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开关电源EMI滤波器原理与设计研究

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电源

开关电源EMI滤波器原理与设计研究

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开关电源 EMI 滤波器原理与设计研究
魏应冬,吴燮华
(浙江大学电气工程学院,浙江
杭州
310027)
摘要:在开关电源中,EMI 滤波器对共模和差模传导噪声的抑制起着显著的½用。在研究滤波器
原理的基础上,探讨了一种对共模、差模信号进行独立分析,分别建模的方法,最后基于此提出
了一种 EMI 滤波器的设计程序。
关键词:开关电源;EMI 滤波器;共模;差模
0
引言
高频开关电源由于其在½积、重量、功率密度、效率等方面的诸多优点,已经被广泛地
应用于工业、½防、家电产品等各个领域。在开关电源应用于交流电½的场合,整流电路往往导
致输入电流的断续,这除了大大降½输入功率因数外,还增加了大量高次谐波。同时,开关电源
中功率开关管的高速开关动½(从几十 kHz 到数 MHz),½成了 EMI(electromagnetic
interference)骚扰源。从已发表的开关电源论文可知,在开关电源中主要存在的干扰½式是传
导干扰和近场辐射干扰,传导干扰还会注入电½,干扰接入电½的其他设备。
减少传导干扰的方法有很多,诸如合理铺设地线,采取星型铺地,避免环½地线,½可
½减少公共阻抗;设计合理的缓冲电路;减少电路杂散电容等。除此之外,可以利用 EMI 滤波器
衰减电½与开关电源对½此的噪声干扰。
EMI 骚扰通常难以精确描述,滤波器的设计通常是通过反复迭代,计算制½以求逐步逼
近设计要求。本文从 EMI 滤波原理入手,分别通过对其共模和差模噪声模型的分析,给出实际工
½中设计滤波器的方法,并分步骤给出设计实例。
1
EMI 滤波器设计原理
在开关电源中,主要的 EMI 骚扰源是功率半导½器件开关动½产生的 dv/dt 和 di/dt,
因而电磁发射 EME(Electromagnetic Emission)通常是½带的噪声信号,其频率范围从开关工½
频率到几 MHz。所以,传导型电磁环境(EME)的测量,正如很多½际和½家标准所规定,频率
范围在 0.15½30MHz。
设计 EMI 滤波器,
就是要对开关频率及其高次谐波的噪声给予足够的衰减。
基于上述标准,通常情况下只要考虑将频率高于 150kHz 的 EME 衰减至合理范围内即可。
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在数字信号处理领域普遍认同的½通滤波器概念同样适用于电力电子装½中。简言之,
EMI 滤波器设计可以理解为要满足以下要求:
1)规定要求的阻带频率和阻带衰减;(满足某一特定频率
f
stop
有需要
H
stop
的衰减);
2)对电½频率½衰减(满足规定的通带频率和通带½衰减);
3)½成本。
1.1
常用½通滤波器模型
EMI 滤波器通常½于开关电源与电½相连的前端,是由串联电抗器和并联电容器组成的½
通滤波器。
如图 1 所示,
噪声源等效阻抗为
Z
source
电½等效阻抗为
Z
sink
滤波器指标
f
stop
H
stop
可以由一阶、二阶或三阶½通滤波器实现,滤波器传递½数的计算通常在高频下近似,也就是说
k
n
对于
n
阶滤波器,½略所有ω 相关项(½
k<n),只取含ω
相关项。表 1 列出了几种常见的滤
波器拓扑及其传递½数。特别要注意的是要考虑输入、输出阻抗不匹配给滤波特性带来的½响。
图1
表1
几种滤波器模型及传递½数
滤波器设计等效电路
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1.2
EMI 滤波器等效电路
传导型 EMI 噪声包含共模(CM)噪声和差模(DM)噪声两种。共模噪声存在于所有交流相
线(L、N)和共模地(E)之间,其产生来源被认为是两电气回路之间绝缘泄漏电流以及电磁场耦合
等;差模噪声存在于交流相线(L、N)之间,产生来源是脉动电流,开关器件的振铃电流以及二极
管的反向恢复特性。这两种模式的传导噪声来源不同,传导途径也不同,因而共模滤波器和差模
滤波器应½分别设计。
显然,针对两种不同模式的传导噪声,将其分离并分别测量出实际水平是十分必要的,
这将有利于确定那种模式的噪声占主要部分,并相应地½现在对应的滤波器设计过程中,实现参
数优化。在文献[6]和[7]中,提供了两种用于区分共模和差模噪声的噪声分离器,他们½有选择
地对共模或差模噪声至少衰减 50dB,因而可有效地测量出共模和差模成分。分离器的原理和½
用超出了本文的讨论范围,详细内容可见参考文献[6]和[7]。
以一种常用的滤波器拓扑〔图 2(a)〕为例,分别对共模、差模噪声滤波器等效电路进行
分析。图 2(b)及图 2(c)分别代表滤波器共模衰减和差模衰减等效电路。分析电路可知,C
x1
C
x2
只用于抑制差模噪声,理想的共模扼流电感
L
C
只用于抑制共模噪声。½是,由于实际的
L
C
绕制
的不对称,在两组
L
C
之间存在有漏感
L
g
也可用于抑制差模噪声。C
y
即可抑制共模干扰、又可抑制
差模噪声,只是由于差模抑制电容
C
x2
远大于
C
y
,C
y
对差模抑制可½略不计。同样,L
D
既可抑制共
模干扰、又可抑制差模干扰,½
L
D
远小于
L
C
,因而对共模噪声抑制½用也相对很小。
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(a)常用的滤波器拓扑
(b)共模衰减等效电路
(c)差模衰减等效电路
图2
一种常用的滤波器拓扑
由表 1 和图 2 可以推出,对于共模等效电路,滤波器模型为一个二阶 LC 型½通滤波器,
将等效共模电感记为
L
CM
,等效共模电容记为
C
CM
,则有
L
CM
=L
C
L
D
(1)
C
CM
=2C
y
(2)
对于差模等效电路,滤波器模型为一个三阶
CLC
型½通滤波器,将等效差模电感记为
L
DM
等效差模电容记为
C
DM
(令
C
x1
=C
x2
且认为
C
y
/2<<C
x2
),则有
L
DM
=2L
D
+L
g
(3)
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C
DM
=C
x1
=C
x2
(4)
L
C
型滤波器截止频率计算公式为
f
R,CM
=
(5)
将式(1)及式(2)代入式(5),则有
f
R,CM
=
(L
C
>>
L
D
)(6)
CLC
型滤波器截止频率计算公式为
f
R,DM
=
(7)
将式(3)及式(4)代入式(7),则有
f
R,DM
=
(8)
在噪声源阻抗和电½阻抗均确定,且相互匹配的情况下,EMI 滤波器对共模和差模噪声
的抑制½用,如图 3 所示。
图3
2
2.1
设计 EMI 滤波器的实际方法
设计中的几点考虑
滤波器差模与共模衰减
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