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一种用于平面变压器的新型屏蔽方法以抑制共模EMI噪声并扩展软开关范围
Novel Shielding Method for Planar Transformers to Suppress Common-Mode EMI Noise and Improve Soft-Switching Range
| 作者 | Khuong-Duy Le · Quang-Huy Nguyen · Minh-Quan Nguyen · Tat-Thang Le · Trong-Nha Quang · Duy-Dinh Nguyen |
| 期刊 | IEEE Transactions on Industrial Electronics |
| 出版日期 | 2025年3月 |
| 技术分类 | 储能系统技术 |
| 技术标签 | 储能系统 LLC谐振 |
| 相关度评分 | ★★★★★ 5.0 / 5.0 |
| 关键词 | 高频LLC谐振转换器 平面PCB绕组变压器 共模EMI噪声 零电压开关 浮动屏蔽技术 |
语言:
中文摘要
高频 LLC 谐振变换器因其软开关能力,对于数据中心电源和电池充电器等高功率密度应用至关重要。在这些频率下,平面印刷电路板(PCB)绕组变压器因其尺寸和性能优势,比绕线式变压器更受青睐。然而,诸如绕组间和绕组内电容等较高的寄生电容会增加共模(CM)电磁干扰(EMI)噪声,并缩小零电压开关(ZVS)范围。为维持 ZVS,要么必须增加死区时间,要么减小励磁电感,而这两种方法都会增加传导损耗。屏蔽可以减轻共模噪声,但也会增加变压器的寄生电容。本文提出了一种新颖的浮动屏蔽技术(FST),该技术在阻断共模噪声的同时能扩大 ZVS 范围。在一台 242 kHz、380V/48V、250W 的 LLC 半桥变换器上进行的测试表明,与传统屏蔽相比,FST 可将共模噪声降低 22 dBµV,保持 ZVS 特性,并使效率提高 0.46%。
English Abstract
High-frequency LLC resonant converters are crucial for high power density applications such as data center power supplies and battery chargers due to their soft-switching capability. At these frequencies, planar PCB winding transformers are preferred over wire-wound types because of their size and performance advantages. However, high parasitic capacitances, such as inter- and intra-winding capacitance, can increase common-mode (CM) EMI noise and reduce the zero-voltage switching (ZVS) range. To maintain ZVS, either the dead time must be increased or the magnetizing inductance reduced, both of which raise conduction losses. Shielding can mitigate CM noise, but it also adds to transformer’s parasitic capacitance. This article presents a novel floating shielding technique (FST) that blocks CM noise while improving the ZVS range. Testing on a 242 kHz, 380V/48V, 250W LLC half-bridge converter shows that the FST reduces CM noise by 22 dBµV, preserves ZVS, and increases efficiency by 0.46% compared to conventional shielding.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看,这项浮动屏蔽技术(FST)对我们的核心产品线具有重要的应用价值。在光伏逆变器和储能变流器领域,LLC谐振变换器已成为DC-DC隔离级的主流拓扑,特别是在高功率密度的组串式逆变器和模块化储能PCS中广泛应用。该技术通过创新的屏蔽方法同时解决了电磁兼容性和软开关性能这两个关键矛盾,这正是我们产品设计中长期面临的技术瓶颈。
具体而言,该技术的核心价值体现在三个维度:首先,22 dBµV的共模噪声抑制能力可显著降低我们满足严格EMC标准(如IEC 61000-6-2)的设计难度,减少外围滤波器成本;其次,改善的ZVS范围意味着在宽输入电压和负载条件下都能保持高效运行,这对光伏系统的MPPT宽范围工作和储能系统的充放电全工况优化至关重要;第三,0.46%的效率提升看似微小,但在百兆瓦级储能电站中可转化为可观的经济效益。
从技术成熟度评估,该方案在250W原型机上验证,向我们数十千瓦至兆瓦级产品的工程化转移需要关注PCB平面变压器的散热设计、高压绝缘裕量以及批量生产的一致性控制。特别是在户外型逆变器和集装箱储能系统中,需验证该屏蔽结构在宽温度范围和高湿度环境下的长期可靠性。
建议我们的研发团队重点评估该技术在新一代组串逆变器和1500V储能系统中的适配性,同时可考虑与平面磁集成技术结合,进一步提升功率密度,巩固我们在高效能源转换领域的技术领先地位。