浪涌抗扰度测试期间的转换器振荡

直流电源和 DC-DC 转换器输入电容之间的去耦网络内的电感可能引起振荡，该振荡可能导致启动故障和设备损坏。如果不采取缓解措施，IEC 61000-4-5 浪涌测试期间所用的设备很可能会导致振荡。以下内容探讨了振荡的原因以及规避措施。

浪涌抗扰度测试要求 (IEC 61000-4-5)

测试目标

• 该测试旨在评估被测设备 (EUT) 在高能电源与互连线干扰（浪涌脉冲）下的性能。这些干扰的原因可能是开关和闪电瞬变产生的过压
• 浪涌通常出现在交流（或直流）电源输入端口，但在某些标准中，它也会出现在信号端口。
• 浪涌脉冲通常通过源阻抗（例如 10 Ω 的电阻、9 µF 的串联电容）直接耦合至信号。
• 耦合 - 去耦网络（CDN）通常包含在抗扰度测试系统内，有助于在浪涌测试期间保护电源或辅助设备。

问题定义

该问题与 CDN 内部使用的电感有关，该电感通过结合转换器电容，将直流电源与 DC/DC 转换器去耦。CDN 中使用的电感越高，预期振荡概率就越高。相反，转换器输入电容越高，振荡的概率就越低。

当 EUT 通过 CDN 连接，当前设计的转换器可能无法启动或出现振荡。在某些情况下，振荡可能会导致 EUT 损坏。

在最近的设计中，此前用于在老版转换器输入电路中存储传导周期之间能量的大型存储电容器已被淘汰或明显减少，以满足其他重要的转换器功能要求（浪涌电流或输入放电时序要求）。

补救措施注意事项

增加直流电源的输入电压

施加的输入电压越高，预期振荡概率就越低。此外，务必要确保将直流电源电压调整到足够高，以补偿 CDN 和输入线的损耗（例如，使用 300 W DC/DC 转换器，功率为 24 V，CDN 串联阻抗 0.5 Ω，CDN 电压降将为大约 7 V）。此外，根据铁路标准 EN 50121-3-2 定义，浪涌测试应在最大输入工作电压下执行（例如，电池电压应用为 110 V 时，以 137.5 V 进行测试）。

降低负载输出电流

输出功率越低，从电源吸取的输入电流就越低 - 负载足够低时，振荡就会消失。

使用更高额定电流的 CDN

它们通常具有较低的去耦电感和较低的串联电阻，从而导致给定线路和负载条件下发生振荡的可能性较低。IEC 61000-4-5 标准中定义的通用浪涌抗扰度要求未指定 CDN 电感参数。因此，市场上推出了各类 CDN 设备，这导致部分测试实验室使用具有相当高电感的 CDN，其中的 DC/DC 转换器可能会发生振荡。相反，有的实验室可能使用较低电感的 CDN，且没有观察到不稳定性现象。CDN 的通用电感约为 1 mH（每极）。

振荡的原因与可能的解决方案

理论解释（1/4）

开关“SW”打开后（或电路中引入其他变化/阶跃），此 LC 电路中出现频率为“fr”的谐波振荡。

fr = (1/2pi) * (1/sqrt(L*C))

由于没有转储元件耗散“扼流圈磁场与电容器电场之间互相转移的能量”，因此电容器电压和扼流圈电流的振荡以恒定幅度长久持续。

理论解释（2/4）

如电路中连接了耗散元件（电阻“Rdump”），则扼流圈和电容器之间的能量传输就会有损耗，且振荡幅度会随着时间的推移而减小。

理论解释（3/4）

如果连接了稳压电源转换器而非转储电阻（负载），则幅度不会减小，而是及时放大。

原因是转换器的调节器在其输入电压下降时会增加输入电流（以保持功率输送恒定）。

这可以用虚拟项负阻抗/电阻来表示，并且与转储电阻相比效果相反（负电阻为谐振电路供能）。

-R = dv/di = (Vin1-Vin2) / (Iin1-Iin2) = (Vin1-Vin2) / (P/Vin1 – P/Vin2)

其中 P 是转换器的输入功率。

理论解释（4/4）

若要补偿这种影响，至少需要在电路中添加同等转储电阻“R”。若要获得足够转储，“R”的值应该相当低。

倾倒电阻“R”的并联会在直流条件下导致额外显著耗散。因此，最好串联电阻“Rs”和电容器“Cs”，以更有效地抑制振荡。

减轻浪涌测试期间振荡的可用解决方案