ZHCT983 September 2025 LM5180-Q1 , LMG3522R030-Q1 , SN6507-Q1 , UCC14341-Q1 , UCC25800-Q1
小型隔離式電源可在電動汽車牽引逆變器、工廠控制模塊等各種應用中跨越隔離屏障提供電力。本《電源設計小貼士》將剖析不同的隔離式偏置電源拓撲及其電磁干擾 (EMI) 性能。如您所見，隔離式變壓器兩端的寄生電容是導致共模噪聲傳播的主要因素。
在牽引逆變器中，柵極驅動器會驅動大功率開關（通常為絕緣柵雙極晶體管 (IGBT) 或碳化硅 (SiC) MOSFET），實現高壓電池與電機之間的能量轉換（見圖 1）。柵極驅動器通常采用隔離設計，其 IC 的一部分連接低壓域（初級側），另一部分連接高壓域（次級側）。柵極驅動控制信號來自初級側的微控制器，通過隔離屏障傳遞至次級側來控制功率開關的通斷。
圖 1 采用隔離式柵極驅動器的牽引逆變器。來源：德州儀器 (TI)隔離式柵極驅動器的次級側需要一個隔離式電源來進行電源開關的導通和關斷（見圖 2）。
圖 2 隔離式偏置電源跨隔離屏障為隔離式柵極驅動器供電。來源：德州儀器 (TI)隔離式偏置電源的額定功率通常相當低，不到 10W。可通過下面的公式估算其功率要求：
其中 VDRV 是柵極驅動電壓，Qg 是開關柵極電荷，FSW 是開關的開關頻率（不是隔離式偏置電源開關頻率）。柵極驅動電壓取決于所選擇的開關，但通常在正電源軌上為 +15V 至 +25V，在負電源軌上為 –8V 至 0V。
隔離式偏置電源的常見拓撲包括反激式、推挽式和電感器-電感器-電容器 (LLC)。一些全集成電源模塊（封裝內含變壓器）在初級側使用全橋配置。德州儀器 (TI) 的 LM5180-Q1 等反激式轉換器具有很高的知名度，可提供良好的輸出電壓調節能力，效率極高，可設計為不使用光耦合器（使用初級側調節），并且可提供多路隔離式輸出。它們的缺點在于頻率范圍上受限 (<350kHz)，并且變壓器尺寸較大。推挽式轉換器（例如 TI 的 SN6507-Q1）和 LLC 轉換器（例如 TI 的 UCC25800-Q1）結構簡單，但沒有閉環反饋。這會影響輸出電壓調節，可能需要前置穩壓器和/或后置穩壓器。集成式電源模塊（例如 TI 的 UCC14341-Q1）可以調節輸出電壓，并且簡單小巧，但它們的缺點是功率輸出有限（通常小于 1.5W）并且比替代方案效率更低。
關于不同拓撲的 EMI 性能，您可能會疑問：特定拓撲對電磁兼容性結果的影響更大還是更小？為了解決這些問題，我們首先來考察一下隔離式變壓器。變壓器繞組之間確實存在一些寄生電容，當牽引逆變器開關節點 (VSW) 在 HV+ 和 HV– 節點之間切換時，該電容會進行充電或放電。在開關切換期間，共模電流的短脈沖會對寄生電容充電或放電。共模電流與寄生電容和開關節點轉換率 (dv/dt) 成正比。您可能已看到，氮化鎵 (GaN) 和 SiC 等寬禁帶半導體會產生更大的電容或更快的開關節點轉換率，從而導致更大的共模電流。圖 3 突出顯示了此寄生電容以及用于對其進行充電和放電的共模電流。
圖 3 當開關節點 (VSW) 切換時，共模電流會為變壓器寄生電容充電。來源：德州儀器 (TI)轉換器拓撲確實會影響變壓器設計和由此產生的寄生電容。反激式轉換器變壓器（如果您更喜歡，也可稱為耦合電感器）的設計在初級側和次級側之間實現強耦合，以降低漏感。漏感會導致緩沖器電路中出現不必要的電壓尖峰和功率損耗。設計低漏感的不利影響在于，繞組間電容通常會增加，可以達到是 20pF 或更高。與之相反，通過設計使 LLC 轉換器可在其諧振元件中利用變壓器的漏感。因此在設計變壓器時無需刻意追求最小化漏感，其寄生電容可控制在 2pF 左右。如您所見，這有助于減少共模電流。
表 1 展示了對四種隔離式偏置拓撲研究中的一些參數，用于通過實驗驗證變壓器寄生電容對共模電流的影響。所有轉換器都設計用于 15VIN、15VOUT、1.5W 應用。每種拓撲的開關頻率基于典型值，并相應地進行變壓器設計。如您所見，反激式轉換器變壓器的漏感最低，寄生電容最高。LLC 轉換器變壓器具有最高的漏感和最低的寄生電容。
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對這些隔離式偏置電源拓撲的比較過程執行了廣泛的測試：效率、負載調節、輸入和輸出紋波、熱性能以及傳導和輻射 EMI。為了關注系統中隔離接地之間測得的共模電流，我們的同事在兩個接地之間連接了一根導線，并在 400V 時開啟和關閉大功率開關（在本例中，是使用 LMG3522R030-Q1 的 GaN 半橋）時測量了共模電流。圖 4 和圖 5 分別顯示了 40V/ns 和 100V/ns 高壓開關節點轉換率的結果。
圖 4 開關節點上 40V/ns 轉換率下的共模電流比較。通道 1 是高壓開關節點 (200V/div)，通道 2 是共模電流 (500mA/div)。來源：德州儀器 (TI)
圖 5 開關節點上 100V/ns 轉換率下的共模電流比較。通道 1 是高壓開關節點 (200V/div)，通道 2 是共模電流 (500mA/div)。來源：德州儀器 (TI)測量結果表明，反激式變壓器的共模電流最大（在 40V/ns 和 100V/ns 轉換率下分別為 935mA 和 1,420mA）。這是正常現象，因為該變壓器具有最大的寄生電容。而且，由于 LLC 轉換器具有最低的寄生電容，因此測得的共模電流最小（在 40V/ns 和 100V/ns 轉換率下分別為 197mA 和 570mA）。大共模電流尖峰會產生不利影響，因為它們會將高壓域的噪聲傳導至低壓域，引發地彈噪聲，并可能導致轉換器運行不良（包括脈沖丟失、調節失效或意外關機）。
共模電流可能特別難以抑制。解決共模電流問題的最佳方法之一是從源頭避免生成共模電流。雖然此處討論的應用是電動汽車中的牽引逆變器，但該應用的原理也適用于并網轉換器和服務器電源等應用。