EMI無源濾波器設計

王琳 何云龍

摘 要：經驗表明，任何電力電子裝置均存在著較大的傳導干擾發射問題，即便是設計了很好的屏蔽和接地措施，問題仍然存在。為此需要采用相應的手段抑制傳導干擾發射，而濾波是抑制傳導干擾的有效方法。EMI濾波器的作用是將傳導干擾減小到一定程度，滿足標準的要求。因為電磁兼容標準對于傳導干擾發射的要求極其嚴格，所以對于本方案來說，如何設計制作有較好的濾波效果的EMI濾波器就顯得非常關鍵。

關鍵詞：EMI；濾波器干擾理

1 EMI濾波器的性能指標

EMI濾波器的主要技術性能參數有阻抗匹配、插入損耗、絕緣電阻、額定電流、泄露電流以及無論尺寸、環境、機械和可靠性。其中評價電磁干擾濾波器優劣最主要的指標便是插入損耗的參數，漏電流涉及到人身安全，這兩項指標在設計時需重點考慮。

作為描述EMI濾波器效果最重要的技術性能參數之一的插入損耗IL（Insertion Loss），是用來表述EMI濾波器的衰減的。插入損耗的定義如圖1所示。

（a）插入濾波器前 （b）插入濾波器后

圖1 插入損耗示意圖

圖中參數定義：Us（噪聲源），Zs（源阻抗），Zl（電網阻抗），U1（沒有接入濾波器時噪聲源對電網的干擾電壓），U1（接入濾波器后噪聲源對電網的干擾電壓）。EMI濾波器的插入損耗定義為：

在上式中，接入濾波器后從干擾源傳輸到負載的功率即為未接入濾波器時從干擾源傳輸到負載的功率。

從定義式（1）可以看出，濾波器工作效果好的前提便是插入損耗變大。要使EMI濾波器有較好的抑制干擾效果，需要插入損耗值盡可能的高，且保證EMI濾波器要滿足安全、環境、機械和可靠性能的全部要求。

通過集總參數電路分析，可以得到EMI濾波器插入損耗的理論值。為了進一步研究濾波器的插入損耗，表征濾波器的性能，在此引入二端口網絡理論，二端口網絡如圖2所示。

圖2二端口網絡

二端口網絡的T參數方程表示為：

嚴格的說，EMI濾波器并不是一個線性網絡，因為它含有電感、電容等非線性元件。但在小信號激勵下，能近似地看作是線性的。因此我們把小信號激勵下的EMI濾波器近似地看作是線性的。這里把小信號激勵下的EMI濾波器看作一個線性無源二端口網絡，就可以用二端口網絡的各種參數矩陣來描述它。以T參數為例來分析和描述EMI濾波器的特征。

用T參數來分析EMI濾波器特性。根據圖2有下式：

（3）

聯立T參數方程，可得：

（4）

于是，EMI濾波器的插入損耗可表示為：

（5）

可以看出，EMI濾波器的插入損耗同濾波器的網絡參數、源阻抗、負載阻抗三者都相關。于是，對于一個T參數已知的濾波器來說，只要知道源阻抗和負載阻抗就可以計算出插入損耗的理論值。

相關標準為了滿足安全的要求，最大泄露電流值的大小隨著使用場合的不同而變化。裝設在非移動且接地的設備上濾波器的漏電流值應小于3.5mA，否則將危及人身安全；而在可移動設備上的濾波器的最大漏電流為lmA。對于交流EMI濾波器來說，泄漏電流與電網的電壓和頻率成正比。對于直流EMI濾波器，所采用的標準中規定共模電容的取值為0.075uF/kW。

2 EMI濾波器的設計

第一步，分別進行差模噪聲和共模噪聲的預測分析，從而得到EMI濾波器必須提供的噪聲衰減量；第二步，選擇合適的拓撲并計算所需的濾波器元件值；第三步，在被測設備的電源輸入端加上設計好的濾波器，檢查此時的噪聲是否符合設計要求。

2.1預測差模噪聲和共模噪聲

對于三電平H橋逆變器產生的EMI噪聲的預測，得到差模噪聲和共模噪聲的頻譜是抑制三電平H橋逆變器傳導干擾的首要步驟。

2.2計算所需的衰減量

當得到共模、差模噪聲頻譜之后，便要計算所需的干擾信號插入損耗量。首先要令所需的衰減量大于等于噪聲值與期望值之差，才可使經過濾波器后的噪聲被抑制在期望值以下。本文采取頻點法計算，計算多個頻率點的衰減量，并將它們連接起來，得到一條衰減曲線。在此基礎上，要在計算的衰減量上加一個6dB的衰減裕量，從而避免相位相同或相位相反而使得兩條電源線的總電壓噪聲超過規范的情況，也即令噪聲抑制的要求更為嚴格。

2.3選擇濾波器結構

EMI濾波器作為無源網絡，因其具有互易性，所以把負載接在EMI濾波器的輸入端或者輸出端均可。但在實際應用中，為了使EMI濾波器在通帶頻率范圍和在截止頻率處的插入損耗在阻抗嚴重失配條件下都能滿足設計要求，必須將EMI濾波器的輸入輸出端合理的連接到源阻抗和負載阻抗。可以按下列方法選擇適當的濾波器結構，前提是在可以計算或者估計源阻抗和負載阻抗值的情況下：

（1）選擇T型濾波器的前提：源阻抗和負載阻抗都低；

（2）選擇LC型結構的前提：源阻抗低和負載阻抗高；

（3）選擇型結構的前提：源阻抗高和負載阻抗高；

（4）選擇CL型結構的前提：源阻抗高和負載阻抗低。

選擇拓撲時要考慮濾波器中電容電感的布置位置，從而選擇遵循“阻抗失配”原則，即電感與低的源阻抗或者負載阻抗串聯，電容與一個高的負載阻抗或源阻抗并聯。這樣，EMI濾波器中的LC電路仍能夠部分補償或削弱源阻抗和負載阻抗變動對濾波器特性的影響，也可以維持其諧振濾波特性。

2.4計算元件值

根據所需的衰減量和所確立的濾波器結構，就可根據插入損耗的定義計算元件值了。

2.5選取電容、設計制作電感

電容作為EMI濾波器中最基本的元件之一，其利用旁路作用濾除高頻噪聲。但其高頻下顯現的不理想特性會引發濾波效果變差，因此在選取電容時需要考慮其高頻特性。在理想的狀況下，若要使旁路作用越明顯，則電容的值要越大，容抗也要越小。但是在實際中，大電容的寄生電感也較大，這將使濾波器對高頻干擾信號的抑制變差，甚至會失去抑制高頻傳導干擾信號的作用。這些問題可以通過選擇特殊結構或材料的電容來解決。電容的引線是影響高頻性能的重要因素之一，也是最容易忽視的問題。電容的引線長度就是影響等效串聯電感的一個重要參數，引線越長，等效串聯電感就越大。

根據電感的高頻特性分析，電感的高頻特性同電感量及其分布電容都有著直接的關系。分布電容將影響電感在同一電感值下的插入損耗與阻抗特性，分布電容為零，則插入損耗頻響最好，呈線性；分布電容越大，插入損耗頻響越差。通常，在分析濾波器網絡時，電感的分布電容約為5～100pF。只有減小分布電容電感，才可獲得理想的插入損耗。要做到這一點，就要從線圈的結構入手，線圈的繞制方法，匝數和結構對降低線圈的分步電容是至關重要的。在繞制線圈時應盡量采用單層密繞，以減小電感匝數間的分布電容；在不得已需要繞第二層的情況下，也應盡量減少第二層的匝數；而對于多層繞組，則應采用分段繞制的方法減小分布電容。

參考文獻：

[1]薄保中，蘇彥民.三電平逆變器的分析與控制[J].電氣傳動，2003，33（2）：14-17.

[2] 錢照明，陳恒林.電力電子裝置電磁兼容研究最新進展.電工技術學報，2007，22（07）：1-11.

[3] Mahdavi J， Kaboli S H， Toliyat H A. Conducted electromagnetic emissions in unity power factor AC/DC converters： comparison between PWM and RPWM techniques[C]// Power Electronics Specialists Conference， 1999. Pesc 99. IEEE. IEEE Xplore， 1999，16（2）：881-885.

[4] Experimental comparison of conducted EMI emissions between a zero-voltage transition circuit and a hard switching circuit[C]// Power Electronics Specialists Conference， 1996. Pesc '96 Record. IEEE. IEEE Xplore， 1996，13（2）：1992-1997.

[5] Laboure E， Costa F， Gautier C， et al. Accurate simulation of conducted interferences in isolated DC to DC converters regarding to EMI standards[C]// Power Electronics Specialists Conference， 1996. Pesc '96 Record. IEEE. IEEE Xplore， 1996，13（2）：1973-1978

[6]袁義生.功率變換器電磁干擾的建模.[D].浙江：浙江大學，2002.

[7] 陳恒林.EMI濾波器高頻建模—寄生效應研究.[D].浙江：浙江大學，2007.

[8] 馬偉明.電力電子系統中的電磁兼容[M].武漢：武漢水利電力大學出版社，1999.

[9] 孟進.電力電子系統傳導干擾建模和預測方法研究.[D].湖北：海軍工程大學，2006.

[10]孟進，馬偉明，張磊，等.變換器傳導電磁干擾集中等效模型參數估計方法[J].電工技術學報，2005，20（6）：25-29.