学术︱一种兼顾效率和电磁兼容的反激变压器设计
福州大学电气工程与自动化学院的研究人员曾智强、郑心城、陈为，在2015年第10期《电气技术》杂志上撰文，三明治绕法通常用来增大变压器初、次级绕组之间的耦合系数，减小漏感，提高电源整体效率。但该方法往往会恶化共模传导电磁干扰。本文基于次级绕组净感应电荷的理论模型，深入分析了屏蔽体接地点位置及屏蔽高度对变压器共模传导EMI的影响。提出在反激变压器采用三明治绕法的同时，调节屏蔽层与次级绕组之间间距的方法来兼顾整个系统的效率和电磁兼容问题。采用优化设计的反激变压器使得系统的效率提高2.31%，共模传导EMI改善了15dB。实验结果验证了理论分析的正确性和实际有效性。
近年来，便携式、可移动式电子产品的使用越来越广泛。而这些设备大部分都需要通过外部电源适配器来供电。这些电源适配器一般采用反激电源电路。因为其电路简单、工作稳定可靠、易于控制、体积较小且成本也相对较低。而反激电源效率及EMI的特性优化设计一直是电源工作者的研究热点之一。
效率是衡量电源性能的一个重要参数。随着人们对节能和环保的日益重视，全球各国对于产品能源利用效率的要求也日益提高。文献[1-5]利用软开关技术和同步整流技术来减小变换器的开关损耗，从而提高整机效率。而反激变压器作为反激电路不可或缺的关键器件之一，其体积、重量约占整个电路的20%-30%，损耗约占总损耗的30%[6]。因此，为了使电源设计符合电力电子技术沿着高频、高效率、高功率密度方向发展的要求，变压器成为其优化的首选对象。
文献[7]通过绕组交叉换位技术及改变磁芯气隙与绕组的相对位置对高频磁性元件进行优化，从而提高整机效率。另一方面，为了减小体积和重量，从而提高变换器的功率密度，最常用的方法是提高频率[8]。但不管是通过改变绕组的绕制方法来提高变换器的效率，还是通过增大频率来提高变换器的功率密度，往往会带来另一个问题电磁干扰。因为功率开关器件和磁性器件本身具有的非线性特性，在高频工作频率下，电压、电流的变化率很大，会产生很强的电磁干扰。
文献[9]从共模噪声的耦合途径的角度考虑，基于噪声平衡的原理，提出了增加一个额外的电容和优化变压器绕组间的屏蔽这两个新的方法来减少共模噪声。文献[10]通过增加一个补偿变压器绕组和一个电容器，实现了Buck、Boost、Fly-back、Forward、Buck-Boost等基本变流器中共模干扰的部分抵消。但通过外加补偿电容和补偿绕组来抑制电磁干扰的同时，会带来额外的损耗，使得变换器的效率降低。因此对提高电源的效率的同时减小传导共模EMI的噪声的研究不仅具有重要的理论意义也具有很好的工程实用价值。
本文以反激电源为研究对象，基于次级绕组净感应电荷的理论模型，通过理论计算分析不同的屏蔽体接地点位置及不同的屏蔽高度对变压器共模传导EMI的影响。从而提出一种改进型的三明治绕法来兼顾反激变换器的效率和电磁兼容问题。
图9-a PS绕法共模总噪声 图9-b 普通PSP绕法共模总噪声 图9-c改进型PSP绕法共模总噪声
结论
本文以反激电源为研究对象，通过理论计算和实验分析变压器设计对电源整机效率和电磁兼容的影响，得到以下结论：
(1)变压器原、副边之间的耦合电容是传导共模EMI的主要传输路径，只要控制有效电容CQ的大小便可以控制共模传导噪声总电流的大小达到抑制传导共模EMI的效果；
(2)原、副边绕组之间的屏蔽层高度具有一个最优值使得传导共模EMI得到有效抑制，全屏蔽的效果不一定最好；
(3)原、副边绕组之间的屏蔽层接副边绕组的电位静点时，其抑制传导共模EMI的效果比不加屏蔽层还差。因此，反激变压器原、副边绕组之间的屏蔽层一般接在原边绕组的电位静点上。
(4)变压器若采用普通三明治绕法可以提高电源整机效率，但会恶化传导共模EMI。在变压器采用三明治绕法的基础上，通过增加屏蔽层，并控制屏蔽层与次级绕组之间的距离可以抑制传导共模EMI，同时提高电源的整机效率。
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