2.7 EMI滤波器与插入损耗

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前面我们分析了共模噪声 差模噪声产生的机理 以及影响共模噪声差模噪声的 主要的一个电感的分布参数 电容的来源 那么这一节呢 我们就介绍一下 EMI 滤波器 EMI 滤波器 它就是我们来阻断 传输路径的一个设备 这是一个干扰 我们的电源 那么这个是我们的公网公共网络 那么这个噪声 它要经过一个传输路径 那么我们的滤波器 就放在这个传输路径上 它来阻挡 EMI 传导噪声 所以我们的滤波器有三个功能 一个 抑制电源设备本身 对外部产生的 EMI 抑制这个本身对外部产生的 EMI 第二个它还可以防止外来电磁噪声 干扰电源设备正常工作 也就是说蓝色这条路 外面的电网外面公网它的一些 不正常的一些干扰信号进来以后呢 也会被我的滤波器所滤除 那么第三个呢就是抑制由其它设备产生 经过我们电源来传播的一个 EMI 因为电源是给一个设备供电的 它是在我们整个电路里面的一个元件 那么很多噪声 就经过我的电源 传播到这个系统的各个地方去 所以说呢这个我们讲的 EMI 滤波器 并不是完全只是保证公网的噪声 不影响我的公网正常的这个波形 实际上呢在很多的直流电源系统里面 我们也需要这个滤波器 同样因为 DCDC 变换器 它也会产生一个噪声 那么它的噪声虽然不是直接 传到我的这个 220 的公网上面去 但是呢它会传到其它的 这个电源系统里面去 那么造成我们其它设备的不正常工作 所以说它也需要一个滤波器 来滤除这些噪声 那么 EMI 电源滤波器 它实际上就是两个低通的滤波器 它为什么这两个呢 一个是要衰减共模干扰和衰减差模干扰 一个衰减共模干扰一个衰减差模干扰 也就是说它能在一个阻带范围内 衰减传导噪声能量 而让公频或者直流 而没有衰减的或者很少衰减的传送过去 它是属于低通的 也就是说工频的是能够通过 直流能够通过去 但是高频噪声 那么在我们 EMI 标准里面 是从 150k-30M 这个频段的噪声全要把它给滤除掉 这就是我们滤波器的一个作用在这里 那么我们怎么来衡量 一个滤波器的性能 这个电阻是多少欧 但是对滤波器我们怎么来衡量它呢 那我们就用一个滤波器的插入损耗 这概念来衡量它 什么意思呢 就是由于滤波器接入电路 所引起的信号功率 或者说是电压或者电流损耗 和衰竭的程度 就把它定义为这个滤波器的插入损耗 也就是说我插入这个滤波器以后 你的功率衰减了多少?损耗多少? 所以叫做插入损耗 它是这样来定义的 insertion loss 插入损耗 IL=20log(V1/V2) 因为一个 log 单位 它的单位呢就变成 dB 了 分贝 所以插入损耗单位是分贝 V 是什么呢 是没有滤波器的时候 我的负载上面的电压 但是 V2 什么 V2 是我加上滤波器以后 负载上面的电压 这两个电压的比值就是它的衰减量 用 20log dB 来表达 那这个插入损耗呢它是频率的函数 也就说频率不一样 我这个滤波器所表现出来的 插入损耗就不同 这是概念 大家要理解这概念 比如说这个曲线 就是一个 EMI 滤波器 它的共模的插入损耗 你说频率增大了 它的插入损耗呢下降了 缓缓下降了 那所以它并不是频率的常数 它只是一个它的变化的一个函数 它跟频率有关 在一个插入损耗与阻抗有关 我们正常标准都是 50 欧 那是因为在电子系统里面 它的阻抗基本上都是匹配的 或者 50 欧或者 75 欧等等 它都是匹配的 所以呢它用 50 欧来作为一个标准阻抗 那么在我们开关电源里面 我们的 LISN 它是一个标准 50 欧的阻抗 这没有错就这个是 50 欧阻抗 但是呢我们的电源的阻抗 并不见得是50 欧 所以说我们实际上 我们电源噪声源阻抗它不会是 50 欧 它就很复杂了 往往比这个阻抗会更小 所以说呢这个电子系统里面的 插入损耗的概念 我们是把它引申到 我们的开关电源这里边来 但是呢这个只是一个引用而已 我们的激励比电子系统里面的还更复杂 因为它不是匹配的 它不是匹配的这意思 那么这张图呢 就是测量一个 EMI 滤波器 它有四个端嘛 它的共模噪声测量方法 它把 L N 线呢连起来 那就通过 L N 线到大地这样的一条 那么如果是差模噪声 它就通过这样的方法 测量它的差模噪声 它是从 L 线进去 从 N 线出来这样的噪声 那么我们再来看看滤波器 它的基本电路是什么样 滤波器很简单 它就是由电感电容来构成 电感是什么呢 它是一个高阻元件 因为频率越高 ωL 阻抗就越高 所以呢它对于噪声 说是起了一个阻挡的作用 它是一个大坝 噪声给你阻挡住 那么这个电感呢又分为 共模电感跟差模电 共模电感它滤除共模噪声 差模电感阻挡差模噪声 那么还有一个呢就是电容 电容是什么阻抗呢 它是一个低阻元件 因为 1/ωC 所以呢频率越高 它的它的这个阻抗就越小 它是属于低阻元件 那么低阻元件在我们滤波器里面 它对噪声就起了一个泄流的作用 它没办法阻挡 因为它是阻抗很低 但是呢它起了一个泄流作用 那我的噪声流过以后呢 经过这个低阻回路跑掉了 那还有一部分噪声 在我这个高阻的电感的阻挡下 它就被衰减下来了 所以说呢它造成就分为这两个 一个是堵 一个是疏 所以滤波器一定是 由L跟C这两个元件共同构成的 但是呢我们还要理解 噪声本质上它是一个能量 那如果 L 跟 C 这两个都没有耗能的话 都没有电阻没有耗能的话 这个噪声能量也没办法完全消失掉 但是呢它是通过噪声能量回来了 在这个回来循环的过程中间 通过铁芯的损耗 或者通过回路的电阻的损耗 噪声把它消耗掉 所以最终噪声是要被消耗掉的 那么这个是滤波器的基本元件 基本元件就是 L 跟 C 这两类 那么电容呢我们又分为 共模电容跟差模电 本质上它们都是电容 但是呢共模电容由于它是接到大地的 所以呢它还要有一个安规的要求 有一个安规的要求 要能够承受对地的高电压 那么差模电容 它接的是在 L 线跟 N 线之间的 它也有一个安规要求 但是它只要承受 L 线 跟 N 线的电压就够了 那它不涉及到人身的安全 因为共模电容是接到地的 它就涉及到人身的安全 那么滤波器的基本拓扑结构是什么 它就是 LC 构成嘛 但是呢还要考虑到 为了使噪声尽量反射 不让它传出去把它反射回来 那么就要求有一个阻抗失配的原则 不是匹配了 而是失配的原则 比如这个这是一个开关电源 我们滤波器呢是连接在 LISN 开关电源之间的 也就说我们滤波器从这边看进来 这个 LISN 是一个高阻 不管是差模的 100 欧 还是共模的 25 欧 它都属于高阻 那么从这边来说 它的右边看它是开关电源 那么开关电源的输出阻抗 跟据你不同的拓扑结构 它是不一样的 比如说这个是一个 PFC 电感 PFC 电路它这是一个 PFC 电感 那么由于它是 PFC 电路 所以它这里不能有电容 那么电感就直接 就是对应着我的输出的阻抗了 所以呢它是属于高阻的 可如果我这是一个 DCDC 变换器 这是一个电容 是一个直流的电容 那么它所表现出来的呢就是一个低阻 是一个低阻抗 或者如果我没有这个 PFC 电路 不是 PFC 功能的话 那么我输出输入呢有一个电容 有一个 BUS 电容 它也表现为低阻 因为电容是表现为低阻的 那么在这样情况下 我们就跟据这个阻抗失配原则 你高阻那么我滤波器往这边看的 就必须是低阻 那就必须接电容 这边呢也是一个电容 但是这边就不一样了 你是高阻 我这边呢就要是低阻 就要是一个电容 你是低阻我这边就要是个高阻 我就要是一个电感 那么这就决定了我们滤波器 它的一个基本结构是什么样的 就跟据阻抗的失配原则来决定 那么我们来看一看滤波器 有一阶跟二阶甚至更高阶 那一阶是最基本的 它的基本的结构就是这样子 这里面呢包含了差模跟共模两类滤波器 那如果我们把它分离出来 把它只看着它的共模 那共模什么意思呢 就是 L 线跟 N 线合起来 对大地的那个等效电路 我们就把 L 线跟 N 线合起来 那么这就是地 这时候呢 50 欧跟 50 欧并联起来了 因为 L 跟 N 是连在一起了 那就变成25欧 那么CY1跟CY1这两个也是并联的关系 所以就两倍的CY1 那么CY2跟CY2也是并联变成两倍的CY2 那么CX1这实际上是一个差模电容 由于我L线跟N线是连在一起了 所以这个电容就不起作用了 所以就不在这里面了 那 CX2 呢也一样 它也不在这里边了 那么 LCM 呢就是一个 共模滤波电感模电 那么由于 L 线跟 N 线连在一起 它就等于是一个电感叫做 LCM 那么这就形成了一个共模的等效电路 那么这边是共模的干扰 形成了这样的电路 那么首先我们来看差模 差模跟地就没关了 它就是 L 线跟 N 线之间了 就 L 线跟 N 线之间了 那么这时候呢它就 这两个电阻就串联 50欧跟50欧就串联了就变成了 100 欧 那么 CX1 就在这边 L 线跟 N 线之间 CX2 在这之间 那么CY1跟CY1按理说 它是可以把它串联起来的 但是一般来说 CY1< 所以呢我们就把这个呢把它忽略掉 本来的话是要放的 因为它也是串在这个 L N 线之间 把它忽略掉 所以呢就形成了 这样的一个差模的等效电路 所以它们的这个图看起来很复杂 但是等效出来 它就是一个简简单单的 Π 型滤波器 就是 Π 型滤波器 那当然这里面的阻抗 到底是电感还是电容 要看你的阻抗的失配原则 那么对于一阶的 EMI 滤波器 那么我们可以进一步分析 它的一个插入损耗 它基本上可以近似的 看成是这样的一条线 红的是真正的 但是把它近似看成是这样一条线 那么这里面就有两个参数 一个呢叫做转折频率 Turning frequency 就是转折频率 转折频率是由这几个参数来定的 就 LDM 跟 CS1 CS2 以及负载的阻抗一百欧来决定的 这里是开三次方 那么就把这这一点 零拉过来的这个频率给定了 坐标频率给定了 那么第二个呢是它的斜率 它的衰减程度 它是以每十倍频 -60dB 在衰减的 因为它是三次方 它有三个滤波元件 它就是三次方 一个滤波元件是 20dB 三个加起来就 60dB 它有这样的一个特性 那如果我的一阶滤波器插入损耗不够大 那怎么办 我就要用到二阶 那二阶呢就是多了一级了 那么这时候呢 它的转折频率就变成这样的一个函数了 它是开五次方 那么在这两个乘积 在相同的 LC 乘积下面 当然开五次方就更小了 这个转折频率就更低了 所以呢它就会这个就转折频率 FCDM 就会更小 那这是一点 第二点呢 由于它有五个这个储能元件 或者五个滤波元件 所以呢一个是 20dB 五个就 100dB 所以呢它就会以 每十倍频 100dB 的速率在下降 所以这两个比起来 一个是转折频率提前了 一个是衰减更厉害了 所以呢二阶滤波器 要比一阶滤波器具有更大的带宽跟衰减率 但是我们要记住 这些都是在理想的L跟C的情况下 那我们再来看看 CY 电容的作用 开关电源里面 CY 电容经常用到 那么 CY 电容放哪里呢 一般是放在原边绕组的静点 这个是原边的静点跟副边的静点之间 这是一个 CY 电容 所以如果从这个等效图上来看 我把 CY 电容接在这里 那么原来的噪声 它是从这个地方 到副边的地 回到 LISN 是吧 形成了我的共模噪声 那现在呢我增加了一条回路 CY 回路 只要我这个 CY 足够大 那么这个阻抗足够小 它就把大部分的噪声 就从这个电容上 CY 上分流了 所以 CY 电容它直接把 经由变压器副边传导的共模噪声 从 LISN 上分流一部分出来 那就是我的这个电压就会降低 所以从等效图上来看 很明显 CY 电容是寄在这个地方的 所以呢它的噪声 经过变压器的原副边电容流过来了 大部分噪声呢从 CY 电路上走掉了 那只有一部分小一部分呢 会通过我的 20 欧电阻表现为噪声 那理论上讲 如果我的 CY 足够大 或者说 CY 是短路的 那么只要把这两点一短路掉了 那么噪声源通过变压器 原副边电容产生噪声就不存在了 但是变压器隔离的作用 所以原副边是不可能短路的 所以这个就是一个矛盾的地方 所以说呢我们对 CY 电容 它还要满足一个工频漏电流的安规要求 也就是它不能太大 所以说我们在设计中间 尽量把 CY 电容用足 因为 CY 电容对抑制变压器噪声 变压器的这个共模噪声 是非常有效的一个办法 但是呢要受到这个漏电流 就是工频漏电流的要求 所以 CY 电容是有限的 这节到这里
课程介绍 共计8课时,1小时59分49秒

功率变换器电磁干扰及其相关电磁基础

电磁干扰问题是电力电子功率变换器的关键技术之一,它与电磁技术密切相关,其本质是电磁场问题,与磁性元件关系密切,从电磁场观点可以更深入更本质地理解电磁干扰问题。本章将介绍电场基本概念,电磁干扰基本概念,传导电磁干扰模型,滤波器感性元件,以及与电磁干扰相关的磁技术基础。
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主讲人简介

Speaker:陈为教授

他于1987年和1990年分别在福州大学获得硕士和博士学位。从199611月至199812月,他曾在美国弗吉尼亚州弗吉尼亚理工大学CPES(电力电子系统中心)担任高级客座教授两年。1999年至2008年,他一直在台达电子有限公司担任台达元件研究中心技术副总监和上海台达电力电子中心研发经理。他是CPSS(中国电源学会)理事会的执行委员,并担任CPSS变压器和电感器专业委员会主席。他一直从事开关电源,几十年来更专注于磁性和EMI技术。他与台达,中兴,华为,伊顿,欧姆龙,LGSchaffner等知名公司紧密技术合作。他发表了80多篇技术论文,其中包括21IEEE Transactions and Proceedings。他拥有来自中国和美国的20多项获得批准的专利。他的研究兴趣包括功率转换,高频功率磁性元件,EMI调试与解决方案,无线电力传输,电磁场分析与应用,电气开关设备等。

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