开关电源EMI滤波器原理与设计研究.doc

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1、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：在开关电源屮，EMT滤波器对共模和差模传导噪声的抑制起着显著的作用。在研究滤波器原理的基础JL,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体积、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、国防、家电产品等各个领域。在开关电源应用于交流电网的场合，整流电路往往导致输入电流的断续,这除了大大降低输入功率因数外,还增加了大量高次谐波。同吋，开

2、关电源屮功率开关管的高速开关动作（从几十kHz到数MHz）,形成TEMI（electromagneticinterference）骚扰源。从已发表的开关电源论文可知，在开关电源屮主要存在的干扰形式是传导干扰和近场辐射干扰，传导干扰还会注入电网，干扰接入电网的其他设备。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，避免环形地线，尽可能减少公共阻抗；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EMT滤波器衰减电网与开关电源对彼此的噪声干扰。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，计算制作以求逐步逼近设计要求。本文从EMI滤波原理入手，分

3、别通过对其共模和差模噪声模型的分析，给出实际工作中设计滤波器的方法，并分步骤给出设计实例。1EMI滤波器设计原理在开关电源屮，主要的EMT骚扰源是功率半导体器件开关动作产生的Av/At和d//df,因而电磁发EME（ElectromagneticEmission）通常是宽带的噪声信号，其频率范囤从开关工作频率到儿MHz。所以，传导型电磁环境（EME）的测量，正如很多国际和国家标准所规定，频率范围在0.15〜30MHzo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。基于丄述标准，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。在数字信号

4、处理领域普遍认同的低通滤波器概念同样适用于电力电子装置屮。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；（满足某一特定频率丘5有需要忆5的衰减）；2）对电网频率低衰减（满足规定的通带频率和通带低衰减）；3）低成本。1.1常用低通滤波器模型RMT滤波器通常置于开关电源与电网相连的前端，是由串联屯抗器和并联屯容器组成的低通滤波器。如图1所示，噪声源等效阻抗为乙叽。、电网等效阻抗为乙问滤波器指标（丘叩和忆山）可以由一阶、二阶或三阶低通滤波器实现，滤波器传递函数的计算通常在高频下近似，也就是说对于刀阶滤波器，忽略所有3*相关项（为处刀），只取含3〃

5、相关项。表1列出了几种常见的滤波器拓扑及其传递函数。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來的影响。图1滤波器设计等效电路表1几种滤波器模型及传递函数1.2EMI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，因血共模滤波器和差模滤波器应当分别设计。显然，针对两种不同模式的传导

6、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，并和应地体现在对应的滤波器设计过程屮，实现参数优化。在文献［6］和［7］屮，提供了两种用于区分共模和差模噪声的噪声分离器，他们能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。分离器的原理和使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@))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，G和©只用于抑制差模噪声，理想的共模扼流电感厶只用于抑

7、制共模噪声。但是，由于实际的厶绕制的不对称，在两组厶之间存在有漏感厶也可用于抑制差模噪声。G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G远大于G，G对差模抑制可忽略不计。同样，厶既可抑制共模干扰、又可抑制差模干扰，但厶远小于厶，因而对共模噪声抑制作用也相对很小。(a)常用的滤波器拓扑(b)共模衰减等效电路(c)差模晁减等效电路图2—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型低通滤波器，将等效共模电感记为厶，等效共模电容记为则有二厶;+2