基于GaN的开关电源电磁干扰研究

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自基于硅的BJT、MOSFET和IGBT引入以来,电磁干扰一直是一个众所周知的问题。由于半导体器件开关动作产生电流和电压突变,电磁干扰噪声是不可避免的。噪声通过导体和空间以传导和辐射的形式传播。随着氮化镓(GaN)晶体管、碳化硅(Si C)BJT和MOSFET等宽禁带器件的发展,可以利用其高开关频率和更大温度范围的工作能力,实现更高的功率密度和电路效率。由于设计更加紧凑,高频下的电磁干扰控制在功能问题、操作鲁棒性、成本增加、热约束和空间限制方面变得更具挑战性。由于WBG(wide band gap,宽禁带)器件具有优越的开关能力,无电感电路拓扑结构,如开关电容电路,越来越受到人们的关注。由于节点电压的快速变化,这种电路固有的共模噪声非常严重。论文以开关电容电路为研究对象,提出了抑制CM(共模)噪声的方法,并在PSpice环境下进行仿真验证。本文从电磁干扰的理论分析开始,介绍了电磁干扰的概念以及电磁噪声的分类,并分析了各类噪声的产生机理以及高频下磁性元件的特性。重点分析了传导噪声的机理与路径。在介绍了通过设计滤波器来抑制噪声的策略后,对滤波器中的无源器件进行建模分析,采用PSpice模型对CM扼流圈的性能进行了评估和预测,其精度可达100MHz。此外,本文还分析了Y型电容接地有效抑制CM噪声的能力。许多研究人员已经确定了dv/dt和di/dt的快速瞬态与各种寄生元件的作用是导致脉宽调制(PWM)控制变换器和逆变器中的主要传导噪声。为了预测传导噪声的发射水平,在电子电路的初始设计阶段进行识别是十分必要的。论文进行了PSpice电路的建模和暂态分析,基于GaN的开关电容电路,对CM噪声的传输路径进行预测和识别。在推导出CM噪声等效电路的基础上,基于电路平衡理论提出了减小CM噪声的改进方案,并在计算机仿真测试中得到了验证。通过仿真和实验验证,得到的无源器件模型可以用来分析共模噪声的接地效果,也验证了有源器件模型对噪声路径预测的准确性,将有源器件模型和无源器件模型结合将大大降低总体噪声水平。
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