在电子设备的设计中，电磁干扰（EMI）问题一直是工程师们关注的重点。尤其是在一些对电磁兼容性要求较高的应用场景中，如电动汽车牵引逆变器、工厂控制模块等，如何有效降低 EMI 干扰，确保系统的稳定运行，是一个亟待解决的问题。而在这些系统中，隔离式偏置变压器的寄生电容对 EMI 性能有着重要的影响。本期，我们将跟随德州仪器的视角，深入探讨隔离式偏置变压器寄生电容对 EMI 性能的影响。
隔离栅极驱动为何需要偏置电源
在牵引逆变器中，栅极驱动器扮演着重要的角色。它主要负责驱动大功率开关，通常是绝缘栅双极晶体管（IGBT）或碳化硅（SiC）MOSFET，以实现高压电池与电机之间的能量转换，具体如图 1 所示。
为了保证系统的安全性和可靠性，栅极驱动器一般采用隔离设计。其集成电路（IC）的一部分连接低压域（初级侧），另一部分连接高压域（次级侧）。栅极驱动控制信号由初级侧的微控制器发出，通过隔离屏障传递至次级侧，从而控制功率开关的导通和关断。而隔离式栅极驱动器的次级侧需要一个隔离式电源，用于实现电源开关的导通和关断操作，如图 2 所示。
隔离式偏置电源的额定功率通常较低，一般不到 10W。其功率要求可以通过公式估算得出：其中VDRV是栅极驱动电压，Qg是开关栅极电荷，FSW是开关的开关频率（并非隔离式偏置电源开关频率）。栅极驱动电压通常取决于所选择的开关，一般在正电源轨上为 +15V 至 +25V，在负电源轨上为 –8V 至 0V。
是开关的开关频率（并非隔离式偏置电源开关频率）。栅极驱动电压通常取决于所选择的开关，一般在正电源轨上为 +15V 至 +25V，在负电源轨上为 –8V 至 0V。
常见隔离偏置拓扑及其取舍
隔离式偏置电源常见的拓扑结构有反激式、推挽式和电感器 - 电感器 - 电容器（LLC）。此外，一些全集成电源模块（封装内含变压器）在初级侧采用全桥配置。德州仪器（TI）的 LM5180 - Q1 等反激式转换器具有较高的度，它能够提供良好的输出电压调节能力，效率也比较高，并且可以设计为不使用光耦合器（采用初级侧调节），还能提供多路隔离式输出。不过，它也存在一些缺点，例如频率范围受限（<350kHz），并且变压器尺寸较大。推挽式转换器（如 TI 的 SN6507 - Q1）和 LLC 转换器（如 TI 的 UCC25800 - Q1）结构相对简单，但缺乏闭环反馈机制，这会对输出电压调节产生一定的影响，可能需要前置稳压器和 / 或后置稳压器。集成式电源模块（如 TI 的 UCC14341 - Q1）可以调节输出电压，并且体积小巧，但功率输出有限（通常小于 1.5W），并且效率相对较低。
寄生电容如何产生共模电流
不同拓扑结构的隔离式偏置电源在 EMI 性能方面存在差异。那么，特定拓扑对电磁兼容性结果的影响究竟是大还是小呢？为了深入了解这个问题，我们先来分析一下隔离式变压器。实际上，变压器绕组之间存在一定的寄生电容。当牵引逆变器开关节点 (VSW) 在 HV + 和 HV– 节点之间切换时这个寄生电容会进行充电或放电。在开关切换期间，会产生共模电流的短脉冲，用于对寄生电容进行充电或放电。共模电流与寄生电容和开关节点转换率 (dv/dt) 成正比。由此可见，像氮化镓（GaN）和 SiC 等宽禁带半导体，由于它们会产生更大的电容或更快的开关节点转换率，从而会导致更大的共模电流。如图 3 所示，突出展示了此寄生电容以及用于对其进行充电和放电的共模电流。
转换器拓扑结构会对变压器设计以及由此产生的寄生电容产生影响。反激式转换器变压器（也可称为耦合电感器）的设计目标是在初级侧和次级侧之间实现强耦合，以降低漏感。因为漏感会导致缓冲器电路中出现不必要的电压尖峰和功率损耗。然而，设计低漏感的同时，绕组间电容通常会增加，可能达到 20pF 或更高。与之相反，LLC 转换器可以在其谐振元件中利用变压器的漏感，因此在设计变压器时无需刻意追求化漏感，其寄生电容可控制在 2pF 左右，这有助于减少共模电流的产生。
四种拓扑的共模电流实测对比
为了通过实验验证变压器寄生电容对共模电流的影响，表 1 展示了对四种隔离式偏置拓扑研究中的一些参数。所有转换器均设计用于 15VIN、15VOUT、1.5W 的应用场景。每种拓扑的开关频率基于典型值，并相应地进行变压器设计。从表中可以看出，反激式转换器变压器的漏感，但寄生电容；而 LLC 转换器变压器具有的漏感和的寄生电容。
在对这些隔离式偏置电源拓扑的比较过程中，进行了广泛的测试，包括效率、负载调节、输入和输出纹波、热性能以及传导和辐射 EMI 等方面。为了重点关注系统中隔离接地之间测得的共模电流，测试人员在两个接地之间连接了一根导线，并在 400V 时开启和关闭大功率开关（在本例中，使用的是 LMG3522R030 - Q1 的 GaN 半桥），同时测量共模电流。图 4 和图 5 分别显示了 40V/ns 和 100V/ns 高压开关节点转换率的测试结果。
测量结果表明，反激式变压器产生的共模电流（在 40V/ns 和 100V/ns 转换率下分别为 935mA 和 1,420mA），这是因为该变压器具有的寄生电容。而 LLC 转换器由于具有的寄生电容，因此测得的共模电流（在 40V/ns 和 100V/ns 转换率下分别为 197mA 和 570mA）。大共模电流尖峰会带来不利影响，它会将高压域的噪声传导至低压域，引发地弹噪声，还可能导致转换器运行不良，如出现脉冲丢失、调节失效或意外关机等情况。
从源头抑制共模电流
共模电流的抑制是一个具有挑战性的问题。解决共模电流问题的方法之一是从源头避免其生成。虽然本文讨论的应用场景主要是电动汽车中的牵引逆变器，但相关的原理同样适用于并网转换器和服务器电源等其他应用。在设计隔离偏置电源时，工程师们需要综合考虑调节能力和低 EMI 性能等因素。那么，在实际设计中，你们更看重调节能力还是低 EMI 呢？欢迎大家分享自己的观点和经验。
