高周波スイッチング電源の電磁適合性設計スキーム
高周波スイッチング電源自体に存在する電磁妨害（EMI）問題が適切に処理されないと、電力網に汚染を引き起こしやすくなり、他の電気機器の通常動作に直接影響を与えるだけでなく、流入空間に電磁汚染が発生し、その結果、高周波スイッチング電源の電磁両立性 (EMC) 問題が発生します。 本稿では、鉄道信号用電源スクリーンに使用される1200W（24V/50A）高周波スイッチング電源モジュールにおける規格を超える電磁波障害を解析し、改善策を提案します。
高周波スイッチング電源によって発生する電磁妨害は、伝導妨害と放射妨害の 2 つのカテゴリに分類できます。 伝導妨害は、周波数が 30MHz 未満の AC 電源を通じて伝播します。 放射妨害波は、周波数が 30 ～ 1000MHz の範囲で空間を伝播します。
高周波スイッチング電源における電磁妨害源の解析
スイッチングパワートランジスタは、高周波の導通状態と遮断状態で動作します。 スイッチング損失を削減し、電力密度と全体の効率を向上させるために、スイッチ トランジスタの開閉速度はますます高速化しており、通常は数マイクロ秒です。 スイッチ トランジスタはこの速度で開閉し、サージ電圧とサージ電流を形成します。これにより、空間および AC 入力ラインに高周波および高電圧のピーク高調波と電磁干渉が発生します。
高周波トランス T1 は電力変換を行うと同時に交流電磁界を発生させ、電磁波を空間に放射して放射障害を形成します。 変圧器の分布インダクタンスと分布容量により発振が発生し、この発振が変圧器の一次段間の分布容量を介して AC 入力回路に結合され、伝導障害が形成されます。
出力電圧が比較的低い場合、出力整流ダイオードは高周波スイッチング状態で動作し、電磁障害の原因にもなります。
ダイオードのリード線の寄生インダクタンスと接合容量、および逆回復電流の影響により、ダイオードは高い電圧と電流の変化率で動作します。 ダイオードの逆回復時間が長いほど、ピーク電流の影響が大きくなり、外乱信号が強くなり、差動モードの伝導外乱である高周波減衰発振が発生します。
生成されたすべての電磁信号は、電力線、信号線、接地線などの金属線を介して外部電源に伝達され、伝導障害を形成します。 放射障害は、ワイヤやデバイスを介して放射される干渉信号、またはアンテナとして機能する相互接続ワイヤによって発生します。
3. 高周波スイッチング電源の電磁障害に対する電磁両立性設計
スイッチング電源の入口にパワーフィルタを追加し、スイッチング電源から発生する高次高調波を抑制します。
入力および出力電力線にフェライト磁気リングを追加すると、電力線内の高周波コモンモードを抑制し、電力線を介して放射される妨害エネルギーを低減できます。
差動モード放射のループ領域を減らすために、電力線はできるだけアース線に近づける必要があります。 入力と出力の間の電磁結合を軽減するために、入力 AC 電源ラインと出力 DC 電源ラインを別々に配線します。 信号線は電源線から離れてアース線の近くに配線する必要があり、回路のループ面積を減らすために長すぎないようにします。 PCB 基板上の線の幅は急激に変化してはならず、角は円弧で移行し、直角や鋭い角をできる限り避けてください。
チップ上にデカップリング コンデンサを取り付け、MOS スイッチ チューブをデバイスと平行な電源ピンとグランド ピンのできるだけ近くに取り付けます。
アース線に Ldi/dt が存在するため、PCB 基板とシャーシは銅柱によって間接的に接続されます。 銅柱接続に適さないものは太い線を使用し、近くで接地してください。
サージ電圧を吸収するため、スイッチ管と出力整流ダイオードの両端にRC吸収回路を追加してください。
