スイッチング電源の電磁両立性設計手法の解析
スイッチング電源は小型で力率が高いという利点があるため、通信、制御、コンピュータなどの分野で広く使用されています。 ただし、電磁干渉のため、それ以上の応用はある程度制限されます。 本稿では、スイッチング電源の電磁干渉のさまざまなメカニズムを解析し、それに基づいてスイッチング電源の電磁両立性設計手法を提案します。
スイッチング電源の電磁干渉解析
スイッチング電源の構造を図1に示します。まず電源周波数の交流を直流に整流し、さらに高周波に変換し、整流・フィルタ回路を経て安定した直流電圧を出力します。 不合理な回路設計やレイアウト、機械的振動、接地不良などにより、内部電磁障害が発生します。 同時に、トランスの漏れインダクタンスと出力ダイオードの逆回復電流によって生じるピークも潜在的な強力な干渉源となります。
1 内部干渉源
●スイッチ回路
スイッチ回路は主にスイッチ管と高周波トランスで構成されています。 スイッチチューブとそのヒートシンク、ケーシングと電源の内部リード線の間には分布容量が存在します。 それによって生成される du/dt は、比較的大きなパルス、広い周波数帯域、豊富な高調波を持っています。 スイッチング管負荷は高周波トランスの一次コイルであり、誘導性負荷です。 元々オンになっていたスイッチ管がオフになると、高周波トランスの漏れインダクタンスにより逆起電力 E=-Ldi/dt が発生し、その値はコレクタの電流変化率に比例します。漏れインダクタンスに比例し、カットオフ電圧に重畳されてターンオフ電圧ピークが形成され、それによって伝導干渉が形成されます。
●整流回路用整流ダイオード
出力整流ダイオードが遮断されると逆電流が発生し、それがゼロに戻る時間は接合容量などの要因に関係します。 トランスの漏れインダクタンスやその他の分布パラメータの影響で大きな電流変化 di/dt が発生し、周波数が数十メガヘルツに達する強力な高周波干渉が発生します。
● スプリアスパラメータ
スイッチング電源は高周波で動作するため、低周波成分の特性が変化し、ノイズが発生します。 高周波では、浮遊パラメータが結合チャネルの特性に大きな影響を及ぼし、分布容量が電磁干渉のチャネルになります。
2 外部干渉源
外部干渉源は電力干渉と雷干渉に分類でき、電力干渉には「コモンモード」と「差動モード」が存在します。 同時に、AC電力網が整流器ブリッジとフィルタ回路に直接接続されているため、半サイクルでは入力電圧のピーク時間のみが入力電流となり、電力の入力力率が非常に低くなります。供給します（約 0.6）。 さらに、この電流には大量の電流高調波成分が含まれており、系統に高調波「汚染」を引き起こすことになります。
スイッチング電源のEMC設計
電磁干渉には、干渉源、伝送媒体、敏感な機器という 3 つの条件が必要です。 EMC 設計の目的は、これら 3 つの条件のいずれかを破壊することです。 そのために主に回路対策、EMIフィルタリング、シールド、プリント基板の耐干渉設計などが採用されています。
1 スイッチング損失とスイッチングノイズを低減するソフトスイッチング技術
ソフトスイッチングは、共振技術に基づいた、またはハードスイッチングに基づいて開発されたゼロ電圧/電流状態での制御技術を使用した高度なスイッチング技術です。
ソフトスイッチングの実現方法は、元の回路に小さなインダクタやコンデンサなどの共振部品を追加し、スイッチングプロセスの前後に共振を導入し、電圧と電流のオーバーラップを排除することです。 図 2 は、ソフト スイッチング技術を使用した基本的なスイッチング ユニットを示しています。
シールドを使用して放射および誘導干渉を抑制する
スイッチング電源の干渉スペクトルは30MHz以下の周波数帯域に集中しており、直径rは<λ 2π="" is="" mainly="" an="" electromagnetic="" field="" of="" near-field="" nature,="" and="" it="" is="" a="" low-impedance="" field.="" materials="" with="" good="" electrical="" conductivity="" can="" be="" used="" to="" shield="" the="" electric="" field,="" while="" materials="" with="" high="" magnetic="" permeability="" can="" be="" used="" to="" shield="" the="" magnetic="" field.="" in="" addition,="" effective="" shielding="" measures="" should="" be="" taken="" for="" transformers,="" inductors,="" power="" devices,="" etc.="" the="" ventilation="" holes="" on="" the="" shielding="" shell="" are="" preferably="" circular,="" and="" the="" number="" of="" holes="" can="" be="" many="" if="" ventilation="" conditions="" are="" satisfied,="" and="" the="" size="" of="" each="" hole="" should="" be="" as="" small="" as="" possible.="" the="" seams="" are="" to="" be="" welded="" to="" ensure="" electromagnetic="" continuity.="" filtering="" measures="" should="" be="" taken="" at="" the="" lead-in="" and="" lead-out="" lines="" of="" the="" shielded="" enclosure.="" for="" electric="" field="" shielding,="" the="" shielding="" case="" must="" be="" grounded.="" for="" magnetic="" field="" shielding,="" the="" shielded="" case="" does="" not="" need="" to="" be="">
