開關(guān)電源ＥＭＩ濾波器的設(shè)計(jì)與仿真

王金霞　楊慶江　張　慧

摘 要:濾波是抑制傳導(dǎo)干擾的一種常用方法,為了提高濾波器性能和縮短開發(fā)時(shí)間,針對(duì)DC-DC開關(guān)電源介紹一種簡(jiǎn)單且效果良好的濾波器設(shè)計(jì)方法。闡述EMI電源濾波器的基本原理、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)原則和濾波器件的高頻特性,建立濾波器插入損耗仿真模型,對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行分析,最后通過實(shí)際測(cè)試,驗(yàn)證設(shè)計(jì)方法的正確性。同時(shí),在EMI電源濾波器設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,對(duì)濾波器進(jìn)行拓展功能的電路設(shè)計(jì),主要針對(duì)開關(guān)動(dòng)作所引起的浪涌電壓。

關(guān)鍵詞:網(wǎng)絡(luò)理論;EMI電源濾波器;插入損耗;開關(guān)電源

中圖分類號(hào):TN713文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B

文章編號(hào):1004-373X(2009)10-193-02

Design and Simulation of EMI Filter of Switching-mode Converter

WANG Jinxia1,YANG Qingjiang1,ZHANG Hui2

(1.Electric and Information College,Heilongjiang University of Science and Technology,Harbin,150027,China;2.Pacific Circuit Company,Dalian,116001,China)

Abstract:Filtering is a good way to suppress the conducted EMI.In order to improve the performance of filter and shorten the research and development time,a simple and good effect filter design method is presented in this dissertation for DC-DC switch power.Basic theory of EMI source filter,topological structure,principle of design and high frequency performance of filtering components are illustrated in this dissertation.Then filter insertion loss simulation model is established,simulation program is compiled and design results are analyzed.Finally,correction of design method is verified by practice test.At the same time,on the basis of design of EMI source filter,continuation function circuit of filter is designed.It is main against surge voltage by switch motion.

Keywords:network theory;EMI source filter;insertion loss;switch power

目前,在我國絕大多數(shù)工程設(shè)計(jì)中,尤其是在設(shè)計(jì)初期,很少考慮設(shè)備內(nèi)部電路對(duì)內(nèi)以及對(duì)外的電磁干擾問題,致使許多電力電子裝置性能都不能得到理想效果。往往是問題出現(xiàn)了才去尋找原因與解決方案,這既耗時(shí)又耗力,而且加大了產(chǎn)品的成本。因此,提高電力電子裝置的電磁兼容性[1]已成為十分重要的問題。為了提高產(chǎn)品質(zhì)量與可靠性,縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期,則要求進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)電力電子裝置電磁干擾特性的研究,特別是在設(shè)計(jì)初期,則考慮設(shè)備電路之間的電磁干擾是十分必要的,然而電磁干擾濾波器[2]是提高電力自動(dòng)化設(shè)備電磁兼容性的重要器件之一。

1 研究方法和實(shí)驗(yàn)方案

1.1 開關(guān)電源頻率分布

根據(jù)開關(guān)電源[3]產(chǎn)生共模、差模干擾的特點(diǎn),可以粗略按干擾的分布劃分3個(gè)頻段:0.15~0.50 MHz差模干擾為主;0.5~5 MHz差模、共模干擾共存;5~30 MHz共模干擾為主。

1.2 共模和差模等效電路

在進(jìn)行EMI電源濾波器電路結(jié)構(gòu)分析時(shí),通常將共模干擾和差模干擾分開分析,分別計(jì)算各自等效電路的A參數(shù)矩陣,并得出對(duì)應(yīng)的插入損耗[4]。

分別給出濾波器在理想狀態(tài)下的共模等效電路和差模等效電路如圖1、圖2所示。

1.3 干擾信號(hào)分析

近年來,共模和差模干擾信號(hào)分離技術(shù)發(fā)展日漸成熟,可通過多種方法獲得共模和差模干擾信號(hào)各自的相量成分大小。常用的干擾信號(hào)分離方法有電流探棒、差模拒斥網(wǎng)絡(luò)以及干擾分離器等。在進(jìn)行傳導(dǎo)型電磁干擾測(cè)量時(shí),必須使用傳輸線阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)[5],它是電磁兼容檢測(cè)規(guī)定的線性阻抗固定網(wǎng)絡(luò),其主要功能是提供待測(cè)物工作電源,隔絕外部干擾,并提供一個(gè)固定阻抗,以攝取待測(cè)物干擾,利用頻譜分析儀[6]讀取干擾的大小,測(cè)量電路如圖3所示。當(dāng)分別獲知干擾源共模和差模干擾大小時(shí),便可利用共模和差模等效濾波電路[7],并依據(jù)所需的衰減量設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)脑怠?/p>

根據(jù)現(xiàn)有條件,通過對(duì)測(cè)試結(jié)果和標(biāo)準(zhǔn)要求的綜合分析可得濾波器抑制共模和差模干擾需要達(dá)到衰減量。共模和差模插入損耗與頻率對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示。

2 程序設(shè)計(jì)及仿真

所有算法采用Matlab語言編程實(shí)現(xiàn)。從程序功能分為濾波器設(shè)計(jì)和濾波器分析兩大模塊。

2.1 共模電感和差模電感的計(jì)算

共模電感和差模電感的計(jì)算頻點(diǎn)是根據(jù)開關(guān)電源的工作頻率來取值的,分別是工作頻率、諧波頻率及幾個(gè)高頻點(diǎn)。

2.2 仿真結(jié)果分析

測(cè)試工作是對(duì)EMI電源濾波器性能做出評(píng)價(jià)的重要依據(jù),一般在電磁中進(jìn)行。電磁屏蔽室[8]是能夠提供防止電磁干擾、凈化電磁環(huán)境試驗(yàn)場(chǎng)所插入損耗常用的設(shè)備,一般是頻譜分析儀、人工電源網(wǎng)絡(luò)等,該實(shí)驗(yàn)使用的分析儀型號(hào)為HP3585ASPECTRUMAN ALYZER 20 Hz~40 MHz。表2所示為濾波器實(shí)際測(cè)得的共模和差模插入損耗。

2.3 結(jié)論

通過一個(gè)直流EMI電源濾波器的設(shè)計(jì)實(shí)例,闡述濾波器的整個(gè)設(shè)計(jì)流程。設(shè)計(jì)過程主要包括:首先明確EMC規(guī)范要求[9],選擇濾波電路結(jié)構(gòu),并使用網(wǎng)絡(luò)理論進(jìn)行分析,同時(shí)在分析干擾信號(hào)的基礎(chǔ)上給出濾波器的共模和差模插入損耗設(shè)計(jì)指標(biāo)[10]。在此使用Matlab軟件建立濾波器仿真模型,通過編程計(jì)算出部分濾波元件的參數(shù),并分別對(duì)濾波器的理想及高頻電路模型進(jìn)行仿真分析,討論元件參數(shù)、高頻分布參數(shù)及源、負(fù)載阻抗對(duì)濾波器頻率特性的影響。最后通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證濾波器設(shè)計(jì)方法和仿真模型的正確性。在此使用的濾波器設(shè)計(jì)方法同樣適用于多級(jí)濾波器、交流單相濾波器及交流三相濾波器。

3 結(jié) 語

總之,本設(shè)計(jì)是建立在網(wǎng)絡(luò)理論上的EMI電源濾波器設(shè)計(jì)技術(shù),能嚴(yán)格保證濾波器網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和網(wǎng)絡(luò)傳輸特性,使其彌補(bǔ)以前經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)的不足。同時(shí)結(jié)合實(shí)際工程技術(shù),使設(shè)計(jì)方案更加實(shí)用,縮短濾波器的開發(fā)周期,并節(jié)省研發(fā)成本。該設(shè)計(jì)方法使該設(shè)備具有抑制電氣電子設(shè)備的傳導(dǎo)干擾,提高電氣電子設(shè)備傳導(dǎo)敏感度水平,保證電氣電子設(shè)備整體或局部屏蔽效能等優(yōu)點(diǎn),同時(shí)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,性能可靠,操作方便,有較好的實(shí)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

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[10]錢照明,袁義生.開關(guān)電源EMC設(shè)計(jì)研究現(xiàn)狀及發(fā)展(下).電子產(chǎn)品世界,2003(8):69-71.

作者簡(jiǎn)介 王金霞 女,1980年出生。研究方向?yàn)殡娏﹄娮优c電力傳動(dòng)。