DC/DC電源變換器電磁兼容性建模與仿真預測

中圖分類號：U463.6；TM401 文獻標志碼：A DOI：10.20104/j.cnki.1674-6546.20250040

EMCModeling and Simulation Prediction ofDC/DC Converter

KongFanlei，WangLinghui，Cai Minghao，Zhu Zhanshan，Li Min （Global Ramp;D Center， China FAW Corporation Limited， Changchun 130013） 【Abstract]Inorder To evaluate and predictthe Electromagnetic Compatibility（EMC）performance of DC/DCconverterin theearlystageofdesign，themainstreamelectromagneticcompatibility“threeelements”method isfirstused toanalyzethe main interferencesourceandpropagationpathofDC/DCconverter.Secondly，basedonthehigh-frequencyparametereoryof transformer，the parasitic parametertheoryof Printed-Circuit Board（PCB）andthe parameter extraction methodof common mode chokes，the common mode interferenceof transformer，PCB wiring and common mode chokesare analyzed separately. The high-frequencyequivalent modeloftransformerandPCB，experimental environment test benchesand high-voltage filtering modulesareestablishedusing MaxwellHFSS，SIwave，andQ3Dsoftware intheANSYSsimulationplatform.Finally theintegration of each moduleof DC/DC converterandthesimulation analysisof conductionand radiationemission are completed in Simplorersoftware.Theresults indicate thattheconductedandradiated interferenceexceds the standard more severely inthe Metal-Oxide-SemiconductorFieldEffectTransistor（MOSFET）switchingfrequencybandanditsharmonicsof themaininterferencesource.Themodel simulationresultsare basicallyconsistent with theoreticalanalysisandactual experimental results，and the simulation model has high accuracy.

Key words：DC converter，Electromagnetic compatibility，Three-element method， Simulation modeling，Interference analysis

【引用格式】孔繁磊，王玲輝，蔡明浩，等.DC/DC電源變換器電磁兼容性建模與仿真預測[J].汽車工程師，2025（7）：18- 23+35 ： KONG FL，WANG LH，CAI MH，et al.EMC Modeling and Simulation Predictionof DC/DC Converter[J]. Automotive Engineer，2025（7）： 18-23+35

1前言

DC/DC電源變換器的開關器件工作在高壓和18汽車工程師

高頻環(huán)境中，在開通和關斷時會產(chǎn)生強烈的電磁干擾，影響汽車安全性和可靠性。通過搭建DC/DC電源變換器電磁兼容仿真模型，能夠在設計初期對

DC/DC電源變換器的電磁兼容性（ElectromagneticCompatibility，EMC）進行預測，盡早發(fā)現(xiàn)和解決問題，對于降低后期測試和優(yōu)化成本及縮短產(chǎn)品研發(fā)周期具有重要意義2。

目前，國內(nèi)外對于EMC的建模和預測研究主要圍繞電磁干擾機理、仿真模型搭建展開。文獻[3]按照EMC的“三要素”思路，分別進行干擾源和干擾路徑建模，分析了Boost電路共模干擾的傳播路徑；文獻[4]通過“場-路\"聯(lián)合，提取印制電路板（Printed-CircuitBoard，PCB）及變壓器的寄生參數(shù)，根據(jù)電路拓撲和開關電源工作原理搭建了開關電源傳導電磁干擾（Electromagnetic Interference，EMI）和輻射EMI的仿真模型，分析了分布參數(shù)對干擾信號的影響；文獻[5]和文獻[6]通過提取系統(tǒng)中各元件的寄生參數(shù)，基于仿真軟件分別建立了線路阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡（LineImpedance Stabilization Networks，LISN）、線纜、濾波器和變換器模塊的高頻等效電路模型，最后集合成系統(tǒng)仿真預測模型；文獻[7]通過構建PCB問題復現(xiàn)仿真模型，改變傳導、輻射發(fā)射路徑及PCB諧振頻率，確定了EMC問題來源，并通過增加去耦電容消除了干擾噪聲；文獻[8]提取線束、探頭等高頻等效模型搭建車載CD機大電流注入抗擾度試驗等效模型，通過調(diào)整CD機濾波器、PCB布線等方式進行EMC優(yōu)化，提升了CD機的抗擾能力。

本文以全橋同步整流DC/DC電源變換器主功率部分為研究對象，從干擾源和耦合路徑的角度出發(fā)，基于ANSYS2024R1軟件建立開關管與關鍵磁性器件模型、PCB的散射參數(shù)（S參數(shù)）模型、試驗環(huán)境測試臺架、高壓濾波器等仿真模型，在ANSYSSimplorer軟件中完成DC/DC電源變換器的系統(tǒng)集成仿真分析，并將仿真結(jié)果與樣機測試結(jié)果進行對比，驗證所建立仿真模型的準確性和可靠性。

2DC/DC電源變換器的EMC分析

2.1 電磁干擾源

DC/DC電源變換電路主要由濾波電路、開關器件、電感和變壓器組成，如圖1所示，其核心在于通過開關管的高頻開關動作實現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換和傳輸。在DC/DC電源變換電路中，功率開關管高頻通斷的瞬間往往會產(chǎn)生較大的電壓變化率（du/dt）和電流變化率（di/dt）。其產(chǎn)生的脈沖波形中包含豐富的高頻諧波分量且頻帶較寬，與電路結(jié)構中的分布寄生參數(shù)相互作用，會帶來較為嚴重的電磁干擾。文獻[9]采用小波變換分解EMI信號的方法計算干擾信號在頻域內(nèi)的特征參數(shù)，發(fā)現(xiàn)開關管的上升/下降沿波形在中高頻范圍內(nèi)對整個振蕩波形的累積能量貢獻較大，表明開關器件是電磁干擾的主要來源。因此，本文將原、副邊的金屬-氧化物-半導體場效應晶體管（Metal-Oxide-SemiconductorField EffectTransistor，MOSFET）視為仿真模型的主要干擾源。

原邊開關管產(chǎn)生電磁干擾的主要原因是其負載為高頻變壓器的初級線圈，該線圈是感性負載，在開關管導通的瞬間，線圈上產(chǎn)生浪涌電流，兩端的浪涌尖峰電壓較高。在開關管關斷瞬間，由于初級線圈存在漏磁通，會產(chǎn)生反電動勢：

式中： E 為反電動勢，與電流變化率和漏感成正比； L

為線圈電感； di/dt 為電流變化率。

同時，漏感與電路結(jié)構中的寄生參數(shù)相互作用，形成帶有尖峰的電壓脈沖并伴有豐富的高頻分量，與關斷電壓疊加，形成電磁干擾。副邊整流回路開關管產(chǎn)生干擾的機理類似。

2.2 耦合路徑

對于傳導干擾，在干擾信號頻率較高時，MOSFET開通和關斷形成的電磁干擾不僅會沿著系統(tǒng)部件和線路傳播，變壓器也是干擾信號傳播的主要路徑[0]。實際電路中開關器件開通、關斷引起的電位跳變也會施加于變壓器的端口[，變壓器原副邊耦合電容為高頻EMI信號傳播提供了低阻抗路徑，從而將原邊的干擾傳遞至副邊，為共模干擾提供耦合路徑。

此外，由于DC/DC電源變換電路工作在高頻狀態(tài)下，MOSFET與散熱器間也存在EMI傳播路徑。如圖2所示，在實際電路安裝時，變換器的功率開關管通常會通過導熱硅脂或絕緣襯墊等與散熱器緊貼，開關管與散熱器間的電容效應導致二者之間存在寄生電容 C_p 。在高頻條件下工作時，該寄生電容是共模電流傳導的主要路徑，高頻電流通過該電容流經(jīng)散熱片、外殼接地，從而產(chǎn)生共模干擾。

開關管高頻通斷產(chǎn)生的電流和電壓突變本質(zhì)上是電介質(zhì)電荷和電流密度的變化，這些變化會向外輻射電磁波，影響電路正常工作[13]。

輻射干擾主要依靠電磁場向外發(fā)射，由于工程中電源器件均在PCB上，當電流在器件和PCB上流動并形成環(huán)路時，部分電磁能量由PCB向外輻射，形成輻射干擾。另外，由于變壓器等器件在工作過程中會產(chǎn)生漏磁，通過磁芯或殼體直接向外輻射電磁能量，電流流過線束時也會向外輻射干擾信號，進一步加劇了輻射干擾。

3基于ANSYS的參數(shù)建模

3.1PCB參數(shù)建模

本文PCB上主要包括濾波電路、功率變換電路及整流電路。PCB間的電子器件和電源走線等會導致電磁能量通過傳導和輻射發(fā)射的方式傳遞干擾信號。為了提取PCB中線間的寄生參數(shù)，使用ANSYSSIwave和ANSYSQ3D軟件進行PCB處理和靜態(tài)電磁場仿真。

實際工程中PCB布線較為靈活，故應根據(jù)所需仿真部分對PCB板的網(wǎng)絡進行篩選，并將布局模型導出至Q3D進行PCB三維/二維靜態(tài)電磁場仿真，提取S參數(shù)，如圖3所示。

由于平板存在電容耦合效應，PCB上的銅線與外殼體間存在分布電容，共模干擾信號經(jīng)由分布電容通過地流回原邊。同時根據(jù)文獻[3]，MOSFET開關器件與散熱器間寄生電容為pF量級，傳導干擾信號幅值不會隨寄生電容的大小而改變，通過對MOSFET所連接銅線相對殼體的電容進行抽取，也可將這部分通路表征出來，因此需要在Q3D中對PCB進行聯(lián)合仿真分析。Q3D抽取寄生電容仿真結(jié)果如圖4所示，求解后PCB與殼體間的分布電容如表1所示。

3.2變壓器參數(shù)建模

變壓器對DC/DC電源變換器的EMI影響主要體現(xiàn)在漏感、并聯(lián)等效電容與寄生參數(shù)的相互作用；原副邊耦合電容為共模干擾提供了耦合途徑。因此需要對變壓器進行仿真和實測確定寄生參數(shù)，進而建立準確的變壓器等效電路模型。

3.2.1 勵磁電感與漏感建模

本文主要使用ANSYSMaxwell對變壓器數(shù)模進行仿真，確定勵磁電感和漏感。勵磁電感仿真時，直流狀態(tài)即接近 0kHz 頻率下的電感仿真結(jié)果可認為是勵磁電感，漏感仿真時，需在正常工作狀態(tài)即65kHz 頻率下，將漏感副邊引腳短路，故需設置2個仿真頻率。勵磁電感與漏感的仿真結(jié)果分別為3.55mH，3.71mH 。

3.2.2繞組并聯(lián)等效電容及原副邊耦合電容

變壓器繞組層數(shù)較多，受等效電容效應影響，在繞組層間及原、副邊繞組間會形成電場，從而不可避免地產(chǎn)生分布電容，即繞組并聯(lián)的等效電容和原副邊耦合電容。

原副邊耦合電容將共模干擾信號由原邊傳遞到副邊，經(jīng)由副邊對地電容由LISN回流至原邊，需要使用網(wǎng)絡分析儀對變壓器原副邊耦合電容進行測量。原副邊耦合電容測試原理如圖5所示，通過測試得到變壓器高頻下插入損耗曲線4，然后計算得到其電容值。對線性段，電容計算公式為：

式中： C_q 為原副邊耦合電容 ，f 為測量值頻率， P 為插人損耗， V₂ 為電位差。

插入損耗測試結(jié)果如圖6所示，將其帶入式（2）計算可得耦合電容約為 159pF 。

在MOSFET開通和關斷時，等效電容會與變壓器漏感及電路中的其他寄生參數(shù)發(fā)生諧振，形成帶有尖峰的電壓脈沖并含有豐富的高頻分量，加大電磁干擾。為建立精準的變壓器高頻等效模型，本文選擇使用阻抗分析儀對并聯(lián)等效電容進行測試，結(jié)果如圖7所示，電容為 85.24885pF ，電感為 2.783859mH 。

根據(jù)仿真和測試結(jié)果，在Simplorer中建立變壓器的高頻等效模型，如圖8所示，其中， L_m 為勵磁電感， L_k 為漏感， C₁₁ 為繞組并聯(lián)等效電容， C₁₂ 為原副邊耦合電容。

3.3測試臺架搭建

EMC實驗室需要在穩(wěn)定的電磁環(huán)境中運行，同時使周遭設備不會受到其運行時產(chǎn)生的電磁干擾影響。這既需要設備在常規(guī)運行時向周圍環(huán)境釋放的電磁干擾必須維持在限定的閾值以下，同時要求設備具備一定的抗電磁干擾能力。根據(jù)以上要求，同時參照CISPR25標準，可以在ANSYSHFSS軟件中建立包括測試臺架、LISN、絕緣墊、殼體的輻射發(fā)射和傳導發(fā)射仿真環(huán)境，如圖9所示。

3.4高壓濾波器建模

高壓濾波器是降低電磁干擾的主要手段之一，它通過濾波、衰減和反射等方式消除電磁干擾噪聲。本文使用的濾波器主要由共模濾波電容、共模扼流圈、差模濾波電容構成。共模和差模濾波電容對干擾信號的抑制作用較為簡單，只需測試其高頻參數(shù)即可。但由于共模扼流圈對共模干擾和差模干擾均有抑制作用，同時磁芯材料特性隨頻率變化，且受繞組漏感和寄生電容等因素影響[15，模型較為復雜。因此，本文需要分別對其建立高頻差模和共模模型。

傳導干擾信號電磁波長遠大于共模扼流圈尺寸，因此可以使用集總模型表示共模扼流圈的差模和共模模型，如圖10所示。

在差模模型中， L_d 為漏感， R_d 為磁損等效阻抗，C₂ 為繞組間電容， R_w 為銅損等效阻抗， C_d 為原/副邊匝間電容，由于繞組過少，可以忽略 C₂ 及銅損等效阻抗；在共模模型中， L_c 為單個繞組的電感，且與差模模型不同，2個繞組 L_c 是相互耦合的， R_c 為磁損等效阻抗， C₁ 為繞組電容。

利用阻抗分析儀測得差模模型和共模模型高頻參數(shù)如圖11所示。差模模型中，電容為1.278099pF，電感為 406.7854nH ，電阻為6.776252mΩ ;共模模型中，電容為 33.98595pF ，電感為 103.3108μH ，電阻為 6.217 291mΩ 。同時構建濾波器高頻等效模型，如圖12所示。

4基于ANSYS的系統(tǒng)仿真模型搭建與分析

在Simplorer中搭建DC/DC電源變換器主電路進行場-路協(xié)同仿真。模型集成了高壓濾波器、主功率電路部分、HFSS傳導和輻射發(fā)射測試臺架模型、PCB自身寄生參數(shù)及其與殼體間寄生電容和變壓器高頻等效模型。功率回路輸入電壓為 430V 使用脈沖寬度調(diào)制（PulseWidthModulation，PWM）開環(huán)控制策略控制MOSFET通斷，頻率為 65kHz ，占空比為0.5。DC/DC電源變換器仿真模型如圖13所示。

DC/DC電源變換器輸出電壓、電流如圖14所 示，輸出電流穩(wěn)定在105A左右，輸出電壓穩(wěn)定在 13V 左右，滿足正常工作要求。

干擾主要來自MOSFET高頻通斷產(chǎn)生的電壓、電流信號變化，因此干擾的頻率應集中于MOSFET開關頻段及其倍頻處。傳導發(fā)射仿真和試驗結(jié)果如圖15所示，傳導干擾主要集中在 65kHz 及其各倍頻處，同時在 130kHz 下干擾超標情況較為嚴重。該仿真模型能夠較好地體現(xiàn)傳導干擾信號隨頻率升高先增大后減小的趨勢，也能較好地體現(xiàn)干擾發(fā)生的各頻點，與理論分析和測試結(jié)果基本一致。

輻射發(fā)射仿真中主要關注線纜上的干擾在空間中的輻射場強。仿真和試驗結(jié)果如圖16所示，對于在測試中干擾較嚴重的 130kHz 和 260kHz 頻點，該仿真模型均能體現(xiàn)，在輻射發(fā)射干擾超標嚴重的130kHz 處，仿真頻點能夠很好地進行擬合。

5 結(jié)束語

本文通過理論分析說明了DC/DC電源變換器干擾的產(chǎn)生機理，以及干擾源在變換器中的2種耦合路徑，并提出了一種PCB、變壓器和共模扼流圈的高頻參數(shù)仿真建模方法，通過仿測結(jié)合的方式確定模型中的相關參數(shù)，能夠較為準確地表達共模、差模信號的產(chǎn)生源和耦合路徑?；贏NSYS仿真平臺中SIwave、Q3D、Maxwell、Simplorer、HFSS等仿真軟件搭建了DC/DC電源變換器場-路耦合的傳導和輻射發(fā)射EMI仿真模型，并將仿真結(jié)果與EMI試驗結(jié)果進行對比，發(fā)現(xiàn)傳導和輻射發(fā)射仿真的重要干擾頻點擬合較為精準，證明了理論分析和仿真模型搭建的正確性。

后續(xù)將在變換器干擾源的抑制、切斷干擾源的傳播途徑以及對敏感器件的干擾保護等方面針對DC/DC電源變換器EMC的優(yōu)化理論及措施進行深人研究。

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