基于最壞情況測(cè)試的開(kāi)關(guān)電源濾波器研究

鄭 山，鄧 堅(jiān)，盧 葉，全書(shū)海， 謝長(zhǎng)君

(1.武漢理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，湖北武漢430070；2.國(guó)網(wǎng)新源建設(shè)有限公司，北京100761)

基于最壞情況測(cè)試的開(kāi)關(guān)電源濾波器研究

鄭 山1，鄧 堅(jiān)1，盧 葉2，全書(shū)海1， 謝長(zhǎng)君1

(1.武漢理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，湖北武漢430070；2.國(guó)網(wǎng)新源建設(shè)有限公司，北京100761)

為了抑制開(kāi)關(guān)電源的傳導(dǎo)干擾，在開(kāi)關(guān)電源的線路上增加電磁干擾(EMI)濾波器。根據(jù)最大阻抗失配原理選擇EMI濾波器時(shí)，開(kāi)關(guān)電源的阻抗不確定，故很難快速選出滿(mǎn)意的濾波器。通過(guò)分析濾波器的主要參數(shù)及最壞情況測(cè)試方案，提出一種基于最壞情況衰減曲線選擇EMI濾波器的方法。根據(jù)該方法可以對(duì)EMI濾波器的實(shí)際效果做出有效估計(jì)，避免了濾波器選擇不合理導(dǎo)致的重復(fù)、費(fèi)時(shí)的測(cè)試。

濾波器；最壞情況測(cè)試；插入損耗；開(kāi)關(guān)電源

開(kāi)關(guān)電源在體積、效率、成本等方面優(yōu)勢(shì)突出，因而被廣泛應(yīng)用，其電磁兼容性能顯得尤為重要，良好的電磁兼容特性是開(kāi)關(guān)電源設(shè)備穩(wěn)定工作的必要條件。通常采用屏蔽的方法抑制輻射干擾，采用在電源端口加入電磁干擾(EMI)濾波器的方法抑制傳導(dǎo)干擾，達(dá)到電磁兼容的效果[1]。文獻(xiàn)[2]分析了EMI電源濾波器的阻抗匹配問(wèn)題，指出只有按最大限度的阻抗失配原則設(shè)計(jì)濾波器的輸入輸出阻抗，才能對(duì)電磁干擾實(shí)現(xiàn)最佳的抑制效果。由于電源阻抗不易確定[3-5]，這些方法的實(shí)際使用受到限制。本文分析了濾波器的最壞情況測(cè)試方案，提出了基于該測(cè)試的濾波器效果預(yù)測(cè)方法，在實(shí)際開(kāi)關(guān)電源中得到驗(yàn)證。

1 EMI濾波器的原理及主要參數(shù)

1.1 作用原理

根據(jù)傳導(dǎo)干擾的傳播方向，分為共模和差模干擾，差模干擾是電源線之間的電位差引起的，差模電流在電源線之間流動(dòng)，電流方向如圖1(a)所示；共模干擾是電源線相對(duì)于大地的電位差引起的，共模電流是在電源線與地線之間流動(dòng)的方向相同的電流，其電流流動(dòng)方向如圖1(b)所示。

圖1 共模與差模干擾圖解

由于差模干擾和共模干擾的形成原因不一樣，故兩者的頻譜范圍也不同，一般分為三個(gè)范圍：小于0.5 MHz時(shí)，以差模干擾為主；0.5～1 MHz的頻率范圍，差模和共模干擾共同存在；大于1 MHz時(shí)，以共模干擾為主。因此，各種產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中制定傳導(dǎo)騷擾限值也劃分為若干個(gè)區(qū)間。例如，在歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN61000-6-3中，傳導(dǎo)干擾指標(biāo)分為兩檔，見(jiàn)表1，dBμV是電壓?jiǎn)挝唬请妷合鄬?duì)于 1 μV的分貝值，即 dBμV= 20log(V/10－6)。例如：1 V對(duì)應(yīng)120 dBμV；10 V對(duì)應(yīng)140 dBμV。限值電壓是特定條件下線路阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)上測(cè)量電阻的電壓值，詳細(xì)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)CISPR 16。

表1 歐洲標(biāo)準(zhǔn)中的傳導(dǎo)干擾限值范圍舉例

1.2 濾波器的插入損耗

濾波器的主要參數(shù)有：插入損耗、額定電壓、額定電流、漏電流、效率、物理尺寸、使用條件等。其中插入損耗曲線(衰減曲線)是EMI濾波器的重要參數(shù)，定義為濾波器接入電路之前負(fù)載從信號(hào)源獲得的功率與濾波器接入電路之后負(fù)載從信號(hào)源獲得的功率之比，用分貝值表示，如圖2所示，是干擾信號(hào)源，是干擾信號(hào)源的阻抗，是負(fù)載阻抗。

由此可知，插入損耗的大小直接反映濾波器性能的好壞。

圖2 插入損耗的定義

2 EMI濾波器的選取

2.1 衰減曲線的測(cè)量

圖3 最壞情況測(cè)試方法

雖然該測(cè)試方法也沒(méi)有在實(shí)際電源設(shè)備上安裝濾波器后測(cè)量，但是這個(gè)規(guī)范化的結(jié)果可以相對(duì)準(zhǔn)確地反映濾波器在實(shí)際情況下的性能。SCHAFFNER公司的FN2200系列濾波器中額定電流在25～75 A范圍的EMI濾波器衰減曲線如圖4所示，曲線A是=50 Ω，=50 Ω時(shí)測(cè)得的差模衰減曲線；曲線B是=50 Ω，=50 Ω時(shí)測(cè)得的共模衰減曲線；曲線C是=0.1 Ω，=100 Ω時(shí)測(cè)得的差模衰減曲線；曲線 D是=100 Ω，=0.1 Ω時(shí)測(cè)得的差模衰減曲線。

圖4 濾波器衰減曲線

2.2 衰減曲線的使用

低于0.5～1 MHz時(shí)主要抑制差模干擾，在這個(gè)頻率范圍，50 Ω測(cè)試得到的差模衰減曲線A會(huì)高于實(shí)際所能達(dá)到的水平，而使用0.1 Ω/100 Ω測(cè)試得到的差模衰減曲線C、D更能反映實(shí)際的情況，實(shí)際得到的有效衰減略高于該曲線，由圖4可知，曲線C、D在13 kHz附近具有負(fù)的插入損耗，所以使用濾波器過(guò)濾這個(gè)頻段附近的干擾信號(hào)是不明智的，這種情況是由于阻抗不匹配造成的，而測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的測(cè)量范圍是從150 kHz開(kāi)始的，所以不必考慮；高于0.5～1MHz時(shí)以抑制共模干擾為主，曲線B給出了理想的衰減性能，實(shí)際效果要比B曲線差一些。值得注意的是，在大于1 MHz的高頻段的實(shí)際效果依賴(lài)于開(kāi)關(guān)電源的布局、濾波器的安裝等。

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

以一款可以雙向工作的DC/AC開(kāi)關(guān)電源變換器為例，其直流側(cè)額定電壓為380 V，逆變工作時(shí)額定輸入功率為12 kW，有效值約為32 A，用示波器測(cè)量的峰值電流可達(dá)到34 A。選擇FN 2200-50-34型號(hào)的濾波器，其衰減曲線如圖4所示。實(shí)驗(yàn)測(cè)量了安裝濾波器前后的傳導(dǎo)干擾水平，并進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖5所示。

圖5 實(shí)測(cè)傳導(dǎo)干擾與預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)比圖

圖5中，曲線A為沒(méi)有加裝EMI濾波器時(shí)測(cè)得的傳導(dǎo)干擾值；曲線B為加入EMI濾波器后測(cè)得的傳導(dǎo)干擾值；C為0.15～1 MHz時(shí)根據(jù)濾波器衰減曲線(圖4中C、D曲線)計(jì)算后的預(yù)測(cè)值；D為1～30MHz時(shí)根據(jù)濾波器衰減曲線 (圖4中B曲線)計(jì)算后的預(yù)測(cè)值。

加入濾波器后在0.15 MHz附近的傳導(dǎo)干擾值有不達(dá)標(biāo)的危險(xiǎn)，而實(shí)際測(cè)量中干擾值很接近規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)，勉強(qiáng)符合要求。在1～10 MHz頻段中測(cè)量的傳導(dǎo)干擾值與理想情況下的最優(yōu)值有很大差距，這是因?yàn)闉V波器的安裝存在問(wèn)題，機(jī)殼屏蔽不到位，干擾信號(hào)耦合到電源線上，使經(jīng)過(guò)濾波器后的電源線再次受到污染。

開(kāi)關(guān)電源EMI濾波器的效果不僅取決于本身的設(shè)計(jì)，而且在很大程度上依賴(lài)于正確安裝。在設(shè)計(jì)電源機(jī)箱的布局時(shí)考慮到濾波器安裝合理性，應(yīng)盡量切斷干擾源到輸入線的耦合路徑，最好將濾波器放在電源入口處，使濾波器的輸入線完全在機(jī)殼外部，電源外殼和濾波器外殼電氣接觸性要良好，達(dá)到屏蔽干擾的目的。若不能做到將濾波器安裝在電源入口，而是安裝在電源機(jī)殼中，那么需要將在機(jī)箱內(nèi)的這段導(dǎo)線用金屬屏蔽線包裹，并使屏蔽線與濾波器和機(jī)殼良好接觸。

3 總結(jié)

本文重點(diǎn)分析了濾波器的插入損耗參數(shù)，提出了通過(guò)濾波器的最壞情況測(cè)試參數(shù)預(yù)測(cè)濾波器實(shí)際效果的方法。根據(jù)該方法對(duì)12 kW開(kāi)關(guān)電源的傳導(dǎo)干擾進(jìn)行預(yù)測(cè)，并測(cè)量了加入濾波器前后的實(shí)際值。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，根據(jù)最壞情況測(cè)試參數(shù)預(yù)測(cè)方法得出的預(yù)測(cè)曲線能有效反映實(shí)際情況。

[1]倪志紅.雷達(dá)系統(tǒng)開(kāi)關(guān)電源電磁兼容技術(shù)研究[J].現(xiàn)代雷達(dá)，2006 (3)：91-94.

[2]雷新.電源EMI濾波器的設(shè)計(jì)、特性及其選取原則[J].電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗(yàn)，2002(4)：50-54.

[3]陳訓(xùn)龍，鄭洪波，牟光杰，等.電源EMI濾波器的技術(shù)參數(shù)及其應(yīng)用(下)[J].電氣時(shí)代，2007，10：128-130.

[4]武小軍，秦開(kāi)宇，唐博.EMI濾波器設(shè)計(jì)[J].電子測(cè)試，2011(7)：75-80，113.

[5]錢(qián)振宇，史建華.開(kāi)關(guān)電源的電磁兼容性設(shè)計(jì)、測(cè)試和典型案例[M].北京：電子工業(yè)出版社，2011.

圖6 循環(huán)工況下的實(shí)際車(chē)速

圖7 循環(huán)工況下整車(chē)擋位狀態(tài)

圖8 循環(huán)工況下SOC的變化值

由圖6可知，整個(gè)循環(huán)工況過(guò)程包含停車(chē)、加速、勻速、減速等不同車(chē)輛運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)應(yīng)圖7中整車(chē)的擋位切換狀態(tài)可知，整車(chē)升檔的車(chē)速分界線基本維持在30 km/h，而降檔則保持在20 km/h，這是符合整車(chē)控制策略“低速一擋驅(qū)動(dòng)、高速二擋驅(qū)動(dòng)”要求的。圖8為整車(chē)電池SOC在循環(huán)工況下的狀態(tài)曲線，SOC曲線上升表示整車(chē)處于能量回饋或者行車(chē)充電狀態(tài)，反之則表示整車(chē)處于能量消耗狀態(tài)，而SOC維持不變是由于整車(chē)控制策略中也包含停車(chē)不充電的情況。整個(gè)循環(huán)工況中，電池SOC變化值基本維持在初始SOC值(0.23)左右，這也證明了基于電池電量維持型的整車(chē)控制邏輯的正確性和控制器的魯棒性。

3.2 燃油經(jīng)濟(jì)性

本文的研究對(duì)象為新型四模混合動(dòng)力客車(chē)，與傳統(tǒng)客車(chē)燃油經(jīng)濟(jì)性的對(duì)比如表3所示，新型四模混合動(dòng)力客車(chē)節(jié)油效果很明顯，符合本文研究對(duì)象整車(chē)控制策略要求，同時(shí)體現(xiàn)了該混合動(dòng)力客車(chē)優(yōu)良的燃油經(jīng)濟(jì)性和排放性。

表3 四模混合動(dòng)力與傳統(tǒng)客車(chē)燃油經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

4 結(jié)論

本文針對(duì)新型四模混合動(dòng)力客車(chē)與傳統(tǒng)客車(chē)不同的結(jié)構(gòu)特性，分析了整車(chē)各部件的特性和工作時(shí)各個(gè)部件的關(guān)系，規(guī)劃了四種控制模式以及在四個(gè)不同驅(qū)動(dòng)模式下的控制策略，在已知整車(chē)基本參數(shù)情況下，采用中國(guó)典型城市工況對(duì)整車(chē)控制器進(jìn)行硬件在環(huán)仿真測(cè)試，通過(guò)分析仿真測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了控制策略的可行性，同時(shí)表明了該控制策略下的整車(chē)具有良好的燃油經(jīng)濟(jì)性與排放性。

參考文獻(xiàn)：

[1]KEULEN T V，MULLEMA D V，JAGER B D，et al.Design，implementation，and experimental validation of optimal power split control for hybrid electric trucks[J].Control Engineering Practice，2012，20:547-558.

Research on switching power supply filter based on worst-case measurement

In order to suppress conducted interference of switching power supply， the EMI filter was increased in switching power supply lines.It is difficult to select a satisfactory filter quickly based on the principal of maximum impedance mismatching，because the impedance of switching power supply is uncertain.Through analysis of the main parameters of the filter and the worst-case measurement， a method to select EMI filters by worst-case attenuation was presented.According to this method， a valid estimate of the actual effect of EMI filter could be made，avoiding the duplication and time consuming tests caused by unreasonable filter selection.

filter;worst-case measurement;insertion loss;switching power supply

TM 91

A

1002-087 X(2016)04-0873-03

2015-09-17

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51477125)；國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(“973”計(jì)劃)(2013CB632505)；湖北省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2014BEC074)

鄭山(1988—)，男，山西省人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)殚_(kāi)關(guān)電源技術(shù)。