反激式变换器电磁辐射建模及主动抑制

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随着开关频率的逐步提升,开关电源在工作时,高速变化的瞬变电压(d V/dt)和瞬变电流(d I/dt)产生的电磁干扰(EMI)问题愈发严重。这些电磁干扰能量在低频段会在导线之间传导,进而污染电网及影响周边用电设备的正常工作;在高频段会以电磁波的形式辐射到自由空间中,不仅影响设备自身的使用寿命,对周边正在工作的用电设备造成干扰,严重者还会对人体和生态环境造成危害。为此,开关电源产品都需要经过电磁兼容安全认证方可进入市场。反激式变换器是当前中小功率开关电源市场应用最广泛的隔离型电力电子变换器拓扑,有效的辐射干扰预测和抑制方法能够在开关电源产品设计之初最大程度地规避可能造成EMI问题的风险,大大减少产品EMC整改的周期,加速产品的更新迭代。本文对反激式变换器辐射干扰的电磁仿真预测技术、基于分数阶混沌扩频原理的辐射干扰主动抑制方法等问题展开了深入的研究,具体工作如下:首先,建立元器件的高频等效模型,对本文所研究的反激式变换器进行环路分析,在SIMetrix/SIMPLIS电路仿真软件中进行环路仿真。进一步的,利用一种高频变压器的二电容简化模型,建立共模噪声路径的传递函数,分析反激式变换器的共模噪声路径。用matlab对反激式变换器的共模干扰进行数值仿真,数值计算结果与Saber软件的仿真结果一致,验证了所建立共模噪声模型的正确性,同时证明来自(1((9)的干扰是共模噪声的直接来源。其次,基于天线理论,分析了立式放置的天线辐射大于卧放的天线,阐明了板上元器件的辐射不可忽略的理论依据。将MOSFET的引脚等效为辐射天线,在HFSS中建立有限元模型,仿真得到其封装结构的s参数和电磁场分布。进一步建立了H形和梅花形散热片的有限元模型,考虑了MOSFET带散热片结构的天线辐射效应,并从电场、磁场分布和天线增益等角度进行分析,得到梅花形散热片产生的辐射高于H形散热片的结论,并搭建了一个MOSFET驱动电路,通过近场探头进行实验测试,验证了仿真分析结论的正确性。再次,阐述了联合ANSYS SIwave、Circuit Designer、HFSS软件对反激式变换器电路板进行场路耦合仿真的基本原理。结合在HFSS仿真得到的MOSFET结构的s参数和电磁场分布;结合理论计算和实验测试得到的变压器高频等效模型,最终联合ANSYS SIwave、Circuit Designer、HFSS软件对一台5W输出的反激式变换器的板级辐射进行仿真研究,得到3m远场预测曲线和近场电磁场分布;通过与3m远场测试曲线比较,考察了两种变压器高频模型的仿真误差,同时验证了MOSFET和变压器副边二极管辐射强度最高。最后,通过Adamain算法,在matlab上对分数阶Lorenz混沌进行数值仿真,得到分数阶Lorenz混沌的相图和混沌序列。利用QR分解算法,分析阶数变化时,分数阶Lorenz系统的Lyapunov指数谱,以及整数阶、2.7阶、2.4阶、1.8阶的分数阶Lorenz混沌序列的频谱和方差,得出1.8阶Lorenz混沌序列扩频效果最好的理论结论。在stm32单片机中实现分数阶混沌PWM,作用在反激式变换器上。通过近场探头进行辐射测试,并进一步进行整机效率实验测试,验证了分数阶Lorenz能够在保证整机效率的情况下对反激式变换器辐射干扰的主动抑制作用。
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