EMI無源濾波器設(shè)計(jì)

王琳 何云龍

摘 要：經(jīng)驗(yàn)表明，任何電力電子裝置均存在著較大的傳導(dǎo)干擾發(fā)射問題，即便是設(shè)計(jì)了很好的屏蔽和接地措施，問題仍然存在。為此需要采用相應(yīng)的手段抑制傳導(dǎo)干擾發(fā)射，而濾波是抑制傳導(dǎo)干擾的有效方法。EMI濾波器的作用是將傳導(dǎo)干擾減小到一定程度，滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求。因?yàn)殡姶偶嫒輼?biāo)準(zhǔn)對于傳導(dǎo)干擾發(fā)射的要求極其嚴(yán)格，所以對于本方案來說，如何設(shè)計(jì)制作有較好的濾波效果的EMI濾波器就顯得非常關(guān)鍵。

關(guān)鍵詞：EMI；濾波器干擾理

1 EMI濾波器的性能指標(biāo)

EMI濾波器的主要技術(shù)性能參數(shù)有阻抗匹配、插入損耗、絕緣電阻、額定電流、泄露電流以及無論尺寸、環(huán)境、機(jī)械和可靠性。其中評價(jià)電磁干擾濾波器優(yōu)劣最主要的指標(biāo)便是插入損耗的參數(shù)，漏電流涉及到人身安全，這兩項(xiàng)指標(biāo)在設(shè)計(jì)時(shí)需重點(diǎn)考慮。

作為描述EMI濾波器效果最重要的技術(shù)性能參數(shù)之一的插入損耗IL（Insertion Loss），是用來表述EMI濾波器的衰減的。插入損耗的定義如圖1所示。

（a）插入濾波器前 （b）插入濾波器后

圖1 插入損耗示意圖

圖中參數(shù)定義：Us（噪聲源），Zs（源阻抗），Zl（電網(wǎng)阻抗），U1（沒有接入濾波器時(shí)噪聲源對電網(wǎng)的干擾電壓），U1（接入濾波器后噪聲源對電網(wǎng)的干擾電壓）。EMI濾波器的插入損耗定義為：

在上式中，接入濾波器后從干擾源傳輸?shù)截?fù)載的功率即為未接入濾波器時(shí)從干擾源傳輸?shù)截?fù)載的功率。

從定義式（1）可以看出，濾波器工作效果好的前提便是插入損耗變大。要使EMI濾波器有較好的抑制干擾效果，需要插入損耗值盡可能的高，且保證EMI濾波器要滿足安全、環(huán)境、機(jī)械和可靠性能的全部要求。

通過集總參數(shù)電路分析，可以得到EMI濾波器插入損耗的理論值。為了進(jìn)一步研究濾波器的插入損耗，表征濾波器的性能，在此引入二端口網(wǎng)絡(luò)理論，二端口網(wǎng)絡(luò)如圖2所示。

圖2二端口網(wǎng)絡(luò)

二端口網(wǎng)絡(luò)的T參數(shù)方程表示為：

嚴(yán)格的說，EMI濾波器并不是一個線性網(wǎng)絡(luò)，因?yàn)樗须姼?、電容等非線性元件。但在小信號激勵下，能近似地看作是線性的。因此我們把小信號激勵下的EMI濾波器近似地看作是線性的。這里把小信號激勵下的EMI濾波器看作一個線性無源二端口網(wǎng)絡(luò)，就可以用二端口網(wǎng)絡(luò)的各種參數(shù)矩陣來描述它。以T參數(shù)為例來分析和描述EMI濾波器的特征。

用T參數(shù)來分析EMI濾波器特性。根據(jù)圖2有下式：

（3）

聯(lián)立T參數(shù)方程，可得：

（4）

于是，EMI濾波器的插入損耗可表示為：

（5）

可以看出，EMI濾波器的插入損耗同濾波器的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)、源阻抗、負(fù)載阻抗三者都相關(guān)。于是，對于一個T參數(shù)已知的濾波器來說，只要知道源阻抗和負(fù)載阻抗就可以計(jì)算出插入損耗的理論值。

相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)為了滿足安全的要求，最大泄露電流值的大小隨著使用場合的不同而變化。裝設(shè)在非移動且接地的設(shè)備上濾波器的漏電流值應(yīng)小于3.5mA，否則將危及人身安全；而在可移動設(shè)備上的濾波器的最大漏電流為lmA。對于交流EMI濾波器來說，泄漏電流與電網(wǎng)的電壓和頻率成正比。對于直流EMI濾波器，所采用的標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定共模電容的取值為0.075uF/kW。

2 EMI濾波器的設(shè)計(jì)

第一步，分別進(jìn)行差模噪聲和共模噪聲的預(yù)測分析，從而得到EMI濾波器必須提供的噪聲衰減量；第二步，選擇合適的拓?fù)洳⒂?jì)算所需的濾波器元件值；第三步，在被測設(shè)備的電源輸入端加上設(shè)計(jì)好的濾波器，檢查此時(shí)的噪聲是否符合設(shè)計(jì)要求。

2.1預(yù)測差模噪聲和共模噪聲

對于三電平H橋逆變器產(chǎn)生的EMI噪聲的預(yù)測，得到差模噪聲和共模噪聲的頻譜是抑制三電平H橋逆變器傳導(dǎo)干擾的首要步驟。

2.2計(jì)算所需的衰減量

當(dāng)?shù)玫焦材！⒉钅Ｔ肼曨l譜之后，便要計(jì)算所需的干擾信號插入損耗量。首先要令所需的衰減量大于等于噪聲值與期望值之差，才可使經(jīng)過濾波器后的噪聲被抑制在期望值以下。本文采取頻點(diǎn)法計(jì)算，計(jì)算多個頻率點(diǎn)的衰減量，并將它們連接起來，得到一條衰減曲線。在此基礎(chǔ)上，要在計(jì)算的衰減量上加一個6dB的衰減裕量，從而避免相位相同或相位相反而使得兩條電源線的總電壓噪聲超過規(guī)范的情況，也即令噪聲抑制的要求更為嚴(yán)格。

2.3選擇濾波器結(jié)構(gòu)

EMI濾波器作為無源網(wǎng)絡(luò)，因其具有互易性，所以把負(fù)載接在EMI濾波器的輸入端或者輸出端均可。但在實(shí)際應(yīng)用中，為了使EMI濾波器在通帶頻率范圍和在截止頻率處的插入損耗在阻抗嚴(yán)重失配條件下都能滿足設(shè)計(jì)要求，必須將EMI濾波器的輸入輸出端合理的連接到源阻抗和負(fù)載阻抗?？梢园聪铝蟹椒ㄟx擇適當(dāng)?shù)臑V波器結(jié)構(gòu)，前提是在可以計(jì)算或者估計(jì)源阻抗和負(fù)載阻抗值的情況下：

（1）選擇T型濾波器的前提：源阻抗和負(fù)載阻抗都低；

（2）選擇LC型結(jié)構(gòu)的前提：源阻抗低和負(fù)載阻抗高；

（3）選擇型結(jié)構(gòu)的前提：源阻抗高和負(fù)載阻抗高；

（4）選擇CL型結(jié)構(gòu)的前提：源阻抗高和負(fù)載阻抗低。

選擇拓?fù)鋾r(shí)要考慮濾波器中電容電感的布置位置，從而選擇遵循“阻抗失配”原則，即電感與低的源阻抗或者負(fù)載阻抗串聯(lián)，電容與一個高的負(fù)載阻抗或源阻抗并聯(lián)。這樣，EMI濾波器中的LC電路仍能夠部分補(bǔ)償或削弱源阻抗和負(fù)載阻抗變動對濾波器特性的影響，也可以維持其諧振濾波特性。

2.4計(jì)算元件值

根據(jù)所需的衰減量和所確立的濾波器結(jié)構(gòu)，就可根據(jù)插入損耗的定義計(jì)算元件值了。

2.5選取電容、設(shè)計(jì)制作電感

電容作為EMI濾波器中最基本的元件之一，其利用旁路作用濾除高頻噪聲。但其高頻下顯現(xiàn)的不理想特性會引發(fā)濾波效果變差，因此在選取電容時(shí)需要考慮其高頻特性。在理想的狀況下，若要使旁路作用越明顯，則電容的值要越大，容抗也要越小。但是在實(shí)際中，大電容的寄生電感也較大，這將使濾波器對高頻干擾信號的抑制變差，甚至?xí)ヒ种聘哳l傳導(dǎo)干擾信號的作用。這些問題可以通過選擇特殊結(jié)構(gòu)或材料的電容來解決。電容的引線是影響高頻性能的重要因素之一，也是最容易忽視的問題。電容的引線長度就是影響等效串聯(lián)電感的一個重要參數(shù)，引線越長，等效串聯(lián)電感就越大。

根據(jù)電感的高頻特性分析，電感的高頻特性同電感量及其分布電容都有著直接的關(guān)系。分布電容將影響電感在同一電感值下的插入損耗與阻抗特性，分布電容為零，則插入損耗頻響最好，呈線性；分布電容越大，插入損耗頻響越差。通常，在分析濾波器網(wǎng)絡(luò)時(shí)，電感的分布電容約為5～100pF。只有減小分布電容電感，才可獲得理想的插入損耗。要做到這一點(diǎn)，就要從線圈的結(jié)構(gòu)入手，線圈的繞制方法，匝數(shù)和結(jié)構(gòu)對降低線圈的分步電容是至關(guān)重要的。在繞制線圈時(shí)應(yīng)盡量采用單層密繞，以減小電感匝數(shù)間的分布電容；在不得已需要繞第二層的情況下，也應(yīng)盡量減少第二層的匝數(shù)；而對于多層繞組，則應(yīng)采用分段繞制的方法減小分布電容。

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