基于電磁噪聲仿真的EMI濾波器研究

孟文輝

（株洲中車時(shí)代電氣股份有限公司，湖南 株洲 410000）

隨著社會(huì)科技的發(fā)展，社會(huì)生活中電子設(shè)備的運(yùn)用越來(lái)越廣泛，高效的電子設(shè)備在提高社會(huì)生產(chǎn)生活的效率方面有著重要作用。在電子設(shè)備中，EMI電磁干擾濾波器對(duì)于有效濾除電源線的特定頻率的頻點(diǎn)和該頻點(diǎn)以外的頻率段有著重要作用，但在實(shí)際的大功率電子設(shè)備中，由于供電電流特別大，電網(wǎng)中的電磁噪聲頻譜特征特別復(fù)雜，電磁噪聲從低頻到高頻都有，再加上生產(chǎn)生活對(duì)電子設(shè)備中電磁干擾濾波器的使用安全性要求提高，使用溫度范圍更寬，普通的電磁濾波器已經(jīng)逐漸不能再滿足社會(huì)生產(chǎn)生活的要求，針對(duì)現(xiàn)在EMI濾波器的局限性以及社會(huì)對(duì)EMI濾波器的高要求，提出了基于Pspice仿真的高頻EMI濾波器設(shè)計(jì)。筆者針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，從電磁噪聲仿真的角度對(duì)EMI濾波器展開(kāi)研究，并提出了一種新的設(shè)計(jì)方法，以期能夠?yàn)镋MI濾波器的相關(guān)研究和實(shí)踐提供參考。

1 EMI濾波器概述

1．1 EMI濾波器的結(jié)構(gòu)

標(biāo)準(zhǔn)的EMI濾波器通常是由串聯(lián)電抗器和并聯(lián)電容器組成的低通濾波電路，作用就是允許所需頻率信號(hào)在電子設(shè)備正常工作時(shí)進(jìn)入設(shè)備，而對(duì)高頻的干擾信號(hào)進(jìn)行阻礙。一般來(lái)講，EMI濾波器有片式濾波器，樹(shù)脂密封封裝濾波器，玻璃密封封裝濾波器，濾波陣列，濾波連接器以及電源濾波器。片式濾波器有貼片式和引線式兩種，片式濾波器具有體積小的優(yōu)點(diǎn)，能夠用在電子設(shè)備的表面安裝，能夠節(jié)約PCB空間和安裝時(shí)間；樹(shù)脂密封封裝濾波器根據(jù)安裝方式的不同分為焊接式和螺紋安裝式兩種，電路結(jié)構(gòu)有C型、L型、LC型、T型、Pi型五種類型可選；玻璃密封封裝濾波器是采用玻璃封裝的濾波器，濾波性能高，適合用在惡劣的環(huán)境，并廣泛用于軍用、航空等領(lǐng)域，電路結(jié)構(gòu)有C型、LC型、T型、Pi型以及雙T型五種結(jié)構(gòu)；濾波陣列就是多個(gè)焊接式濾波器的組合，這種濾波器具有很強(qiáng)的選擇性和靈活性，能夠根據(jù)客戶的要求選擇多個(gè)不同類型的濾波器焊接在同一個(gè)地板上，濾波陣列的安裝和使用都非常方便；濾波連接器就是在標(biāo)準(zhǔn)的連接器上安裝濾波器，濾波連接器具有D型、圓形等各種形式，能夠與標(biāo)準(zhǔn)的連接器進(jìn)行連接，濾波連接器能夠提供良好的電磁干擾效果；電源濾波器就是由電容、電感和電阻組成的濾波電路，這種濾波器的工作原理就是電源濾波器根據(jù)輸入、輸出側(cè)與電源和負(fù)載側(cè)的阻抗適配程度大小，產(chǎn)生相應(yīng)的衰減效果，電源濾波器作為一種無(wú)源低通濾波器，與其他類型的濾波器相比具有良好的經(jīng)濟(jì)性。電源濾波器適用于電子設(shè)備中電路的供電系統(tǒng)，既能夠抑制電源傳導(dǎo)給電路的電磁干擾，還能抑制電路產(chǎn)生的電磁干擾，阻止電路產(chǎn)生的電磁干擾傳導(dǎo)給供電電源。

1．2 開(kāi)關(guān)電源EMI濾波器的噪聲來(lái)源以及抑制原理

任何電子設(shè)備都離不開(kāi)穩(wěn)定安全的電源，在科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展的今天，電子設(shè)備對(duì)電源安全性的要求也越來(lái)越高，而開(kāi)關(guān)電源作為一種經(jīng)濟(jì)便捷、小巧輕便以及效率性高的電源，在社會(huì)生產(chǎn)生活中得到了廣泛的應(yīng)用。但開(kāi)關(guān)電源在工作中會(huì)由于各種原因產(chǎn)生電磁噪聲，產(chǎn)生噪聲的原因有電源模塊噪聲、變壓器噪聲等。首先，電源開(kāi)關(guān)產(chǎn)生的噪聲：通常情況下反激式的電源開(kāi)關(guān)的能量傳遞是由場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通，電流通過(guò)變壓器和場(chǎng)效應(yīng)管，然后，場(chǎng)效應(yīng)管再關(guān)斷，但在實(shí)際的能量傳遞過(guò)程中由于變壓器可能存在漏感，漏感和場(chǎng)效應(yīng)管的寄生電容產(chǎn)生震蕩，震蕩產(chǎn)生的電壓尖峰會(huì)在能量傳遞的過(guò)程中將電壓尖峰也傳遞到輸入端；場(chǎng)效應(yīng)管高頻開(kāi)關(guān)動(dòng)作導(dǎo)致電壓和電流的快速變化（du/dt與di/dt）是產(chǎn)生EMI的主要原因；電壓快速變化產(chǎn)生的共模電流通過(guò)場(chǎng)效應(yīng)管與散熱器之間的分布電容與地線形成的傳播路徑送至輸入端；另外，變壓器也是一個(gè)噪聲源，初級(jí)次級(jí)線圈之間的漏感、初級(jí)線圈的層間電容、次級(jí)線圈的層間電容，初級(jí)線圈和次級(jí)線圈之間的耦合電容，都可形成噪聲。

開(kāi)關(guān)電源形成電磁干擾的原因主要就是干擾源、傳播渠道以及受擾設(shè)備，而開(kāi)關(guān)電源電磁干擾濾波器就是對(duì)電磁干擾信號(hào)傳導(dǎo)進(jìn)行抑制，就是在電源輸入端接上濾波器來(lái)抑制開(kāi)關(guān)電源中產(chǎn)生并向電網(wǎng)反饋干擾，以及抑制來(lái)自電網(wǎng)噪聲對(duì)電源本身的侵害。開(kāi)關(guān)電源電磁干擾濾波器主要就是在開(kāi)關(guān)電源的電路上和電子結(jié)構(gòu)上進(jìn)行屏蔽及反射，首先，開(kāi)關(guān)電源的電路上對(duì)電磁干擾信號(hào)進(jìn)行屏蔽，就是通過(guò)采用吸收電路的方式盡可能地降低電路中的電壓和電流的快速變化產(chǎn)生的干擾信號(hào)，進(jìn)而起到抑制電磁干擾的目的；其次，就是開(kāi)關(guān)電源通過(guò)做好機(jī)殼的屏蔽、高頻變壓的屏蔽、開(kāi)關(guān)管以及整流二極管的屏蔽等提高開(kāi)關(guān)電源本身的屏蔽效能。

2 開(kāi)關(guān)電源EMI濾波器的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

2．1 三相電源EMI濾波器設(shè)計(jì)原則

根據(jù)前文對(duì)電源濾波器結(jié)構(gòu)的分析，同樣也可以得到三相電源濾波器在抑制電磁噪聲方面的作用是很大的。與其他電源濾波器相比，三相電源濾波器的三節(jié)濾波效能最佳，具有良好的共模衰減，泄露電流低，適用于機(jī)床電子設(shè)備等電磁干擾較為嚴(yán)重的區(qū)域。從電磁仿真的角度對(duì)三相電源濾波器進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，要滿足三相電源EMI濾波器設(shè)計(jì)中的最大阻抗失配原則，要將插入損耗盡可能地增大，盡可能地增大信號(hào)反射。然后，再根據(jù)三相濾波器的抑制值進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，最后，再在阻抗失配情況已知的條件下根據(jù)等效電路來(lái)進(jìn)行三相濾波器的建模，實(shí)現(xiàn)對(duì)三相濾波器的設(shè)計(jì)。

2．2 開(kāi)關(guān)電源EMI濾波器的優(yōu)化設(shè)計(jì)

在開(kāi)關(guān)電源濾波器優(yōu)化設(shè)計(jì)的方案中，主要有基于Pspice仿真的 EMI濾波器設(shè)計(jì)，基于SVPWM的并聯(lián)型有源濾波器的設(shè)計(jì)以及基于MATLAB的并聯(lián)型有源電力濾波器的仿真設(shè)計(jì)等濾波器的研究方法。其中，基于Pspice仿真的EMI濾波器設(shè)計(jì)方案取得了極好的EMI濾波效果，這種優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法主要是基于Pspice仿真軟件對(duì)電源開(kāi)關(guān)濾波器的電路進(jìn)行溫度掃描分析、參數(shù)掃描分析以及濾波插入損耗分析等，實(shí)現(xiàn)對(duì)電路的優(yōu)化。筆者基于電磁噪聲仿真的EMI濾波器設(shè)計(jì)方法就是采用噪聲分離的方法分離出變換器的共模噪聲和差模噪聲，并在此基礎(chǔ)上計(jì)算出共模濾波器和差模濾波器的截止頻率，以此來(lái)設(shè)計(jì)電源開(kāi)關(guān)濾波器。具體的三相電源濾波器的設(shè)計(jì)中，以三相380V的開(kāi)關(guān)電源濾波器為例。在大型工業(yè)生產(chǎn)中，三相電源濾波器對(duì)于抑制電子設(shè)備的干擾頻率、穩(wěn)定電子設(shè)備的正常工作有著重要影響。三相電源濾波器主要由三相共模電感、共模電容、差模電容、差模電感以及泄放電阻組成，在具體的三相電源濾波器的設(shè)計(jì)中，首先，要根據(jù)三相電源濾波器的使用要求來(lái)確定濾波器的參數(shù)，參數(shù)包括電阻取值、電容取值以及電感取值，其中，共模電容由于連接在相線（或中線）與地線之間，在選擇時(shí)，要滿足漏電流的相關(guān)規(guī)定，以防共模電容的失效導(dǎo)致的漏電，優(yōu)先選擇安規(guī)電容（電容失效時(shí)斷路），在確定共模電容后，再確定電感的取值，電感量的估算要考慮阻抗和頻率，要保證磁芯材料在很寬的范圍內(nèi)具有比較穩(wěn)定的磁導(dǎo)率。然后，要構(gòu)建等效的三相電源濾波器模型，并將構(gòu)建出的等效電路插入損耗來(lái)進(jìn)行仿真效果研究，探究三相電源濾波器對(duì)電磁干擾噪聲的衰減效果，在進(jìn)行具體電磁干擾探究的過(guò)程中，首先，要對(duì)仿真理想生產(chǎn)環(huán)境中的電源開(kāi)關(guān)的電磁噪聲頻率進(jìn)行觀察，然后，再觀察在理想的生產(chǎn)環(huán)境下，三相電源濾波器對(duì)電源開(kāi)關(guān)運(yùn)行過(guò)程中EMI改善效果，并在電磁頻率的基礎(chǔ)上對(duì)電容和電感進(jìn)行調(diào)整，得出三相電源濾波器的最優(yōu)插入損耗頻譜。仿真電磁噪聲環(huán)境下往往與實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境有一定的差異，比如，實(shí)際分布參數(shù)因材料與工藝差異，與理想模型參數(shù)存在一定的偏差，但是，通過(guò)對(duì)電源濾波器中電容和電感進(jìn)行一定的調(diào)整，就能夠提高濾波器的有效性，滿足實(shí)際濾波的需求。

3 結(jié)語(yǔ)

總之，電源濾波器在社會(huì)生產(chǎn)中對(duì)于提高電子設(shè)備的安全運(yùn)行有著重要作用，筆者對(duì)開(kāi)關(guān)電源濾波器的運(yùn)行原理、結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，從電磁噪聲仿真的角度對(duì)開(kāi)關(guān)電源濾波器進(jìn)行研究，并以三相開(kāi)關(guān)電源濾波器為例，提出了一種新的開(kāi)關(guān)電源濾波器的設(shè)計(jì)方式，以降低開(kāi)關(guān)電源的噪聲，保證電子設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。