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鋰電池車載充電機輸出紋波與噪聲抑制技術研究

來源: 編者:梅建偉 蔣偉榮 程登良 張凱 發布時間:2014-02-11

摘要:對鋰電池車載充電機的輸出紋波噪聲進行了分析,設計了差模噪聲和共模噪聲抑制電路,對兩極LC濾波電路和共模噪聲抑制電路的參數進行了計算。樣機實驗結果表明,車載充電機輸出紋波達到了技術要求,電磁干擾小。
關鍵詞:車載充電機;紋波;噪聲;共模噪聲;差模噪聲
Abstract:
Keyword:

 

隨著對車載充電機的功率密度和效率要求的提高,車載充電機采用高頻開關電源技術,由于電路中濾波電容量的限制、寄生參數的影響以及功率管工作在開關狀態,車載充電機的輸出不可能是純正的直流電壓,這里含有大量的低頻和高頻紋波噪聲。為了提高車載充電機輸出電壓的質量,同時減小車載充電機的電磁干擾,對車載充電機的輸出紋波和噪聲進行抑制具有非常重要的意義。本課題主要研究的是車載充電機端的濾波器。

2、主電路結構

 

圖 主電路結構示意圖

由圖 1可知,車載充電機的輸出紋波主要表現在以下的幾個方面:

低頻紋波:主要由輸入交流電壓經全橋整流濾波形成的,與輸入電路的濾波

電容、輸出電路的濾波電容容量相關,由于電容的容量有限,導致輸出低頻紋波的殘留。紋波的大小由變換器的變比和控制系統的增益決定。

高頻紋波:來源于Boost變換電路以及全橋逆變電路,在充電機的輸出端含

有與開關工作頻率相同頻率的高頻紋波。

寄生參數引起的共模紋波噪聲:由于功率器件與散熱器底板和變壓器原、副

邊之間存在寄生電容,導線存在寄生電感,當矩形波電壓作用于功率器件時,當開關器件工作時,在開關電源的輸出端會產生共模紋波噪聲。

閉環調節控制引起的紋波噪聲:由于車載充電機要求輸出電流和輸出電壓進

行閉環,當輸出端波動時通過反饋網絡進入調節器回路,調節器參數設計的不適當可能導致調節器的自激振蕩,引起附加紋波。

3、處理方法分析

3.1差模噪聲抑制

為了提供穩定的輸出,同時也為了減少電路中的紋波與噪聲,在充電機的輸

出端增加LC低通濾波電路。

    高頻變壓器輸出經二極管全橋整流濾波后,得到的波形為對稱的方波,該方波經傅立葉變換后包含低頻和高頻諧波。同時由于MOSFET工作在開關狀態,由MOSFET形成的高頻噪聲疊加在輸出波形上,而充電機的輸出為0V~175V的直流電壓,因此在全橋不可控整流電路輸出增加如圖 2(a)所示的LC低通濾波電路,由于實際電感具有繞線電阻同時匝間具有分布電容,濾波電容無可避免的含有等效電阻和寄生電感,其包含寄生參數的等效電路如圖 2(b)所示。

 

           (a) LC濾波電路          (b) 包含寄生參數的等效電路

圖 低通濾波電路及其實際等效電路

      從LC濾波電路包含寄生參數的等效電路中可以看出,該電路用作低通濾波是有效的,只適用于低頻信號,這里主要是與逆變器開關頻率相關的諧波信號。圖 3中給出了LC濾波電路的低頻等效電路和高頻等效電路,在高頻情況下,電感的匝間電容和電容的寄生電感在電路中占主導地位,因此LC濾波電路無法有效的衰減高頻傳導方式的噪聲。

  

(a) 低頻等效電路                      (b) 高頻等效電路

圖 等效電路

     如上所述,用一級LC濾波電路要想完全達到平滑電壓和去除噪聲的要求,必須采用幾乎沒有寄生參數的電感和電容組成LC濾波電路,這勢必提高硬件成本,即使如此,高頻特性也不理想。圖 4給出了寬帶濾波電路,第一級LC濾波電路用于消除紋波電流和儲能之用,要求電感工作在不飽和狀態,同時要儲存能量,所以一般采用多層多圈的抗飽和特性好的扼流圈;第二級LC濾波電路主要用于消除較高的開關噪聲,故電感和電容的體積較小,選用寄生參數較小的電感和電容。

    

圖 二階輸出濾波電路            圖 共模輸出濾波電路

3.2共模噪聲抑制

    在車載充電機中,共模噪聲分量是由電源電路和接地平面之間的藕合電容和耦合電感引起的,采用LC濾波電路是無法消除共模噪聲的。除了采用正確的屏蔽和良好的電路布局可以有效的減小共模噪聲外,在車載充電機的輸出端設計合理的共模噪聲抑制電路能夠使共模噪聲減小到最小值。

     在二階輸出濾波電路后的共模噪聲抑制電路如 圖5所示,為共模電感,為去耦電容,在正輸出端的電感和形成一個低通濾波電路,在負輸出端的電感和形成一個低通濾波電路,濾波器都依靠充電機接地系統作為返回通路。

    從制作工藝上來看,共模電感上的兩個線圈不可能做到完全對稱,所以共模電感本身也殘留了部分差模電感部分,因此共模電感對抑制差模信號也有一定的作用。同時,匝數較多時寄生電容無法忽略,因此本課題中采用的共模電感的兩個線圈都只有一匝,這樣對稱性好,同時最低限度的減小寄生電容的影響。

......



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