电源电磁兼容领域成果发布

基于场路耦合的反激变换器板级辐射研究

研究背景

随着无线充电、电动汽车等新能源技术的快速发展，电源产品逐渐趋向高频化、小型化，随之产生的电磁干扰(EMI)问题正变得日益严重。针对电源产品的辐射干扰，传统的仿真预测方法普遍基于两个基本假设：①输入输出线缆是主要的辐射源；②共模电流是造成输入输出线缆辐射的主要原因。基于场路耦合的仿真思路，建立MOSFET的电磁场有限元模型和高频变压器的等效高频电路模型,联合ANSYS SIwave、HFSS和Circuit Designer进行场路耦合仿真通过实验验证仿真的正确性，为实际研发生产提供参考。

成果简介

基于场路耦合的仿真思路，建立MOSFET的电磁场有限元模型和高频变压器的等效高频电路模型。结合从SIwave电磁仿真软件中提取的PCB网络参数，对反激变换器的板级辐射干扰进行联合仿真，并对比了两种高频变压器模型对远场仿真结果的影响。实验结果表明，在230MHz以内的频段3m远场仿真超标频点与实测吻合，验证了本仿真方法的正确性，且简化的变压器二电容模型具有更宽频带的适用性；所得到的近场电磁场分布表明MOSFET和变压器副边的整流二极管是主要的辐射源。

亮点提炼

如图1所示，HFSS和SIwave分别对MOSFET和PCB板进行提取得到S参数；将S参数传输到Circuit Designer仿真平台，设置变压器的高频电路模型、有源器件的电路模型，并在关键节点添加电压电流激励，进行电路瞬态仿真；所得到的含激励源信息的S参数文件被传输回SIwave仿真平台；SIwave读取Circuit Designer传输回来的激励源数据，最终实现整块电路板远场和近场辐射干扰的仿真预测。

图1 仿真原理图

建立MOSFET有限元模型和高频变压器模型，得到变压器三电容、简化二电容模型的3m远场辐射仿真曲线，如图2所示。

    图2  3m远场仿真曲线

反激变换器近场辐射做仿真分析。30MHz频点处的电场仿真结果呈现如图3，磁场仿真结果如图4。可以看出，所用变压器高频模型不同，近场辐射计算结果也有所差别。从图3可以判断，电场辐射源均为MOSFET及其周边的电路结构；而图4磁场辐射源的位置有所不同。

(a) 三电容模型近场电场分布

(b) 简化的二电容模型近场电场分布

图3 近场电场分布仿真

(a)三电容模型近场磁场分布

(b)简化二电容模型近场磁场分布

图4 近场磁场分布仿真

如图5是在赛宝实验室3m电波暗室的测试曲线。可以看出，超标的部分均在230MHz以内的低频段。选取230MHz以内几个辐射的极大值点与仿真结果进行比较。

图5 3m远场实测曲线

通过对比，实测超标的频点与仿真结果一致，仿真对应频点的幅值与实测幅值进一步比较，得到幅值的误差(如图6所示)。可以看出，采用二电容模型的仿真结果与实测结果吻合度较大，宽频特性优于三电容模型，更适用于反激变换器辐射干扰的仿真预测。进一步的可以从图3(b)和图4(b)的近场电磁场分布看出，MOSFET和变压器副边的二极管是主要的辐射源。

图6 3m远场与实测对比

前景与应用 

将MOSFET三个引脚等效为三个天线，通过建立有限元模型，仿真分析得到其d极引脚辐射最强的结论；联合Circuit Designer电路仿真平台和SIwave、HFSS电磁场仿真平台对反激变换器的板级辐射进行仿真分析，通过3m远场测试验证本文仿真方法的正确性，同时验证了变压器高频电路模型对辐射仿真有影响，其中简化的二电容更适应于230MHz以内频段的辐射仿真；从近场电磁场分布可以看出，MOSFET和变压器副边的整流二极管是主要的辐射源。为此，针对反激变换器的EMC整改可以重点对MOSFET和变压器副边的二极管实施有效的屏蔽或抑制瞬变电压电流的措施。