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)?lái)的是《使用基于 GaN 的 OBC 應(yīng)對(duì)電動(dòng)汽車 EMI 傳導(dǎo)發(fā)射挑戰(zhàn)》，將深入回顧 CISPR 32 對(duì) OBC 的 EMI 要求，同時(shí)詳細(xì)探討可靠數(shù)據(jù)測(cè)量的最佳做法、GaN 對(duì) EMI 頻譜的影響，以及解決傳導(dǎo)發(fā)射問題的有效方案。

引言

車載充電器 (OBC) 是任何電動(dòng)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(shí)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(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (MOSFET)更快、更有效地進(jìn)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(shí)引發(fā)了對(duì)電磁干擾 (EMI) 特征的相關(guān)影響的擔(dān)憂。

本文回顧了國(guó)際無(wú)線電干擾委員會(huì) (CISPR) 32對(duì) OBC 的 EMI 要求，并討論了關(guān)于可靠數(shù)據(jù)測(cè)量的最佳做法、GaN 對(duì) EMI 頻譜的影響以及有助于解決觀察到的傳導(dǎo)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(gè)以 120kHz 固定頻率和 180° 相位差運(yùn)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(yùn)行。在全功率運(yùn)行 (6.6kW) 下，CLLLC 以大約 500kHz 的標(biāo)稱頻率運(yùn)行。該系統(tǒng)使用鋁制冷板進(jìn)行液冷，如圖 1底部所示。該冷板對(duì)于圍繞 EMI 進(jìn)行討論特別重要，因?yàn)樗B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(gè)二級(jí)濾波器，其差模電感來(lái)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(jì)

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(lái)自 PFC 和 CLLLC。圖 1展示了開關(guān)節(jié)點(diǎn)與冷板之間、冷板初級(jí)和次級(jí)接地之間以及 CLLLC 變壓器初級(jí)和次級(jí)繞組之間的寄生電容。這些寄生電容會(huì)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(jìn)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(shí)約為 115dBμV。如圖 1所示，二級(jí)濾波器的設(shè)計(jì)可衰減低于 CISPR 32 標(biāo)準(zhǔn)的 EMI 噪聲。在圖 1中，LCM1 和 LCM2在 350kHz 時(shí)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(jì)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(biāo)準(zhǔn)。

然而，在高頻和實(shí)際測(cè)試中仍然存在一些實(shí)際挑戰(zhàn)。

測(cè)量設(shè)置

測(cè)量設(shè)置對(duì)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(lái)為控制和偏置電路供電。這種偏置不會(huì)在待測(cè)器件中產(chǎn)生，因此需要某種輔助電源才能運(yùn)行。

圖 3：測(cè)試設(shè)置的方框圖

在選擇電源之前，重要的是要認(rèn)識(shí)到任何臺(tái)式測(cè)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(dòng)。但由于這些電容器不是待測(cè)系統(tǒng)的一部分，因此它們的影響是在任何測(cè)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(fù)載具有相同的潛在問題，需要使用電阻負(fù)載組。此外，雖然使用 PC 配置 OBC 進(jìn)行操作，但在運(yùn)行 EMI 掃描之前將其移除了；因此它沒有顯示在測(cè)量設(shè)置中。

結(jié)果

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

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

在系統(tǒng)開發(fā)早期，EMI 濾波器中有一個(gè)額外的 X 電容器，未在圖 1中顯示。這個(gè) X 電容器在圖 4中表示為 CX0。這個(gè)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(gè)相位都以 120kHz 和 180° 的相位差運(yùn)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(huì)消除這種共振。

圖 4：突出顯示寄生諧振的 EMI 濾波

下一個(gè)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(lái)解決這個(gè)問題。屏蔽 EMI 濾波器時(shí)，除 CX1 外，整個(gè) 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，該位置非常靠近主板的底盤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(shí)，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(jí)中共模電感的高頻特性，改進(jìn)印刷電路板布局，或添加另一級(jí)帶有鐵氧體磁珠或小型共模扼流圈的高頻電感來(lái)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(dǎo)致難以列出一個(gè)能成功降低 EMI 的簡(jiǎn)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(gè)要點(diǎn)：

接地是濾波器設(shè)計(jì)和測(cè)試中非常重要的方面。對(duì)于正確評(píng)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(shí)中，濾波器將具有無(wú)法解釋的寄生電容和互感耦合路徑。這些路徑導(dǎo)致管理 EMI 變得非常困難，尤其是在高頻和低頻時(shí)。請(qǐng)記住，小信號(hào)行為并不總是與大信號(hào)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(fù)載時(shí)的行為相同。

GaN 可以增加電源的功率密度，而不會(huì)對(duì) EMI 頻譜產(chǎn)生不利影響。雖然本文沒有討論 GaN 實(shí)現(xiàn)的功率密度改進(jìn)，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(lái)的任何相關(guān)影響。實(shí)際上，數(shù)據(jù)中沒有任何內(nèi)容表明此設(shè)計(jì)的 EMI 問題比基于硅的設(shè)計(jì)更糟糕。這可能是非常重要的結(jié)果，因?yàn)闇p輕對(duì)這一因素的擔(dān)憂會(huì)增強(qiáng) GaN 的吸引力。

基于 GaN 的 6.6kW 雙向車載充電器參考設(shè)計(jì)包括由 TI 的GaN FET 實(shí)現(xiàn)的原理圖、布局和測(cè)試結(jié)果。