魏應(yīng)冬,吳燮華
(浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院,浙江 杭州 310027)
摘要:在開關(guān)電源中,EMI濾波器對共模和差模傳導(dǎo)噪聲的抑制起著顯著的作用.在研究濾波器原理的基礎(chǔ)上,探討了一種對共模、差模信號進行獨立分析,分別建模的方法,最后基于此提出了一種EMI濾波器的設(shè)計程序.
關(guān)鍵詞:開關(guān)電源;EMI濾波器;共模;差模
0 引言
高頻開關(guān)電源由于其在體積、重量、功率密度、效率等方面的諸多優(yōu)點,已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)、國防、家電產(chǎn)品等各個領(lǐng)域.在開關(guān)電源應(yīng)用于交流電網(wǎng)的場合,整流電路往往導(dǎo)致輸入電流的斷續(xù),這除了大大降低輸入功率因數(shù)外,還增加了大量高次諧波.同時,開關(guān)電源中功率開關(guān)管的高速開關(guān)動作(從幾十kHz到數(shù)MHz),形成了EMI(electromagnetic interference)騷擾源.從已發(fā)表的開關(guān)電源論文可知,在開關(guān)電源中主要存在的干擾形式是傳導(dǎo)干擾和近場輻射干擾,傳導(dǎo)干擾還會注入電網(wǎng),干擾接入電網(wǎng)的其他設(shè)備.
減少傳導(dǎo)干擾的方法有很多,諸如合理鋪設(shè)地線,采取星型鋪地,避免環(huán)形地線,盡可能減少公共阻抗;設(shè)計合理的緩沖電路;減少電路雜散電容等.除此之外,可以利用EMI濾波器衰減電網(wǎng)與開關(guān)電源對彼此的噪聲干擾.
EMI騷擾通常難以精確描述,濾波器的設(shè)計通常是通過反復(fù)迭代,計算制作以求逐步逼近設(shè)計要求.本文從EMI濾波原理入手,分別通過對其共模和差模噪聲模型的分析,給出實際工作中設(shè)計濾波器的方法,并分步驟給出設(shè)計實例.
1 EMI濾波器設(shè)計原理
在開關(guān)電源中,主要的EMI騷擾源是功率半導(dǎo)體器件開關(guān)動作產(chǎn)生的dv/dt和di/dt,因而電磁發(fā)射EME(Electromagnetic Emission)通常是寬帶的噪聲信號,其頻率范圍從開關(guān)工作頻率到幾MHz.所以,傳導(dǎo)型電磁環(huán)境(EME)的測量,正如很多國際和國家標準所規(guī)定,頻率范圍在0.15~30MHz.設(shè)計EMI濾波器,就是要對開關(guān)頻率及其高次諧波的噪聲給予足夠的衰減.基于上述標準,通常情況下只要考慮將頻率高于150kHz的EME衰減至合理范圍內(nèi)即可.
在數(shù)字信號處理領(lǐng)域普遍認同的低通濾波器概念同樣適用于電力電子裝置中.簡言之,EMI濾波器設(shè)計可以理解為要滿足以下要求:
1)規(guī)定要求的阻帶頻率和阻帶衰減;(滿足某一特定頻率fstop有需要Hstop的衰減);
2)對電網(wǎng)頻率低衰減(滿足規(guī)定的通帶頻率和通帶低衰減);
3)低成本.
1.1 常用低通濾波器模型
EMI濾波器通常置于開關(guān)電源與電網(wǎng)相連的前端,是由串聯(lián)電抗器和并聯(lián)電容器組成的低通濾波器.如圖1所示,噪聲源等效阻抗為Zsource、電網(wǎng)等效阻抗為Zsink.濾波器指標(fstop和Hstop)可以由一階、二階或三階低通濾波器實現(xiàn),濾波器傳遞函數(shù)的計算通常在高頻下近似,也就是說對于n階濾波器,忽略所有ωk相關(guān)項(當k
圖1 濾波器設(shè)計等效電路
表1 幾種濾波器模型及傳遞函數(shù)
1.2 EMI濾波器等效電路
傳導(dǎo)型EMI噪聲包含共模(CM)噪聲和差模(DM)噪聲兩種.共模噪聲存在于所有交流相線(L、N)和共模地(E)之間,其產(chǎn)生來源被認為是兩電氣回路之間絕緣泄漏電流以及電磁場耦合等;差模噪聲存在于交流相線(L、N)之間,產(chǎn)生來源是脈動電流,開關(guān)器件的振鈴電流以及二極管的反向恢復(fù)特性.這兩種模式的傳導(dǎo)噪聲來源不同,傳導(dǎo)途徑也不同,因而共模濾波器和差模濾波器應(yīng)當分別設(shè)計.
顯然,針對兩種不同模式的傳導(dǎo)噪聲,將其分離并分別測量出實際水平是十分必要的,這將有利于確定那種模式的噪聲占主要部分,并相應(yīng)地體現(xiàn)在對應(yīng)的濾波器設(shè)計過程中,實現(xiàn)參數(shù)優(yōu)化.在文獻[6]和[7]中,提供了兩種用于區(qū)分共模和差模噪聲的噪聲分離器,他們能有選擇地對共?；虿钅Ｔ肼曋辽偎p50dB,因而可有效地測量出共模和差模成分.分離器的原理和使用超出了本文的討論范圍,詳細內(nèi)容可見參考文獻[6]和[7].
以一種常用的濾波器拓撲〔圖2(a)〕為例,分別對共模、差模噪聲濾波器等效電路進行分析.圖2(b)及圖2(c)分別代表濾波器共模衰減和差模衰減等效電路.分析電路可知,Cx1和Cx2只用于抑制差模噪聲,理想的共模扼流電感LC只用于抑制共模噪聲.但是,由于實際的LC繞制的不對稱,在兩組LC之間存在有漏感Lg也可用于抑制差模噪聲.Cy即可抑制共模干擾、又可抑制差模噪聲,只是由于差模抑制電容Cx2遠大于Cy,Cy對差模抑制可忽略不計.同樣,LD既可抑制共模干擾、又可抑制差模干擾,但LD遠小于LC,因而對共模噪聲抑制作用也相對很小.
(a)常用的濾波器拓撲
(b)共模衰減等效電路
(c)差模衰減等效電路
圖2 一種常用的濾波器拓撲
由表1和圖2可以推出,對于共模等效電路,濾波器模型為一個二階LC型低通濾波器,將等效共模電感記為LCM,等效共模電容記為CCM,則有
LCM=LC+LD(1)
CCM=2Cy(2)
對于差模等效電路,濾波器模型為一個三階CLC型低通濾波器,將等效差模電感記為LDM,等效差模電容記為CDM(令Cx1=Cx2且認為Cy/2<
LDM=2LD+Lg(3)
CDM=Cx1=Cx2(4)
LC型濾波器截止頻率計算公式為
fR,CM=(5)
將式(1)及式(2)代入式(5),則有
fR,CM=≈(LC>>LD)(6)
CLC型濾波器截止頻率計算公式為
fR,DM=(7)
將式(3)及式(4)代入式(7),則有
fR,DM=(8)
在噪聲源阻抗和電網(wǎng)阻抗均確定,且相互匹配的情況下,EMI濾波器對共模和差模噪聲的抑制作用,如圖3所示.
圖3 濾波器差模與共模衰減
2 設(shè)計EMI濾波器的實際方法
2.1 設(shè)計中的幾點考慮
EMI濾波器的效果不但依賴于其自身,還與噪聲源阻抗及電網(wǎng)阻抗有關(guān).電網(wǎng)阻抗Zsink通常利用靜態(tài)阻抗補償網(wǎng)絡(luò)(LISN)來校正,接在濾波器與電網(wǎng)之間,包括電感、電容和一個50Ω電阻,從而保證電網(wǎng)阻抗可由已知標準求出.而EMI源阻抗則取決于不同的變換器拓撲形式.
以典型的反激式開關(guān)電源為例,如圖4(a)所示,其全橋整流電路電流為斷續(xù)狀態(tài),電流電壓波形如圖5所示.對于共模噪聲,圖4(b)所示Zsource可以看作一個電流源IS和一個高阻抗ZP并聯(lián);圖4(c)中對于差模噪聲,取決于整流橋二極管通斷情況,Zsource有兩種狀態(tài):當其中任意兩只二極管導(dǎo)通時,Zsource等效為一個電壓源VS與一個低值阻抗ZS串連;當二極管全部截止時,等效為一個電流源IS和一個高阻抗ZP并聯(lián).因而噪聲源差模等效阻抗Zsource以2倍工頻頻率在上述兩種狀態(tài)切換[2].
(a)典型反激式開關(guān)電源
(b)共模噪聲源等效電路(c)差模噪聲源等效電路
圖4 典型反激式開關(guān)電源及其噪聲源等效電路
圖5 電源輸入端電壓、電流波形
在前述設(shè)計過程中,EMI濾波器元件(電感、電容)均被看作是理想的.然而由于實際元件存在寄生參數(shù),比如電容的寄生電感,電感間的寄生電容,以及PCB板布線存在的寄生參數(shù),實際的高頻特性往往與理想元件仿真有較大的差異.這涉及到EMC高頻建模等諸多問題,模型的參數(shù)往往較難確定,所以,本文僅考慮EMI濾波器的低頻抑制特性,而高頻建?？蓞⒖次墨I[8]等.故ZS及ZP取值與這些寄生電容、電感以及整流橋等效電容等寄生參數(shù)有關(guān),直接采用根據(jù)電路拓撲及參數(shù)建模的方案求解源阻抗難以實現(xiàn),因而,在設(shè)計中往往采用實際測量Zsource.
2.2 實際設(shè)計步驟
EMI濾波器設(shè)計往往要求在實現(xiàn)抑制噪聲的同時,自身體積要盡可能小,成本要盡可能低廉.同時,濾波效果也取決于實際的噪聲水平的高低,分析共模和差模噪聲的干擾權(quán)重,為此,在設(shè)計前要求確定以下參量,以實現(xiàn)設(shè)計的優(yōu)化.
1)測量干擾源等效阻抗Zsource和電網(wǎng)等效阻抗.實際過程中往往是依靠理論和經(jīng)驗的指導(dǎo),先作出電源的PCB板,這是因為共模、差模的噪聲源和干擾途徑互不相同,電路板走線的微小差異都可能導(dǎo)致很大EME變化.
2)測量出未加濾波器前的干擾噪聲頻譜,并利用噪聲分離器將共模噪聲VMEASUREE,CM和差模噪聲Vmeasure,CM分離,做出相應(yīng)的干擾頻譜.
接著就可以進行實際的設(shè)計了,仍以本文中提出的濾波器模型為例,步驟如下.
(1)依照式(9)計算濾波器所需要的共模、差模衰減,并做出曲線Vmeasure,CM-f和Vmeasure,DM-f,其中Vmeasure,CM和Vmeasure,DM已經(jīng)測得,Vstandard,CM和Vstandard,DM可參照傳導(dǎo)EMI干擾國標設(shè)定.加上3dB的原因在于用噪音分離器的測量值比實際值要大3dB.
(Vreq,CM)dB=(Vmeasure,CM)-(Vstandard,CM)+3dB
(Vreq,DM)dB=(Vmeasure,DM)-(Vstandard,DM)+3dB(9)
(2)由圖3可知,斜率分別為40dB/dec和60dB/dec的兩條斜線與頻率軸的交點即為fR,CM和fR,DM.作Vmeasure,CM-f和Vmeasure,DM-f的切線,切線斜率分別為40dB/dec和60dB/dec,比較可知,只要測量他們與頻率軸的交點,即可得出fR,CM和fR,DM,圖6所示為其示意圖.
(a)實線為共模目標衰減;虛線為斜率為40dB/dec切線
(b)實線為差模目標衰減;虛線為斜率為60dB/dec切線
圖6 fR,DM與fR,CM的確定
(3)濾波器元件參數(shù)設(shè)計
——共模參數(shù)的選取 Cy接在相線和大地之間,該電容器容量過大將會造成漏電流過大,安全性降低.對漏電流要求越小越好,安全標準通常為幾百μA到幾mA.
EMI對地漏電流Iy計算公式為
Iy=2πfCVc(10)
式中:f為電網(wǎng)頻率.
在本例中,Vc是電容Cy上的壓降,f=50Hz,C=2Cy,Vc=220/2=110V,則
Cy=(11)
若設(shè)定對地漏電流為0.15mA,可求得Cy≈2200pF.將Cy代入步驟(2)中求得fR,CM值,再將fR,CM代入式(6)中可得
Lc=(12)
——差模參數(shù)選取 由式(8)可知,Cx1,Cx2,以及LD的選取沒有唯一解,允許設(shè)計者有一定的自由度.
由圖2可知,共模電感Lc的漏感Lg也可抑制差模噪聲,有時為了簡化濾波器,也可以省去LD.經(jīng)驗表明,漏感Lg量值多為Lc量值的0.5%~2%.Lg可實測獲得.此時,相應(yīng)地Cx1、Ccx2值要更大.
3 結(jié)語
本文的論述是基于低通濾波器的低頻模型分析.由于實際元件寄生參數(shù)的影響,尤其在高頻段更加顯著,因而往往需要在第一次確定參數(shù)之后反復(fù)修正參數(shù),以及使用低ESR和ESL的電容,優(yōu)化繞制磁芯的材料和工藝,逐步逼近要求的技術(shù)指標.
由于只涉及到單級濾波器的設(shè)計,如LC型濾波器衰減程度只有40dB/dec,當要求衰減程度在60~80dB以上的指標時,往往需要使用多級濾波器.
通用型的EMI濾波器通常很難設(shè)計,這是由于不同的功率變換器之間,由于拓撲、選用元件、PCB布版等原因,電磁環(huán)境水平相差很大,再加上阻抗匹配的問題,在很大程度上影響了濾波器的通用性,所以,濾波器的設(shè)計往往需要有針對性,并在實際調(diào)試中逐步修正.
作者簡介
魏應(yīng)冬,男,碩士研究生,現(xiàn)從事電力電子拓撲及電磁兼容相關(guān)研究.
吳燮華,女,教授,碩士生導(dǎo)師,現(xiàn)從事電力電子系統(tǒng)集成及智能控制等方面研究.
