RC吸收电路对电动汽车双向充电器放电模式下电磁传导干扰的影响

1  引言

电磁干扰是电子设备在正常工作时产生的干扰信号电平，主要包括传导干扰和辐射干扰两大类，其中传导干扰是指各类导电路径进行传播的干扰，所以说只要有电路连接就有可能有传导干扰，较大的传导干扰会导致电子设备运行错乱乃至无法运行。电源设备抗传导干扰的好坏，将影响设备的质量。传导干扰的产生的一个主要原因是，由于电路中的电感和电容的存在，使开关期间在导通和关断过程中，产生的不规则脉冲。

通常为减小电磁传导干扰采用额外增加滤波器的方法，但这种方法不仅会增加设备体积，减小设备的功率密度，而且还会造成成本的增加。本文将研究采用吸收电路吸收脉冲尖峰，从而从根源出减小传导干扰的产生。

2   C、RC、RCD吸收电路比较

通常采用的吸收电路有C、RC、RCD三者吸收电路，下面我们对这三者电路进行比较分析：

（1）C吸收电路，是在开关管Q上并联一个电容C，类似于谐振复位正激的电路，因为开关管上的电压尖峰是漏感L和Q的结电容振荡产生的，如果在开关管Q两端并联电容C，那么可以改变LC振荡的频率与幅值，但是电容C的选择需要考虑；首先需要查考开关管Q的结电容Cds，如果电容C比Cds小很多，那么并联了也不起效果；电容值的选择还必须考虑附加产生的损耗，因为存储在电容C上的能量在开关管Q开通时是全部消耗的，这部分损耗是因为加了电容C多出来的；另外还需要考虑在吸收过程中在电容C上产生的电流所产生的损耗，当开关管Q关断时，Vds以某一斜率上升，其电流不是很大；但是在谐振正激电路中电容C就必须小心了，一般在谐振正激电路中电容C会取到几十纳法左右，电流较大，那么电容C需要选择较大封装的电容以承受这么大的电流冲击；


（2）RC吸收网络的损耗来源可以认为来自两个方面：即使没有漏感，因为dv/dt的存在，RC上一定存在一个充放电的过程，在设计过程中，RC的时间常数一般远小于开关周期。所有参数不变，电压的上升及下降速度越快，电阻上损耗越大。所有参数不变，加大电阻，电阻上的损耗增加。所有参数不变，加大电容，电阻上的损耗增加。

从理论角度看，最后漏感的能量全部损耗在电阻上，所以电阻上因为漏感的原因产生的损耗不会随RC选取的不同而变化但是如果改变了RC，那么整个的LRC的谐振系数会变化，漏感产生的尖峰是变化的。

考虑漏感的存在，可以认为漏感是一个初始激励电流，最后通过RLC电路阻尼振荡吸收，所以不论RC如何取值，只要满足振荡频率远小于开关频率，保证在（1-D）开关周期内振荡阻尼完成，那么最后漏感的能量全部在R上损耗掉。


（3）RCD吸收网络的能量同样可以认为来自两个方面：没有漏感，只是场效应管关断时在电容C上产生的电压，实际可以看成是一个电压源通过二极管进行峰值采样，采集到的能量通过电阻释放。如果阻容的时间常数远远大于开关周期，可以认为电阻上的电压始终是场效应管关断电压，电阻越大，那么损耗越小，在实际电路中，阻容的时间常数并不是远远大于开关周期，所以电容C上实际是有电压纹波的，仿真的结果显示RC的时间常数越小，电阻R上的损耗越大。从这个角度看，选择的RC常数越大，损耗越小。但是需要注意此处只是考虑电阻上的损耗，实际上在导通的瞬间二极管也流过很大的电流，二极管在这个瞬间也不是理想的PN结，也有损耗存在，这个流过的电流与电压的斜率有关，电压斜率越陡，电流越大；流过的电流也与电容的大小有关，在时间常数不变的情况下，电容越大，则电流越大。所以从二极管损耗的角度看，需要尽量采用大电阻，小电容的RC参数。当然如果考虑漏感的模型，这样的RC参数对吸收漏感的能量是不好的。本文结合实际，选取RC吸收网络进行设计与分析。

3　RC吸收电路设计

电容C的主要作用是吸收，开关管关断时，由于杂散电感等引起的电压峰尖。由于杂散电感受电路布局等的影响，不易直接测量，通常采用实验方法得到。其一般方法为，在没有任何吸收电路是，运用示波器观察开关管关断时其波形振荡情况，从而得到此时振荡周期T1；其后在此开关管两端并上一个已知容值的测量电容C0，在同等条件下，观察此时的振荡周期T2，通过计算可得此时电路的杂散电感。即：



得到杂散电感值后，利用以下公式：



其中，△U为电压过冲值，I为导通电流，LS为寄生电感，可以得到电路的所需电容值：



为保证在电容上的能量能被完全释放，一般要求RC电路的放电时间常数小于开关管1/4个导通时间。即：



但R不是越小越好，过小的吸收电阻会导致电路的电流振荡。因此在满足要求的前提下，R取得尽量大一些，具体可参考以下：



所以，吸收电阻的阻值为：



但由于实际中影响因素较多，具体参数还需结合实际情况。

4  实验结果

本文以AC/DC部分为普通全桥拓扑，DC/DC部分为双有源桥拓扑为基础。在双有源桥拓扑上进行RC吸收电路对电动汽车双向充电器放电模式下电磁传导干扰的影响实验。对交流侧的传导干扰进行分析，具体结构如图１。



通过理论计算和实际调整。原边吸收电路电阻470Ω电容47nf，副边吸收电路电阻40Ω电容4.7nf，电路功率5000W。本文对交流电网侧的传导干扰进行比较，其结果分别如下：

通过图2、图3我们可以得到：同种条件下，未加RC吸收电路，交流侧传导干扰未达标，且扰动量较大；增加合适RC吸收电路后，交流侧传导干扰达到要求值。



5  结论

本文结合拓扑，通过计算和实际调整选取合适的RC吸收电路，电路交流侧的传导干扰大幅下降达到标准要求。所以与开关管并联RC吸收电路可以有效减小开关管在关断过程中产生的电流冲击，从而有效的较小电子设备在工作过程中的传导干扰。电动汽车双向充电器选取合适的RC吸收电路对减小传导干扰保障电网安全是行之有效的。