFC 的共模噪声影响现象
图1是交错PFC 电路E MI 测量的原理图，其电路构成包括：传导E MI 测量的线性阻抗稳定网络(LISN)
、共模和差模滤波器、桥式整流器、并联的两路PFC 电路。其中交错的两路PFC 电路为完全相同的Boost 升压电路，两个PFC 电感采用 值为60、
材料为High flux 、规格为24*14*10(mm)的环形磁芯制成。两路PFC 电路的开关管及二极管装配在同一片散热片上，该散热片通过导线接在Boost 级的母线负端，开关管及二极管的对地分布电容对称。图中虚线部分表示分布参数,C 1、C 2分别为两个PFC 电感线圈的对地分布电容,V d1、V d2为PFC 电路的开
关管漏极电压。全部视频列播放表本站
图1 交错PFC 电路原理图Fi g.1 Schematic of interleaving PFC
本文中的实验平台是一台600W 的两路交错
PFC 开关电源，其工作参数如下所示:
输入电压:90V 50Hz 开关频率:96kHz
PFC 级输出电压:400V
图2是交错PFC 电源的元器件实际位置布置图，该电源中的整流桥通过一片散热片接地，左图中一个电感线圈与此接地散热片正对紧靠，而另一个电感线圈与其垂直且距离较远，右图中改变接地散热片的形状使两个电感线圈对其对称的位置布置图。图3是该电源的EMI 测试曲线，上曲线对应左图不对称布置情况，下曲线是右图改变接地散热片形状后的对称布置的测量曲线，由传导E MI 调试结果，发现当改变接地散热片的位置时，共模传导E MI 曲线在(400kHz~10MHz)频率范围内有明显的变化。其中3MHz 左右处的尖峰是由于线路PCB 的寄生参数与整流滤波电容的寄生参数谐振引起的，将另文加以研究,
本文中略去对这一部分的探讨。
图2 交错PFC 元器件位置布置图
Fig.2 Layout of interleaving PFC power supply
图3 PFC 线圈位置变化的共模传导E MI 测试曲线Fig.3 CM E MI noise with different PFC choke layouts
3 交错PFC 电路的共模噪声源分析
电容噪声电位的快速跳变通过对地电容形成了电路中的
共模电流，交错PFC 的两个开关管分别导通和关断，其周期性的漏极电压跳变边沿含有丰富的谐波
成分，是电路中的共模噪声的主要组成部分。交错PFC 多采用固定频率控制的连续电流模式，导通和关闭时间之和恒定，因而漏极电压V d 1和V d 2均为固定频率变脉宽的一系列矩形波，且漏极电压V d 1和V d 2波形相同但有半个相位的相位差。
对漏极电压V d 1、V d 2进行傅立叶分解以观测共模噪声源频域内的特性，傅立叶分解的结果显示，共模噪声源V d 1、V d 2的偶次噪声谐波的幅值和相位均完全相同，而奇次噪声谐波幅值相同，但是相位相差180度。交警制服
4 交错PFC 电路的共模噪声传播路径
漏极电压V d 1、V d 2快速跳变产生的共模电流经E MI 测量的LISN 阻抗流入地线，然后经对地杂散电容构成回路。交错PFC 的对地分布电容主要包括两部分，一部分是开关管和二极管的散热片对地电容，另一部分是电感线圈对周围接地器件的对地电容，如对接地散热片、对接地机壳的对地分布电容等。
实际应用中，开关管和二极管通过绝缘导热膜安装在散热片上，散热片常常接在电源的母线负端侧，这种情况下，通过绝缘导热膜分布电容的噪音通过母线负端侧流回噪声源，被散热片屏蔽而不形成对地的共模噪音。而两个PFC 电感线圈因不同的
设计其位置布置可能不同，因而导致其对地分布电容呈现出较大的不同。两电感线圈对地杂散电容
43第3期董纪清，等：磁性元件分布电容对交错PFC 共模噪声的影响分析
C 1、C 2的对称性将直接影响交错PFC 的共模噪声特点，下文中着重分析PFC 电感线圈的对地电容分布情况对共模E MI 噪声的影响情况。
对交错PFC 的噪声源特点分析可知，交错PFC 的噪声传播路径对称与否将对其共模噪声造成影响。在两个电感线圈对地分布电容对称的情况下，两级并联的PFC 噪声传播路径完全对称，共模噪声的奇次谐波由于幅值相同而相位相反，噪声源V d 1产生的奇次共模电流噪声将不流经LISN 阻抗，而是经对
称的对地分布电容流经共模噪声源V d 2返回，构成共模噪声电流回路，对外电路而言，奇次共模电流为零。偶次谐波噪声电流由于相位和幅值均相同，叠加后流经LISN 阻抗的对地共模电容构成回路，电路中的偶次共模电流为V d 1、V d 2产生的偶次谐波噪声电流的和。图4为交错PFC 在对称噪声传播路径下的噪声等效回路，图4(a)为偶次谐波噪声等效回路，图4(b)
为奇次谐波噪声等效回路。
图4 对称噪声路径下的E MI 噪声等效路径Fig.4 EMI noise eq uivalent ci rcuit under symmetrical stray
cap
反之，如果两个PFC 电感对地分布电容C 1、C 2
不对称，奇次谐波电流C 1 V d 1和C 2 V d 2不相等，奇次谐波电流在PFC 回路内不能完全抵消，剩余的奇次谐波噪声电流将流经LISN 阻抗至地，出现奇次共模噪声，其共模等效电路如图5所示。偶次共模电
流由于相位相同，流经LISN 阻抗的噪声电流仍然为V d 1和V d 2的偶次谐波电流之和，因此交错PFC 电路中偶次谐波电流保持不变，其等效电路同图4(a)。
实际产品中，根据不同的应用情况散热片除了接在电源的母线负端，也可能直接接地。当散热片直接接地时，由于开关管和二极管与散热片接触面积很大引起较大的对地寄生电容，使得共模电流大为加强，并且由于偶次谐波电流的相互叠加特性使得电路中的E MI 噪音特性恶化，因而在实际应用中应尽量地将开关管和二极管的散热片接在母线负端
以改善较大的对地电容造成的EMI 噪音特性恶化
现象。
图5 不对称噪声路径下的奇次EMI 噪声等效路径Fig.5 EMI noise eq uivalent ci rcuit with asym metrical stray cap
5 电场耦合造成的分布电容不平衡对共模EMI 的影响分析
文献[5]分析了线路PCB 板中电位跳变产生的强电场耦合对相邻PCB 板的干扰情况，实际应用中，除了PCB 板可能产生的强电场干扰，电源中的相邻元器件间也可能会因为相互的电场耦合而相互干扰。如本文第二节中接地的散热片与PFC 电感线圈位置的变化引起的共模EMI 噪声的变化情况。图6是采用商业软件MAXWELL 对两个PFC 线圈在不同位置摆放情况下的静电场分析情况，左图是两个PFC 电感线圈和接地散热片的原有摆放位置下的静电场分布图，右图是改变接地散热片位置后的电场分布情况，其中与整流桥连接标示1侧为低电位侧，与开关管相连的标示2侧是高电位侧。由仿真结果可以看出，原结构下接地散热片与相邻紧靠的电感线圈间电场强度很高且有较大的电位差，从而导致接地散热片与PFC 电感线圈间较大的电场能量，尤其是PFC 线圈的高电位端与接地散热片间有很大的电压差，因而电场能量主要分布在PFC 电感线圈的高电位侧。由上一节的分析可知不对称的杂散电容使得交错PFC 的两路共模噪声通路阻抗不对称，导致原本可以相互抵消的奇次噪声谐波出现。为了避免对
地电容的分布不对称，将接地散热片移至PFC 线圈的低电位侧，降低PFC 线圈与接地散热片间的电位差，并改动接地散热片的形状和位置，使电感的低电位侧靠近散热片以降低有效分布电容，改动后的两个PFC 线圈与散热片对称分布，同时也使两个PFC 线圈的对地分布电容变小且相等对称。
为了分析两个PFC 线圈对地电容的不对称性对共模噪声的影响，假设总的杂散电容不变，即C 1+C 2=C (常数)，表1给出了两个分布电容分别在相等、极度不对称和一路电容是另一路电容3倍情
44 电工电能新技术
第26卷
图6 PFC 电感与接地散热片的电场分布图Fig.6 Electric contour of two PFC chokes and heatsi nk
况下的交错PFC 的各次谐波分布情况。由表1可以看到，无论两个PFC 线圈对地电容的对称情况如何，偶次谐波都保持相同的数值。但是C 1、C 2的不对称性对奇次谐波有较大的影响，假设C 1>C 2，流经LI SN 阻抗的奇次共模噪声电流为(C 1-C 2)*V odd d t ，方向与C 1支路的共模噪声相同，将其化简后奇次共模噪声电流可以表示为关于C 1的表达式(2C 1-C )*V odd d t 。由分析的结果可以得到，奇次共模噪声电流与对地电容呈线性关系，在对称情况下，奇次共模噪声为零；在极度不对称情况下，奇次共模噪声为C *V od d d t ；特别地当C 1等于3倍的C 2时，交错PFC 产生的噪声等于单级PFC 产生的噪声。反之，在C 2>C 1的情况下其共模噪声的分析与C 1>C 2时相同。
表1 不对称对地分布电容影响下的谐波Tab.1 Effects of asymmetrical stray capacitance effect
on fi rst 10order harmonics of CM
noise
图7是交错PFC 的共模EMI 测试结果，保持两
个PFC 线圈对地分布电容C 1和C 2总和不变，上图是两个对地电容C 1和C 2对称相等时的测量曲线，下图中C 1是C 2的两倍，测试样机的工作频率为96kHz 。为了更好地显示不对称的对地分布电容的影响，在测试电路中去掉了EMI 滤波器以剔除其带来的影响。由测试结果可以看到，无论两个PFC 线
圈对地电容对称与否，偶次谐波噪声完全相同；而奇
图7 分布电容对交错PFC 的EMI 测试影响Fig.7 Stray capacitance effect on EMI in interleaving PFC
次噪声谐波在对称的情况下几乎完全被消除掉，在
不对称情况下的噪声远远高于对称情况下的噪声，本实验中C 1是C 2的两倍，实际情况下由于电场分布不对称带来的分布电容相差常常可达数倍，大大恶化E MI 噪声特性。交错PFC 的共模EMI 测试结果与理论分析的结果完全吻合。
随着开关电源向更小体积、更高功率密度发展，其工作频率必须逐步提高，工作频率的提高使噪声通路阻抗1 C 逐步减小而噪声幅值增大，因此分布电容对共模噪声的影响也随着频率提高而逐步增大，当工作频率高于150kHz 时，交错PFC 的奇次谐波落在共模噪声测量标准范围内，奇次谐波的抵消特性将明显有利于E MI 特性的改善。在目前比较低的开关电源工作频率范围内，也可以通过适当地改变频率使偶次谐波恰好落在E MI 的测试范围之外，而利用奇波抵消特性改善E MI 噪声特性。例如当电源工作频率在80kHz 附近时，可以将工作频率选择在略低于75kHz，这样叠加的二次谐波噪声就落在测量标准外，而三次谐波又可以在电路内部抵消，只需要考虑四次及更高次的谐波噪声，这将有利于滤波器的体积减小。
实现奇次谐波抵消的条件是两个PFC 线圈的对地电容C 1和C 2保持对称，因为对地电容属于寄生参数，因此在电源的设计阶段，包括PCB 布线、各
45第3期董纪清，等：磁性元件分布电容对交错PFC 共模噪声的影响分析焙烧回转窑
种元器件的位置安排等，就需要全面安排，尽可能地利用对称抵消原理来降低共模噪音。
根据两相交错PFC 的共模噪音特点，其结论经验证可以扩展至多相PFC 交错的情况，即当有N 相交错并联时，在噪声路径基本对称的前提下，其共模噪音只含有第N 次及其整数倍谐波，其他次谐波可以在PFC 回路内相互抵消。
6 结语
1)着重分析了两相交错PFC 的E MI 噪声特点,
在保持两个电感线圈对地电容对称平衡的情况下，共模噪声只含有偶次谐波，奇次谐波可以内部抵消。并且当N 相并联时，电路内只含有第N 次的整数倍噪音成分，其他谐波成分可以在电路内部相互抵消。
2)阐述了磁性元件分布电容对交错PFC 的共模噪声的影响机理，强调了从改进磁性元器件的布置以降低分布电容影响的角度来改善共模E MI 噪声的方法。
3)要保持PFC 电感的有效对地分布电容对称，在PCB 设计阶段时不仅要注意两个PFC 线圈的对地走线保持对称，而且在元件布置时也要安排PFC 电感对周围接地导体(如接地散热片、机壳等)保持对称。
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Research on effect of stray capacitance of magnetics
components on C M EMI in interleaving PFC
DONG Ji qing,C HEN Wei
(College of Elec.Eng.and Automa tion,Fuzhou University,Fuzhou 350002,China)
Abstract :Interleaving PFC is a common topology used in the front end in medium and high power switched mode power supply.This paper mainly focuses on the characteristics and mechanisms of C M EMI noises and conduction paths and presents detailed analysis about the effect of stray capacitance of the magnetics components on the C M E MI noise of power supply.From the vie wpoint of stray capacitance of magnetics c omponents,some attentions are proposed to improve CM EMI considering the E MI characteristic of interleaving PFC.And the experiments are performed based on a 600w power converter and the results verified the theoretical analysis.Key words :interleaving PFC;stray capacitance;CM E MI
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