基于場路耦合的反激變換器板級輻射研究

研究背景

隨著無線充電、電動汽車等新能源技術的快速發展，電源產品逐漸趨向高頻化、小型化，隨之產生的電磁干擾(EMI)問題正變得日益嚴重。針對電源產品的輻射干擾，傳統的仿真預測方法普遍基于兩個基本假設：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。基于場路耦合的仿真思路，建立MOSFET的電磁場有限元模型和高頻變壓器的等效高頻電路模型,聯合ANSYS SIwave、HFSS和Circuit Designer進行場路耦合仿真通過實驗驗證仿真的正確性，為實際研發生產提供參考。

成果簡介

基于場路耦合的仿真思路，建立MOSFET的電磁場有限元模型和高頻變壓器的等效高頻電路模型。結合從SIwave電磁仿真軟件中提取的PCB網絡參數，對反激變換器的板級輻射干擾進行聯合仿真，并對比了兩種高頻變壓器模型對遠場仿真結果的影響。實驗結果表明，在230MHz以內的頻段3m遠場仿真超標頻點與實測吻合，驗證了本仿真方法的正確性，且簡化的變壓器二電容模型具有更寬頻帶的適用性；所得到的近場電磁場分布表明MOSFET和變壓器副邊的整流二極管是主要的輻射源。

亮點提煉

如圖1所示，HFSS和SIwave分別對MOSFET和PCB板進行提取得到S參數；將S參數傳輸到Circuit Designer仿真平臺，設置變壓器的高頻電路模型、有源器件的電路模型，并在關鍵節點添加電壓電流激勵，進行電路瞬態仿真；所得到的含激勵源信息的S參數文件被傳輸回SIwave仿真平臺；SIwave讀取Circuit Designer傳輸回來的激勵源數據，最終實現整塊電路板遠場和近場輻射干擾的仿真預測。

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、簡化二電容模型的3m遠場輻射仿真曲線，如圖2所示。

圖23m遠場仿真曲線

反激變換器近場輻射做仿真分析。30MHz頻點處的電場仿真結果呈現如圖3，磁場仿真結果如圖4。可以看出，所用變壓器高頻模型不同，近場輻射計算結果也有所差別。從圖3可以判斷，電場輻射源均為MOSFET及其周邊的電路結構；而圖4磁場輻射源的位置有所不同。

(a)三電容模型近場電場分布

(b)簡化的二電容模型近場電場分布

圖3近場電場分布仿真

(a)三電容模型近場磁場分布

(b)簡化二電容模型近場磁場分布

圖4 近場磁場分布仿真

如圖5是在賽寶實驗室3m電波暗室的測試曲線。可以看出，超標的部分均在230MHz以內的低頻段。選取230MHz以內幾個輻射的極大值點與仿真結果進行比較。

圖5 3m遠場實測曲線

通過對比，實測超標的頻點與仿真結果一致，仿真對應頻點的幅值與實測幅值進一步比較，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果與實測結果吻合度較大，寬頻特性優于三電容模型，更適用于反激變換器輻射干擾的仿真預測。進一步的可以從圖3(b)和圖4(b)的近場電磁場分布看出，MOSFET和變壓器副邊的二極管是主要的輻射源。

圖6 3m遠場與實測對比

前景與應用

將MOSFET三個引腳等效為三個天線，通過建立有限元模型，仿真分析得到其d極引腳輻射最強的結論；聯合Circuit Designer電路仿真平臺和SIwave、HFSS電磁場仿真平臺對反激變換器的板級輻射進行仿真分析，通過3m遠場測試驗證本文仿真方法的正確性，同時驗證了變壓器高頻電路模型對輻射仿真有影響，其中簡化的二電容更適應于230MHz以內頻段的輻射仿真；從近場電磁場分布可以看出，MOSFET和變壓器副邊的整流二極管是主要的輻射源。為此，針對反激變換器的EMC整改可以重點對MOSFET和變壓器副邊的二極管實施有效的屏蔽或抑制瞬變電壓電流的措施。