電源濾波器在空調(diào)器設(shè)計(jì)中的選型與應(yīng)用

黃兆軍

（珠海格力電器股份有限公司標(biāo)準(zhǔn)管理部 廣東珠海 519070）

0 引言

隨著現(xiàn)代社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，人們的生活水平日益提高，空調(diào)器的普及率也越來(lái)越高。然而隨著空調(diào)器逐步走進(jìn)尋常百姓的同時(shí)，我們也要清醒的認(rèn)識(shí)到，由于各種電器設(shè)備的迅速發(fā)展與應(yīng)用，我們的電磁環(huán)境也越來(lái)越惡劣，這就對(duì)空調(diào)器的可靠性提出了更高的要求。世界許多國(guó)家都高度重視家用電器的電磁兼容性問(wèn)題，都相應(yīng)的制定了嚴(yán)格規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)。因此，各空調(diào)器廠家都十分重視在空調(diào)器設(shè)計(jì)中優(yōu)化電磁兼容設(shè)計(jì)，提高其抗干擾能力，從而使自己的產(chǎn)品滿(mǎn)足相應(yīng)市場(chǎng)中的電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)要求，快速低成本的取得相關(guān)認(rèn)證，順利進(jìn)入目標(biāo)市場(chǎng)。

其實(shí)供電網(wǎng)絡(luò)中就存在著很多EMI(電磁干擾)信號(hào)，而空調(diào)器本身在整個(gè)工作過(guò)程中也會(huì)產(chǎn)生電磁干擾信號(hào)。因此，怎樣有效避免經(jīng)電源端傳入到空調(diào)器的EMI信號(hào)，保證空調(diào)器的可靠運(yùn)行。同時(shí)，又能有效的控制空調(diào)器本身產(chǎn)生的EMI信號(hào)進(jìn)入電網(wǎng)，污染電磁環(huán)境，成為空調(diào)器設(shè)計(jì)中首先要重點(diǎn)考慮的問(wèn)題。電源濾波器的選用就能很好的解決這個(gè)問(wèn)題，本文正是從空調(diào)器電容兼容性的角度，對(duì)其在工作原理、選型、安裝應(yīng)用等方面進(jìn)行了細(xì)致的介紹。

1 工作原理

圖1所示為電源濾波器的基本內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，它是由集中參數(shù)元件所組成的無(wú)源網(wǎng)絡(luò)，虛線(xiàn)框表示濾波器的金屬屏蔽外殼。

這個(gè)簡(jiǎn)單的電源濾波器僅由兩只電感L1和L2，三只電容器Cy1、Cy2和Cx組成。如果把這個(gè)電源濾波器插入到空調(diào)器供電電源入口處，即把濾波器的（電源）端接到電源進(jìn)線(xiàn)，濾波器的（負(fù)載） 端接被干擾設(shè)備。這樣L1和CY1、L2和CY2分別構(gòu)成L-E 和N-E兩對(duì)獨(dú)立端口間的低通濾波器，用來(lái)抑制供電系統(tǒng)存在的共模EMI信號(hào)，使之無(wú)法進(jìn)入設(shè)備。其中，L1和L2的電感量是不相等的。于是L1和L2之差便是差模電感，它和CX又組成L-N 獨(dú)立端口間的一只低通濾波器，用來(lái)抑制電源上存在的差模EMI信號(hào)。從而實(shí)現(xiàn)對(duì)供電系統(tǒng)EMI信號(hào)的抑制，保護(hù)供電系統(tǒng)內(nèi)的設(shè)備不受其影響。

由于該電路是無(wú)源網(wǎng)絡(luò)，它具有互易性。當(dāng)電源EMI 濾波器安裝在設(shè)備的電源入口處后，它既能有效地抑制供電系統(tǒng)存在的EMI 信號(hào)（即空調(diào)器外部的EMI 信號(hào)）傳入設(shè)備，又能大大衰減設(shè)備本身工作時(shí)產(chǎn)生的EMI 信號(hào)傳向供電系統(tǒng)，防止電磁環(huán)境被污染。所以雖然是這樣一個(gè)簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)，卻同時(shí)具有多種功能，對(duì)實(shí)現(xiàn)設(shè)備和系統(tǒng)的電磁兼容性起了重要的作用，因此應(yīng)用非常普遍。

2 電源濾波器的設(shè)計(jì)與選型應(yīng)用

2.1 應(yīng)用環(huán)境溫度要求

上限類(lèi)別溫度一般選擇：70℃，85℃，100℃，125℃。推薦值為125℃。

下限類(lèi)別溫度一般選擇：-55℃，-40℃，-25℃，-10℃。推薦值為-55℃。

2.2 額定溫度

額定溫度一般不應(yīng)低于40℃。

2.3 額定電壓

額定電壓的優(yōu)先值推薦：

交流濾波器：50V、125V、250V、380V、440V、480V。

直流濾波器：50V、160V、250V、500V。

2.4 額定電流

選擇濾波器的額定電流時(shí)必須充分考慮額定電壓和環(huán)境溫度。每種濾波器都有一個(gè)相應(yīng)的“額定電流與工作溫度的關(guān)系曲線(xiàn)”，產(chǎn)品設(shè)計(jì)選型時(shí)要根據(jù)濾波器所使用的最?lèi)毫拥沫h(huán)境溫度通過(guò)關(guān)系曲線(xiàn)來(lái)選取合適的額定電流，并留有一定的安全余量，以確保長(zhǎng)時(shí)間工作的穩(wěn)定可靠。

選取額定電流時(shí)還要考慮電源頻率。一般情況下電源頻率升高，額定電流值會(huì)相應(yīng)的降低。

2.5 漏電流

漏電流的大小涉及人身安全，各國(guó)的安全標(biāo)準(zhǔn)都有嚴(yán)格的規(guī)定，設(shè)計(jì)選型時(shí)應(yīng)充分考慮不同國(guó)家的不同要求。

在確保濾波網(wǎng)絡(luò)與濾波器外殼間的絕緣措施都正確的前提下，漏電流的大小主要取決于濾波電容Cy的電容量。該電容容量過(guò)大時(shí)將造成漏電流過(guò)大，從而危及人身安全。電源EMI濾波器的漏電流與采用的濾波電容Cy的關(guān)系為：

Ig＝U×2πf×Cy

其中，U為電網(wǎng)電壓；f為電網(wǎng)頻率；Ig為允許的接地漏電流。

一般情況下，對(duì)低電壓（1000V以下）50Hz的交流電流而言，人體感知閾值電流0.5mA，擺脫閾平均值電流為10mA。以電源電壓220 V計(jì)算，忽略產(chǎn)品設(shè)計(jì)中并接在Cy電容兩端的電阻，若漏電流達(dá)到了人體能感應(yīng)到的電流值0.5mA，則：

Cy＝Ig/（U×2πf）＝7200pF

考慮安全要求的限制，為提高傳導(dǎo)干擾抑制的效果而增加Cy的電容量，應(yīng)限制在上述公式的計(jì)算值以下并保證足夠的余量。

2.6 插入損耗

由于電源濾波器接主電源線(xiàn)，因此在設(shè)計(jì)時(shí)除了要考慮源阻抗和負(fù)載阻抗不匹配的因素之外，還必須考慮其對(duì)串聯(lián)電感的電感量和并聯(lián)電容的電容量的嚴(yán)格限制。濾波器中所采用的串聯(lián)電感受到電源頻率下允許電壓降的限制，不能選擇太大；并聯(lián)的濾波電容受到允許接地漏電流的限制，也不能選擇太大。

設(shè)濾波器中串聯(lián)電感的電感量L，等效電阻為R，電網(wǎng)頻率為fm，電網(wǎng)電壓為Um，網(wǎng)側(cè)額定工作電流為Im?？紤]到電網(wǎng)中浪涌電流的影響，通常電感壓降被限制在額定工作電壓的10%以?xún)?nèi)。若忽略R上電壓降，設(shè)允許電感上的最大壓降為△Umax，則允許的最大串接電感值為：

Lmax＝△Umax/2πfmIm

設(shè)允許的最大的接地漏電流為Igmax，則濾波器允許采用的濾波電容為：

Cymax＝Igmax/（Um×2πfm）

那么，如果考慮電源濾波器中串聯(lián)電感及并聯(lián)電容最大值的限制，可以得到LC乘積的最大值為：

那么，濾波器（單級(jí)）的最大插入損耗IL可以簡(jiǎn)化為：

IL= 20lg（2πfm）2LCy

在保證濾波器安全、環(huán)境、機(jī)械和可靠性能滿(mǎn)足有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求的前提下，盡量選用插入損耗高的濾波器。

2.7 EMI濾波器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的選擇

設(shè)電源的輸出阻抗和與之端接的濾波電路的輸入阻抗分別為Z0和Z1，根據(jù)信號(hào)傳輸理論，當(dāng)Z0≠Z1時(shí)，在濾波器的輸入端口會(huì)發(fā)生發(fā)射，反射系數(shù)P＝（Z0-Z1）/（Z0+Z1）。顯然，Z0與Z1相差越大，P就越大，端口產(chǎn)生的反射也就越大，EMI信號(hào)就越難通過(guò)。所以濾波電路輸入端口應(yīng)與電源輸出端口處于最大失配狀態(tài)，這樣才能得到有效的衰減效果和較好的插入損耗特性。

對(duì)于EMI信號(hào)，電感是高阻的，電容是低阻的，所以，電源EMI濾波電路與源或負(fù)載的端接應(yīng)遵循下述原則：

如果電源內(nèi)阻或負(fù)載是阻性或感性的，與之端接的濾波電路接口就應(yīng)該是容性的。如果源內(nèi)阻或負(fù)載是容性的，與之端接的濾波電路就應(yīng)該是感性的。常見(jiàn)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1）電容型（C型）濾波器

由三端電容和穿心電容構(gòu)成，適合于抑制高頻。C型濾波器兩端均可視為低阻抗，

接高阻抗源和負(fù)載。

2）L型濾波器

由一個(gè)電感和一個(gè)電容組成。這種濾波電路可以提供高的輸入阻抗，也可以提供低的輸入阻抗，取決于電路的安裝方向。

3）π型濾波器

由一個(gè)電感和兩個(gè)電容構(gòu)成。它的輸入端和輸入端都呈低阻抗性，抑制性能比C型或L型要好的多。但是在開(kāi)關(guān)電路中有時(shí)會(huì)出現(xiàn)“振鈴”現(xiàn)象。

4）T型濾波器

由兩個(gè)電感和一個(gè)電容組成，它的兩端都是高阻抗，其插入損耗性能和 型濾波器相似。但其不易出現(xiàn)“振鈴”現(xiàn)象，可用在開(kāi)關(guān)電路中。

5）雙T型濾波器

多級(jí)濾波器是為源和負(fù)載都為低阻抗的電路設(shè)計(jì)的高性能濾波器，它們也可以用在要求高插入損耗的其它情況。

實(shí)際設(shè)計(jì)中常用的典型濾波電路如圖3所示。

2.8 濾波元件的選擇

2.8.1 濾波電容

a)差模電容Cx接在交流電進(jìn)線(xiàn)兩端，它上面除加有額定交流電壓以外，還會(huì)疊加交

流進(jìn)線(xiàn)之間存在的各種EMI峰值電壓，所以該電容器的耐壓及耐瞬態(tài)峰值電壓的性能要求較高，同時(shí)要求該電容器失效后，不能危及后面電路及人身安全。

Cx的取值范圍一般在0.1μF～2.0μF之間。在允許的情況下，容量要求越大越好。電容的耐壓值必須經(jīng)過(guò)雷擊浪涌試驗(yàn)后取值，有殘壓，其瞬時(shí)值一般滿(mǎn)足在1000V/s時(shí)不損壞。

b）共模電容Cy接在交流電進(jìn)線(xiàn)與機(jī)殼地之間，要求他們?cè)陔姎夂蜋C(jī)械性能上，應(yīng)有

足夠大的安全余量，萬(wàn)一它們發(fā)生擊穿短路，將使設(shè)備機(jī)殼帶上危險(xiǎn)的交流電，如果設(shè)備的絕緣或接地保護(hù)失效，可能使操作人員遭受電擊，甚至危及人身安全。因此對(duì)Cy電容器的容量要進(jìn)行限制，使其在額定頻率的電壓下漏電流小于安全規(guī)范值。另外還要求其應(yīng)有足夠的耐壓及耐瞬態(tài)高峰值電壓的余量，并且萬(wàn)一發(fā)生電壓擊穿，它應(yīng)處于開(kāi)路狀態(tài)，而不會(huì)使設(shè)備機(jī)殼帶電。

Cy的取值范圍一般在2200pF～7200pF之間。只要漏電流控制在小于1mA的條件下，容量要求越大越好，但是不能太大，太大則漏電流較大。電容的耐壓值必須經(jīng)過(guò)雷擊浪涌后取值，有殘壓，其瞬時(shí)值一般滿(mǎn)足在1000V/s時(shí)不損壞。

c）Cx電容和Cy電容可以通過(guò)較小的電容并聯(lián)來(lái)滿(mǎn)足容量的要求，這樣濾波電路的高頻特性好。

2.8.2 放電電阻

為保證傳導(dǎo)干擾抑制效果，常在Cx電容的后面增加一個(gè)放電電阻。一般情況下，電阻R 的取值為75kΩ～1MΩ之間，功率為2W～3W。

2.8.3 電感的取值

電感量的取值一般要考慮阻抗和頻率，具體取值從幾毫亨到幾十毫亨不等，隨額定工作電流不同而取不同的參數(shù)值。

2.8.4 壓敏電阻的選型

對(duì)于采用壓敏電阻的濾波器，其電路如圖4（參數(shù)僅為示意）。壓敏電阻的選型一般按下述原則：

(U1mA)min ≥(2.2～2.5)Uac

其中 (U1mA)min為最小壓敏電壓，Uac為交流回路額定電壓的有效值。

2.9 濾波電路的衰減特性

不同的濾波電路有著不同的濾波特性（如圖5所示）。一般情況下，C型電路的濾波衰減曲線(xiàn)較平坦，沒(méi)有明顯的拐點(diǎn)，適用于大多數(shù)電子設(shè)備；L型電路、π型電路和T型電路的濾波衰減曲線(xiàn)較C型電路拐點(diǎn)明顯，適用于抑制干擾信號(hào)與有用信號(hào)頻率接近的場(chǎng)合。但當(dāng)工作頻率為方波時(shí)，要注意這些電路的感性和容性器件的量值要選取恰當(dāng)，避免一味追求濾波衰減性能，而把有用信號(hào)的波形部分衰減，導(dǎo)致空調(diào)器工作反而不正常。

3 濾波器的安裝及布線(xiàn)要求

a)電源濾波器應(yīng)僅可能安裝在靠近空調(diào)器的電源入口處，并對(duì)濾波器加以屏蔽。

b)電器部件（如信號(hào)燈）或電磁開(kāi)關(guān)（如交流接觸器）等干擾源應(yīng)與其電源濾波器安

裝在同一屏蔽箱體內(nèi)，電源輸入線(xiàn)不應(yīng)在箱體內(nèi)裸露。

c)濾波器中電源引線(xiàn)應(yīng)盡可能短，以避免感抗與容抗在低頻率上發(fā)生諧振，電容應(yīng)與

其它元件正交安裝，減小相互間耦合。

d)濾波器的接地導(dǎo)線(xiàn)上有很大的短路電流流過(guò)，會(huì)造成有害電磁輻射，因此濾波器抑

制元件自身要進(jìn)行良好的電磁屏蔽和接地處理。

e）濾波器的輸入和輸出引線(xiàn)不能交叉，在輸入引線(xiàn)和輸出引線(xiàn)之間應(yīng)該有屏蔽層，否

則會(huì)降低濾波器的濾波特性。

f）濾波器最好不要安裝在塑料板或金屬支架上，而且要盡量避免使用長(zhǎng)接地線(xiàn)。因?yàn)?/p>

過(guò)長(zhǎng)的接地線(xiàn)意味著大大增加接地電感和電阻，它會(huì)嚴(yán)重破壞濾波器的共模抑制能力。較好的方法是，用金屬螺釘與星形彈簧墊圈把濾波器的屏蔽牢牢的固定在設(shè)備電源入口處的機(jī)殼上。

4 小結(jié)

本文從優(yōu)化空調(diào)器的電磁兼容性的角度對(duì)電源濾波器的工作原理、設(shè)計(jì)與選型應(yīng)用、安裝等要求做了介紹，其中部分推薦參數(shù)也是筆者在設(shè)計(jì)過(guò)程的個(gè)人經(jīng)驗(yàn)和參考了部分行業(yè)專(zhuān)家的研究成果，希望能夠?yàn)榭照{(diào)器的設(shè)計(jì)者提供參考。

[1]Underwriters Laboratories Inc.。UL 1283 Electromagnetic Interference Filers ,2009

[2]唐智，沈玉琢。電源濾波器設(shè)計(jì)與使用原則分析，城市軌道交通研究，2004年06期

[3]沈光福。電源EMI濾波器的選用與安裝，航空精密制造技術(shù)，1991年06期