EMI濾波器的寄生效應分析

宛野 萬里

摘要：EMI濾波器作為減少系統對外部設備產生電磁干擾的重要設備，在工業生產中得到了廣泛應用。但寄生效應會對EMI濾波器的高頻特性產生影響，從而影響EMI濾波器的濾波效果。現建立了EMI濾波器的高頻模型，并提出了消除共模電感寄生電容的辦法。

關鍵詞：EMI濾波器;寄生效應;共模電感;寄生電容

0? ? 引言

對于電氣設備而言，電磁環境污染已經成為了很重要的問題，任何電氣電子設備對周圍的環境而言都是潛在的噪聲源，高幅度的擾動會導致位于共同環境的電氣電子設備功能失效，只有電氣電子設備在同一環境與其他設備可以相互容忍，此時才可認為做到了電磁兼容。

為了實現電磁兼容，應降低設備或系統的電磁發射水平或者是提高設備的電磁抗干擾度。實踐證明，濾波是一種很好的降低騷擾發射傳導的辦法。EMI濾波器在電磁兼容設計中起到了很大的作用，但在實踐中EMI濾波器并不能很好地抑制傳導，從其結構分析，很可能是因為濾波器本身的寄生參數對其性能產生了影響，因此對EMI濾波器的寄生效應進行分析變得很重要。

1? ? 寄生效應對EMI濾波器性能的影響

從原理和結構上來看，EMI濾波器應當是一種簡單高效抑制傳導的設備，但從實際上來看，很多EMI濾波器并沒有表現出很好的抑制傳導的特性。其原因很多，例如最初的濾波器參數設計不合適，或者插入損耗的測試方式與實際不符等。

如圖1所示，從結構上分析，EMI濾波器是一個由大量的電感和電容組合起來的設備，而如果存在電感和電容就一定會產生寄生效應。寄生效應一般分兩類：（1）繞組寄生電容與繞組電感、電容器的引線電感與電容器之間的自諧振對濾波器性能所產生的影響;（2）由于布局和封裝產生的寄生效應。在此文中主要分析第一類寄生效應對EMI濾波器性能的影響。那么寄生參數對EMI濾波器究竟產生了何種影響？

文獻[1]通過一個簡單的實驗，對應用于1 kW開關電源的EMI濾波器進行了具體分析，如圖2所示。

根據該EMI濾波器的設計參數，在其理想狀態下（不考慮寄生參數），源阻抗為50 Ω，通過PSPICE仿真，可以得到共模電流衰減的幅頻特性圖。但是實際上由于寄生參數的影響，濾波器的實際特性與理想值存在著很大的差別。可以通過HP4395A網絡/頻譜/阻抗測試儀，測出該EMI濾波器實際共模衰減的幅頻特性。

從實測結果來看，寄生效應導致EMI濾波器的阻抗在高頻段產生了一個突變。為了能夠更好地去分析寄生效應，我們對EMI濾波器進行了建模。

2? ? 該EMI濾波器的高頻模型

首先對共模電感進行建模。對于共模電感而言，其繞組兩端存在著寄生電容。除此之外，其對于高頻模型而言，還存在著繞組漏感。這使得共模電感的高頻模型變得更加復雜。假定共模電感的兩個繞組具有完全相同的電磁參數和完全對稱的結構，可以得出共模電感的等效電路，如圖3所示。

對于共模阻抗的測量可以選擇HP4395A網絡/頻譜/阻抗測試儀，頻率范圍選定為9 kHz～30 MHz。

阻抗測量的方法是將P1和P2相連，P3和P4相連，測P1和P3端口的等效阻抗，從而可以得到共模電感的實際等效阻抗的幅頻特性。從共模電感阻抗的幅頻特性上看，在低頻段共模電感表現為感性，在9 kHz的阻抗值為：

共模電感在高頻段則表現為容性，共模電感在30 MHz的阻抗值為：

然后對電容進行建模，由于電容有引線電感的存在，因此電容存在一個自諧振頻率。在自諧振頻率以下電容表現為容性，在自諧振頻率以上電容變現為感性。因此可以得出該濾波器的等效模型，如圖4所示。

從所建立的等效模型來看，影響EMI濾波器性能的寄生參數主要就是共模電感的繞組寄生電容和電容器的引線電感。從抑制共模電流的角度來看，共模電感應在盡可能寬的頻帶上表現為感性，如果共模電感的寄生電容被消除了，那么EMI濾波器的性能將會得到很大提高。

3? ? 消除共模電感寄生電容的辦法

如要消除共模電感的寄生電容，首先應當知道共模電感的寄生電容是如何產生的。寄生電容一共分為三類，一類是閘間電容Ca，一類是閘芯電容Cb，還有一類是繞組與繞組之間的電容Cc。其中Ca與一部分的Cb構成了等效的寄生電容，Cc與一部分的Cb構成了跨接在兩繞組的電容CN。則可以得到等效的共模電感電路，如圖5所示。

有了該耦合的共模電感等效電路，便可以對寄生電容EPC進行消去了。方法為將共模電感兩繞組的中心抽頭分別連上對地電容，如圖6所示。

在保證每個繞組的兩個半繞組耦合系數為1時，對于圖6去耦合，然后運用電路理論里的T形到Π形的網絡變換可以得到圖7所示等效電路。

通過去耦合和等效變換可以得到Ze的值：

從上式可以分析出當C1=4EPC時，寄生電容可以完全被消除，便可得到圖8所示等效電路。

4? ? 結語

此辦法已經成功應用于具有平面結構的集成型共模電感，因為平面結構很容易使兩個半繞組具有高耦合性。但對于傳統的非集成共模電感而言，由于耦合系數不高，因此消除寄生電容的效果并不好。

所以該辦法存在的問題便是很難保證單個繞組內部兩個半繞組之間有接近1的磁耦合系數，如果該耦合系數不高，EPC的抑制效果會很差。

[參考文獻]

[1] LIU D H，JIANG J G.High frequency characteristic analysis of EMI filter in switch mode power supply（SMPS）[C]//Proceedings of Power Electronics Speci-alists Conference，2002：2039-2043.

[2] NEUGEBAUER T C，PHINNEY J W，PERREAULT D J.Filters and components with inductance cancellation[J].IEEE Transactions on Industry Applications，2004，40（2）：483-491.

[3] WANG SHUO，LEE F C，VAN WYK J D.Design of inductor winding capacitance cancellation for EMI suppression[C].IEEE Transactions on Power Electronics，2006，21（6）：1825-1832.

收稿日期：2020-05-25

作者簡介：宛野（1992—），男，河南安陽人，碩士，助理工程師，研究方向：電力電子與電力傳動。