基于最壞情況測試的開關電源濾波器研究

鄭 山，鄧 堅，盧 葉，全書海， 謝長君

(1.武漢理工大學自動化學院，湖北武漢430070；2.國網(wǎng)新源建設有限公司，北京100761)

基于最壞情況測試的開關電源濾波器研究

鄭 山1，鄧 堅1，盧 葉2，全書海1， 謝長君1

(1.武漢理工大學自動化學院，湖北武漢430070；2.國網(wǎng)新源建設有限公司，北京100761)

為了抑制開關電源的傳導干擾，在開關電源的線路上增加電磁干擾(EMI)濾波器。根據(jù)最大阻抗失配原理選擇EMI濾波器時，開關電源的阻抗不確定，故很難快速選出滿意的濾波器。通過分析濾波器的主要參數(shù)及最壞情況測試方案，提出一種基于最壞情況衰減曲線選擇EMI濾波器的方法。根據(jù)該方法可以對EMI濾波器的實際效果做出有效估計，避免了濾波器選擇不合理導致的重復、費時的測試。

濾波器；最壞情況測試；插入損耗；開關電源

開關電源在體積、效率、成本等方面優(yōu)勢突出，因而被廣泛應用，其電磁兼容性能顯得尤為重要，良好的電磁兼容特性是開關電源設備穩(wěn)定工作的必要條件。通常采用屏蔽的方法抑制輻射干擾，采用在電源端口加入電磁干擾(EMI)濾波器的方法抑制傳導干擾，達到電磁兼容的效果[1]。文獻[2]分析了EMI電源濾波器的阻抗匹配問題，指出只有按最大限度的阻抗失配原則設計濾波器的輸入輸出阻抗，才能對電磁干擾實現(xiàn)最佳的抑制效果。由于電源阻抗不易確定[3-5]，這些方法的實際使用受到限制。本文分析了濾波器的最壞情況測試方案，提出了基于該測試的濾波器效果預測方法，在實際開關電源中得到驗證。

1 EMI濾波器的原理及主要參數(shù)

1.1 作用原理

根據(jù)傳導干擾的傳播方向，分為共模和差模干擾，差模干擾是電源線之間的電位差引起的，差模電流在電源線之間流動，電流方向如圖1(a)所示；共模干擾是電源線相對于大地的電位差引起的，共模電流是在電源線與地線之間流動的方向相同的電流，其電流流動方向如圖1(b)所示。

圖1 共模與差模干擾圖解

由于差模干擾和共模干擾的形成原因不一樣，故兩者的頻譜范圍也不同，一般分為三個范圍：小于0.5 MHz時，以差模干擾為主；0.5～1 MHz的頻率范圍，差模和共模干擾共同存在；大于1 MHz時，以共模干擾為主。因此，各種產(chǎn)品標準中制定傳導騷擾限值也劃分為若干個區(qū)間。例如，在歐洲標準EN61000-6-3中，傳導干擾指標分為兩檔，見表1，dBμV是電壓單位，是電壓相對于 1 μV的分貝值，即 dBμV= 20log(V/10－6)。例如：1 V對應120 dBμV；10 V對應140 dBμV。限值電壓是特定條件下線路阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡上測量電阻的電壓值，詳細測量標準見CISPR 16。

表1 歐洲標準中的傳導干擾限值范圍舉例

1.2 濾波器的插入損耗

濾波器的主要參數(shù)有：插入損耗、額定電壓、額定電流、漏電流、效率、物理尺寸、使用條件等。其中插入損耗曲線(衰減曲線)是EMI濾波器的重要參數(shù)，定義為濾波器接入電路之前負載從信號源獲得的功率與濾波器接入電路之后負載從信號源獲得的功率之比，用分貝值表示，如圖2所示，是干擾信號源，是干擾信號源的阻抗，是負載阻抗。

由此可知，插入損耗的大小直接反映濾波器性能的好壞。

圖2 插入損耗的定義

2 EMI濾波器的選取

2.1 衰減曲線的測量

圖3 最壞情況測試方法

雖然該測試方法也沒有在實際電源設備上安裝濾波器后測量，但是這個規(guī)范化的結果可以相對準確地反映濾波器在實際情況下的性能。SCHAFFNER公司的FN2200系列濾波器中額定電流在25～75 A范圍的EMI濾波器衰減曲線如圖4所示，曲線A是=50 Ω，=50 Ω時測得的差模衰減曲線；曲線B是=50 Ω，=50 Ω時測得的共模衰減曲線；曲線C是=0.1 Ω，=100 Ω時測得的差模衰減曲線；曲線 D是=100 Ω，=0.1 Ω時測得的差模衰減曲線。

圖4 濾波器衰減曲線

2.2 衰減曲線的使用

低于0.5～1 MHz時主要抑制差模干擾，在這個頻率范圍，50 Ω測試得到的差模衰減曲線A會高于實際所能達到的水平，而使用0.1 Ω/100 Ω測試得到的差模衰減曲線C、D更能反映實際的情況，實際得到的有效衰減略高于該曲線，由圖4可知，曲線C、D在13 kHz附近具有負的插入損耗，所以使用濾波器過濾這個頻段附近的干擾信號是不明智的，這種情況是由于阻抗不匹配造成的，而測試標準規(guī)定的測量范圍是從150 kHz開始的，所以不必考慮；高于0.5～1MHz時以抑制共模干擾為主，曲線B給出了理想的衰減性能，實際效果要比B曲線差一些。值得注意的是，在大于1 MHz的高頻段的實際效果依賴于開關電源的布局、濾波器的安裝等。

2.3 實驗結果與分析

以一款可以雙向工作的DC/AC開關電源變換器為例，其直流側額定電壓為380 V，逆變工作時額定輸入功率為12 kW，有效值約為32 A，用示波器測量的峰值電流可達到34 A。選擇FN 2200-50-34型號的濾波器，其衰減曲線如圖4所示。實驗測量了安裝濾波器前后的傳導干擾水平，并進行對比，結果如圖5所示。

圖5 實測傳導干擾與預測結果對比圖

圖5中，曲線A為沒有加裝EMI濾波器時測得的傳導干擾值；曲線B為加入EMI濾波器后測得的傳導干擾值；C為0.15～1 MHz時根據(jù)濾波器衰減曲線(圖4中C、D曲線)計算后的預測值；D為1～30MHz時根據(jù)濾波器衰減曲線 (圖4中B曲線)計算后的預測值。

加入濾波器后在0.15 MHz附近的傳導干擾值有不達標的危險，而實際測量中干擾值很接近規(guī)定標準，勉強符合要求。在1～10 MHz頻段中測量的傳導干擾值與理想情況下的最優(yōu)值有很大差距，這是因為濾波器的安裝存在問題，機殼屏蔽不到位，干擾信號耦合到電源線上，使經(jīng)過濾波器后的電源線再次受到污染。

開關電源EMI濾波器的效果不僅取決于本身的設計，而且在很大程度上依賴于正確安裝。在設計電源機箱的布局時考慮到濾波器安裝合理性，應盡量切斷干擾源到輸入線的耦合路徑，最好將濾波器放在電源入口處，使濾波器的輸入線完全在機殼外部，電源外殼和濾波器外殼電氣接觸性要良好，達到屏蔽干擾的目的。若不能做到將濾波器安裝在電源入口，而是安裝在電源機殼中，那么需要將在機箱內(nèi)的這段導線用金屬屏蔽線包裹，并使屏蔽線與濾波器和機殼良好接觸。

3 總結

本文重點分析了濾波器的插入損耗參數(shù)，提出了通過濾波器的最壞情況測試參數(shù)預測濾波器實際效果的方法。根據(jù)該方法對12 kW開關電源的傳導干擾進行預測，并測量了加入濾波器前后的實際值。由實驗結果可知，根據(jù)最壞情況測試參數(shù)預測方法得出的預測曲線能有效反映實際情況。

[1]倪志紅.雷達系統(tǒng)開關電源電磁兼容技術研究[J].現(xiàn)代雷達，2006 (3)：91-94.

[2]雷新.電源EMI濾波器的設計、特性及其選取原則[J].電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗，2002(4)：50-54.

[3]陳訓龍，鄭洪波，牟光杰，等.電源EMI濾波器的技術參數(shù)及其應用(下)[J].電氣時代，2007，10：128-130.

[4]武小軍，秦開宇，唐博.EMI濾波器設計[J].電子測試，2011(7)：75-80，113.

[5]錢振宇，史建華.開關電源的電磁兼容性設計、測試和典型案例[M].北京：電子工業(yè)出版社，2011.

圖6 循環(huán)工況下的實際車速

圖7 循環(huán)工況下整車擋位狀態(tài)

圖8 循環(huán)工況下SOC的變化值

由圖6可知，整個循環(huán)工況過程包含停車、加速、勻速、減速等不同車輛運行狀態(tài)，對應圖7中整車的擋位切換狀態(tài)可知，整車升檔的車速分界線基本維持在30 km/h，而降檔則保持在20 km/h，這是符合整車控制策略“低速一擋驅(qū)動、高速二擋驅(qū)動”要求的。圖8為整車電池SOC在循環(huán)工況下的狀態(tài)曲線，SOC曲線上升表示整車處于能量回饋或者行車充電狀態(tài)，反之則表示整車處于能量消耗狀態(tài)，而SOC維持不變是由于整車控制策略中也包含停車不充電的情況。整個循環(huán)工況中，電池SOC變化值基本維持在初始SOC值(0.23)左右，這也證明了基于電池電量維持型的整車控制邏輯的正確性和控制器的魯棒性。

3.2 燃油經(jīng)濟性

本文的研究對象為新型四?；旌蟿恿蛙嚕c傳統(tǒng)客車燃油經(jīng)濟性的對比如表3所示，新型四模混合動力客車節(jié)油效果很明顯，符合本文研究對象整車控制策略要求，同時體現(xiàn)了該混合動力客車優(yōu)良的燃油經(jīng)濟性和排放性。

表3 四?；旌蟿恿εc傳統(tǒng)客車燃油經(jīng)濟性對比

4 結論

本文針對新型四模混合動力客車與傳統(tǒng)客車不同的結構特性，分析了整車各部件的特性和工作時各個部件的關系，規(guī)劃了四種控制模式以及在四個不同驅(qū)動模式下的控制策略，在已知整車基本參數(shù)情況下，采用中國典型城市工況對整車控制器進行硬件在環(huán)仿真測試，通過分析仿真測試結果驗證了控制策略的可行性，同時表明了該控制策略下的整車具有良好的燃油經(jīng)濟性與排放性。

參考文獻：

[1]KEULEN T V，MULLEMA D V，JAGER B D，et al.Design，implementation，and experimental validation of optimal power split control for hybrid electric trucks[J].Control Engineering Practice，2012，20:547-558.

Research on switching power supply filter based on worst-case measurement

In order to suppress conducted interference of switching power supply， the EMI filter was increased in switching power supply lines.It is difficult to select a satisfactory filter quickly based on the principal of maximum impedance mismatching，because the impedance of switching power supply is uncertain.Through analysis of the main parameters of the filter and the worst-case measurement， a method to select EMI filters by worst-case attenuation was presented.According to this method， a valid estimate of the actual effect of EMI filter could be made，avoiding the duplication and time consuming tests caused by unreasonable filter selection.

filter;worst-case measurement;insertion loss;switching power supply

TM 91

A

1002-087 X(2016)04-0873-03

2015-09-17

國家自然科學基金資助項目(51477125)；國家重點基礎研究發(fā)展計劃(“973”計劃)(2013CB632505)；湖北省科技支撐計劃項目(2014BEC074)

鄭山(1988—)，男，山西省人，碩士研究生，主要研究方向為開關電源技術。