Способы уменьшения синфазных электромагнитных помех

В [1] рассматривались причины возникновения синфазных электромагнитных помех. В этой статье мы обсудим способы их уменьшения. Но вначале напомним, каким образом формируются синфазные помехи. Источники их возникновения представлены на рис. 1, где показан изолированный обратноходовой преобразователь с двумя вторичными обмотками. Вместо первичной электрической сети использовался ее эквивалент LISN. Прерывистыми линиями показаны пути протекания синфазного тока.

Рис. 1. Источники синфазных помех в изолированном обратноходовом преобразователе

В схему введены следующие эквивалентные паразитные конденсаторы:

• C_Z — емкость между землями первичной и вторичной цепи;
• C_PS — емкость между первичной и основной вторичной обмоткой;
• C_SA — емкость между первичной и вспомогательной вторичной обмоткой;
• C_PM — емкость между первичной обмоткой и сердечником;
• C_SM — емкость между вторичной обмоткой и сердечником;
• C_AM — емкость между вспомогательной обмоткой и сердечником;
• C_PE — емкость между землей первичной стороны и заземлением;
• C_DE — емкость между стоком MOSFET и заземлением;
• C_ME — емкость между сердечником и заземлением;
• C_SE — емкость между землей вторичной стороны и заземлением.

Из рисунка видно, что синфазный ток протекает через паразитные емкости, поэтому чем выше скорость изменения напряжения, тем больше величина синфазного тока. Наибольшая скорость изменения напряжения наблюдается в узле SW — стоке силового MOSFET. Синфазный ток протекает через межобмоточные паразитные емкости трансформатора, возвратный путь тока проходит через паразитные емкости между элементами схемы, землей и паразитные емкости между землями первичной и вторичной сторон.

Симметричная топология

Таким образом, для уменьшения синфазных помех необходимо уменьшить паразитные емкости и скорость изменения напряжения в узлах переключения. Последнее можно реализовать двумя способами: схемотехническими ухищрениями или увеличением времени открытия силовых ключей. Первый способ явно предпочтительнее и реализуется за счет использования симметричной топологии силовых каскадов.

На рис. 2 приведен пример таких топологий для прямоходового (рис. 2а) и обратноходового (рис. 2б) преобразователя. В точках коммутации SW1 и SW2 напряжение изменяется в противофазе, производные dV/dt имеют противоположные знаки, поэтому, хотя в каждой из этих точек скорость изменения напряжения по-прежнему велика, порождаемые синфазные токи компенсируют друг друга. Основной недостаток этих схем заключается в плавающем потенциале затвора силового ключа в обратноходовом преобразователе и ключа Q1 в прямоходовом преобразователе.

Рис. 2. Симметричные топологии:
а) прямоходового;
б) обратноходового преобразователей

Схожим образом образуется симметричная топология резонансного LLC-преобразователя; его схема приведена на рис. 3. И в этом случае появляется дополнительный силовой ключ с плавающим потенциалом затвора. Это обстоятельство усложняет топологию каскада, хотя и приводит к снижению синфазных токов, если между обмотками трансформаторов имеется паразитная емкость, с которой нельзя не считаться.

Рис. 3. Симметричная топология резонансного LLC-преобразователя

Симметричные топологии — не единственная мера по снижению синфазных помех. В [1] выводится формула для расчета синфазных помех. Из нее видно, что уменьшить синфазные помехи поможет конденсатор C_Z, включенный между первичной и вторичной землями. Использовать эту емкость рекомендуется в случае, если по каким-либо причинам не применяется конденсатор CY между фазой и нейтралью.

Внутренняя балансировка трансформатора

Еще одним способом, позволяющим уменьшить синфазные помехи, является т. н. балансировка трансформатора (Balance techniques). Внутренняя балансировка заключатся в использовании экранирующих слоев в обмотке и в добавлении вспомогательной гасящей обмотки. Последний способ показан на рис. 4. Вспомогательная обмотка N_AUX включена встречно первичной обмотке. Путем подбора числа витков обмотки N_AUX можно добиться, чтобы выполнялось равенство i_CM1 = i_CM2; при этом синфазный ток протекает только между первичной и вспомогательной обмоткой, минуя вторичную обмотку. Внешняя балансировка заключается во включении дополнительного конденсатора между первичной и вторичной или одной из вторичных обмоток, если речь идет о многоканальном преобразователе.

Рис. 4. Использование вспомогательной гасящей обмотки

Экранирующая обмотка, выполненная проводом или слоем фольги, значительно уменьшает синфазный ток через паразитные межобмоточные емкости. На рис. 5 показана схема обратноходового преобразователя с экранирующей обмоткой, соединенной с землей первичной стороны (рис. 5а); в трансформаторе показаны паразитные межобмоточные емкости и паразитные емкости между экранирующей обмоткой и обмотками трансформатора. Первичная обмотка состоит из двух слоев по 12 витков в каждом, а вторичная обмотка – однослойная из восьми витков. Первичная и вторичная обмотки намотаны отдельно и не перемежаются.

Рис. 5. Использование экранирующей обмотки трансформатора:
а) обратноходовой преобразователь;
б) окно трансформатора

Экранирующая обмотка трансформатора в большинстве случаев позволяет удовлетворить требованиям медицинских стандартов электробезопасности в части ограничения токов утечки на пациента. Тем не менее, поскольку число витков обмотки экрана и вторичной обмотки, как правило, не совпадают, особенно если экранирующая обмотка выполнена из фольги, синфазный ток не уменьшается до нуля. При всех достоинствах экранирующей обмотки следует отметить и недостатки этого способа. Из-за увеличения расстояния между первичной и вторичной обмотками возрастает индуктивность рассеяния, а при высокой рабочей частоте в экранирующей обмотке увеличиваются потери из-за вихревых токов. Таким образом, в экранирующей обмотке следует использовать тонкую фольгу, желательно толщиной не более 100 мкм.

Балансировка с помощью добавочного конденсатора

Рассмотрим топологию обратноходового преобразователя со вспомогательной обмоткой для обратной связи. Его схема приведена на рис. 6а. Паразитные связи между первичной обмоткой N_PS и вспомогательной N_AUX исключим из рассмотрения, поскольку ток между этими обмотками протекает через паразитные емкости только с первичной стороны и не влияет на синфазный ток.

Рис. 6.
а) схема обратноходового преобразователя со вспомогательной обмоткой;
б) схема замещения из четырех конденсаторов;
в) упрощенная эквивалентная схема из двух конденсаторов

Для описания связей между вторичной и первичной обмотками, а также между вторичной и вспомогательной обмотками, можно воспользоваться эквивалентной схемой из четырех конденсаторов (рис. 6б). Будем считать, что импеданс входного конденсатора для синфазного тока невелик и им можно пренебречь, поэтому выводы «А» и «Е» трансформатора закорочены на землю P-GND. Далее с помощью описанных в [1] приемов перейдем к упрощенной эквивалентной схеме из двух конденсаторов (рис. 6в). Емкость конденсатора C_BD определяется из соотношения (1):

C_BD = C₂× [1 – (1/N_PS)] – (C₃/N_PS) + C₄ + C_AS2× [(1/N_AUX) – (1/N_PS)] (C_AS3/N_PS) + (C_AS4/N_AUX).               (1)

Как показано в [1], это уравнение можно свести к выражению (2):

C_BD = (V_AD/V_AB)×C_TOTAL ,       (2)

где C_TOTAL = C₁ + C₂ + C₃ + C₄.

Как следует из уравнения (1), емкость можно значительно уменьшить, если увеличить отрицательные члены этого соотношения. Самый простой путь для этого состоит в установке дополнительного внешнего конденсатора C_EXT параллельно C₃. Величина емкости этого конденсатора определится из простой формулы:

C_EXT = N_PS×C_BD.       (3)

Если же величина емкости C_BD, полученной из (1), имеет отрицательное значение, внешний конденсатор следует подключить параллельно емкости C₄ между выводами «B» и «D».

Способ намотки обмоток трансформатора для уменьшения синфазных помех

Альтернативой применению добавочных конденсаторов может служить способ намотки обмоток трансформатора с чередованием. При этом слои обмоток чередуются друг с другом таким образом, чтобы слои, в которых скорость изменения напряжения вдоль обмотки идентична или мало отличается, чередуются и располагаются рядом друг с другом. В этом случае уменьшается и синфазный ток через паразитные емкости. Подобная схема намотки и распределения напряжения по слоям обмотки приведена на рис. 7.

Рис. 7.
а) схема чередующейся намотки;
б) распределение напряжения в слоях обмотки

Как видно из рис. 7, скорости изменения напряжения по высоте в слоях вторичной обмотки S1 и S2 противоположны по знаку изменению напряжения в слое первичной обмотки P1, расположенном между слоями S1 и S2. Поэтому, даже несмотря на то, что при таком способе намотки паразитная межобмоточная емкость увеличивается, синфазные токи уменьшаются. Кроме того, такой способ намотки приводит к уменьшению индуктивности рассеяния. К сожалению, в этом случае невозможно использовать экранирующую обмотку.

Для того чтобы компенсировать синфазный ток между слоем вторичной обмотки S2 и дополнительной обмоткой можно домотать обмотку AUX. Этот способ показан на рис. 8. Дополнительная часть обмотки AUX имеет обозначение AdjAUX и расположена слева от секции вторичной обмотки S1. Поскольку секция AdjAUX находится с наружной части обмотки, не составляет большого труда подобрать требуемое число витков секции AdjAUX для минимизации синфазного тока.

Рис. 8. Намотка трансформатора с дополнительной секцией

Причем эта секция может не использоваться в электрической схеме, и ее неподключенный к земле вывод можно оставить «висеть в воздухе». Разумеется, все манипуляции с обмоткой проводятся на опытном образце трансформатора, после чего уточняется документация и трансформатор поступает в серийное производство.