摘要：目前开关电源广泛使用在各类家电中，其中家电的EMI效果也越来越受到消费者的重视，大部分消费者更愿意去购买一些EMI效果好的家电产品，开关电源作为比较影响产品EMI效果的一部分越来越收到开发人员重视，如何将高频变压器的干扰降至最低，无疑是对开关电源EMI一项重要问题，本文将主要讲述将对变压器屏蔽问题做一定论述。
关键词：高频变压器；电磁屏蔽；平衡干扰；开关电源
一、干扰源分析
开关电源干扰主要集中在一下几个方面：
① 零、火线对地（PE）
② 整流桥后直流母线、强电地对地（PE）
③ 弱电地与强电地之间
④ 直流母线与弱电输出电源之间
⑤ 高频变压器磁芯与强电地之间
⑥ 高频变压器强弱电不同绕组之间
1、初级绕组对磁芯干扰
初级绕组在工作时会导致磁芯上感应出一定寄生寄生电容，这个感应电容可以通过示波器大概观测出来，在磁芯没有做任何屏蔽的情况下通过示波器观察该电压较大，由于开关电源工作在高频下该寄生电容存在对地反复充放电现象，这些干扰会以共模噪声的形式影响开关电源的端子骚扰电压，进而影响电器的低、中频段（300KHZ~30MHZ）的EMI效果；若此时硬件开关电源Layout不合理，叠加的干扰因素将会直接导致产品EMI测试不合格。
以反激式开关电源为例，在高频变压器工作时，初级对磁芯存在一定电势差，工作时存在寄生电容，由于这个寄生电容的存在会产生位移电流；位移电流位移电流是电位移矢量随时间的变化率对曲面的积分。英国物理学家麦克斯韦首先提出这种变化会产生磁场的假设，并称其为“位移电流”。但位移电流只表示电场的变化率，与传导电流不同，它不产生热效应、化学效应等。随着寄生电容不断充放电，初级绕组会以位移电流的方式对磁芯产生干扰。
2、初、次级之间的干扰
常规的变压器绕法是先绕初级再绕次级，特殊绕法的变压器，如三明治绕法变压器将初级分为两股，先绕初级，再绕次级，接着再绕一层初级；无论是哪一种绕法，在变压器工作时初级的高电压对次级都存在比较大的电势差，在电势差作用下会产生感应电流，感应电流的方向为初级流向次级；在高频变压器反复快速度开通、关断时会产生比较大的电压变化，由电压变化率产生的干扰会在感应电流作用下影响次级，从而导致高频变压器产品EMI效果变差。
二、解决方式
为了降低变压器自身带来的EMI问题，必须从干扰源入手，初级绕组对磁芯，初、次级之间分别将干扰降低，降低干扰的方式有：
1、减小不同绕组之间的寄生电容，减小由寄生电容产生的感应电流；
2、对于无法消除的感应电流，可以将初级对次级产生的感应电流与次级对初级产生的感应电流做抵消，达到动态平衡；
3、对于悬空的磁芯，可以采用接地方式将磁芯上的感应电动势强制拉至0V，初级电压变化不对磁芯产生感应电动势，磁芯上的感应电动势也不会影响初级绕组；
三、初级对磁芯产生的干扰解决方式
引入磁芯平衡屏蔽绕组，将初级绕组对磁芯产生的干扰通过平衡屏蔽绕组抵消，开关电源工作时初级绕组高电压对悬空的磁芯存在感应电动势，会在磁芯上产生对应的感应电动势；在初级侧开关电源MOS关断瞬间由变压器上感应的电动势会对已经为0V的初级侧放电，从而产生干扰；以图一为例，详细介绍磁芯屏蔽绕组作用；
假设直流母线电压（接1引脚）为0V，在P2上电压为+54V，磁芯电位近似为0V，则此时P2对磁芯存在寄生电动势，该电动势为54V，方向P2→core，此时由寄生电容式产生的感应电流方向为P2→core；
此时引入磁芯屏蔽绕组P1，P1上电压为-22V，由于磁芯电位为0V，此时磁芯对P2存在寄生电动势，该电动势为22V，方向为core→P1，由寄生电容式产生的感应电流方向为core→P1，如图二所示；
由此可知，平衡屏蔽绕组作用为将初级与磁芯之间产生感应电流抵消掉，方式为初级流向磁芯与磁芯流向初级的感应电流方向相反，大小相同（通过调整磁芯屏蔽绕组圈数可以做到接近），从而降低初级的开关变化对磁性造成的干扰。
屏蔽绕组起点为初级的输入端，终点引脚悬空，同名端与初级其他绕组保持一致，这样屏蔽绕组的电压变化率与初级保持一致，即平衡频闭绕组与初级绕组之间上不会产生感应电流，始终同增长，共变化；
由电容的计算公式可知：C＝εS/4πkd＝εδS/d.故δ＝1/4πk.
其中：
ε：介质介电电常数（相对介电常数）
δ：真空中的绝对介电常数 ＝8.86× F/m
k：静电力常量，k＝8.9880×10，单位：Nm /C（牛顿?米2/库仑2）
π：3.1415926……
S：两极板正对面积
d：两极板间垂直距离
初级对磁芯上产的感应电动势会由初级与磁芯的接触面积、初级与磁芯的垂直距离发生变化，同时电流在导体中存在趋肤效应（当导体中有交流电或者交变电磁场时，导体内部的电流分布不均匀，电流集中在导体的“皮肤”部分，也就是说电流集中在导体外表的薄层，越靠近导体表面，电流密度越大，导线内部实际上电流较小。结果使导体的电阻增加，使它的损耗功率也增加。这一现象称为趋肤效应（skin effect）。）；在增加磁芯屏蔽绕组后初级与磁芯之间的寄生电容会发生变化，在分析解决初级、磁芯之间的寄生电容影响问题时应该以实际调试为准；
四、初级对次级产生的干扰解决方式
初级与次级之间在高电压差下产生的寄生电容，会在初级开通关断、次级反激开通时产生干扰，两者之间相互干扰会影响高频变压器EMI效果；详见图三；
如图四所示：为了降低初级绕组与次级绕组之间的干扰，引入平衡屏蔽绕组（初级侧），在平衡屏蔽绕组作用下，初级、次级之间的距离被拉开，此时，初级对次级的寄生电容减小，影响降低，同时，次级对平衡屏蔽绕组存在电势差，产生感应电流，感应电流方向为次级→初级（平衡频闭绕组），这与初级→次级的感应电流方向相反，起到抵消作用，将初级对次级减弱部分感应电流抵消。
图四：增加平衡屏蔽绕组后初级、次级感应电流方向
如图五所示：分析平衡屏蔽绕组与次级绕组电压变化关系，在初级MOS关断瞬间，次级反击电动势与初级绕组上电压形成电场，在绕组间电场的作用下次级向初级流入感应电流，这部分感应电流用于抵消掉初级对次级的剩余影响（初级对次级的寄生电容随着初级与次级之间垂直距离增大而减小，产生的感应电流减小），初级绕组与平衡屏蔽绕组间不存在感应电动势（同名端相同，都属于初级部分，电压变化率一致），初、次级之间达到动态的感应电流平衡。
高频变压器作为开关电源部分重要的一环，其产品EMI性能的好坏直接影响消费类家用电器的EMI性能，用户在享受家电为生活带来便利的同时，不会由于电器EMI问题对身体造成的影响，让用户可以更加放心使用家电，分析高频变压器细节对EMI的影响，从而做优做精产品，让产品更有市场竞争力。
参考文献：
[1]杨克俊.电磁兼容原理与设计技术[Z].2011（2）.
[2]钱照明.电磁兼容设计基础及干扰抑制技术[Z].2010（12）.
[3]康华光.电子技术基础模拟部分[Z].2008（1）.
论文作者:李坚
论文发表刊物:《电力设备》2018年第16期
论文发表时间:2018/10/1
标签：绕组论文; 次级论文; 感应电流论文; 磁芯论文; 电动势论文; 干扰论文; 屏蔽论文; 《电力设备》2018年第16期论文;