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    空调EMI电源滤波电路设计与仿真(一)

    来源:互联网    作者:吕继方  肖彪  王会  万今明  于洪涛

    1 引言

    随着变频技术的应用,电磁兼容设计成为空调开发过程中至关重要的一个环节。目前,空调中的开关电源、驱动模块等作为强干扰源,若无EMI滤波器,则无法满足相应的电磁兼容标准。

    EMI电源滤波器的作用是使有用的频率如工频或直流信号通过,使无用的干扰频率信号衰减,能够无衰减地通过滤波器的频率段称为滤波器的通带,通过时受到很大衰减的频率段称为滤波器的阻带。

    由于各种频率成分通过滤波器时衰减不同,所以滤波器的插入损耗是滤波器最重要的特性参数,插入损耗曲线随着频率的变化而变化,其定义如下:

    Loss(dB)=20log(U1/U2) (1)

    其中U1为信号源不接滤波器直接加在负载上的电压;U2为信号源通过滤波器后加在负载上的电压。

    EMI电源滤波器主要是针对电源线上的干扰信号进行抑制,通常按照干扰信号传导路径不同可将这些干扰分为共模干扰和差模干扰,其中共模干扰存在电源线对大地或者中线对大地间;差模干扰存在电源相线与中线之间。对于三相电路来说,差模干扰还存在于相线与相线之间。图1为共模干扰和差模干扰示意图。

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    图1 共模干扰与差模干扰示意图

    2 滤波器件建模

    EMI电源滤波器一般由电容、电感等无源器件组成,图2为一典型EMI 滤波电路结构,本文以此滤波结构为基础进行仿真与测试。其中,L1、L2 为差模电感;C1、C2、C5、C6为Y电容;C3、C4为X电容;L3为共模扼流圈。

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    图2 典型EMI滤波电路

    2.1 X电容和Y电容

    由于电容中绝缘体的漏电阻、引线上的电感和电容等存在,实际电容器并不是纯粹的电容,其等效电路如图3(a)所示,其中Llead 和Clead 分别为引线上的电感和电容;Rplate为电容平行板的电阻;Rdiel 表示为电介质中的损耗。由于Rdiel 非常大可忽略,Clead 通常比电容标称值C 小得多,故等效电路可简化成图3(b)结构。其中电容的阻抗Zc 为:

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    图3 电容等效电路

    直流时图3所示的电路结构表现为一个开路,随着频率开始增长,电容的阻抗占支配地位,并以-20dB/10 倍频的速率随频率减小,电感的阻抗值增加;直到时其值与电容的阻抗相等,此频率下电路表现为一个净电阻;随着频率进一步增加,电感阻抗的幅度占支配地位,此时整个电容将表现为电感的特性。

    通过安捷伦阻抗分析仪4395A 对X 电容(2.2uF)进行测试,结果如图4 所示。通过图4 结果,并根据公式(2)可计算出该电容各参数;在ANSYS Designer 中建立该电容的等效模型,并仿真验证,得到该电容阻抗仿真结果,如图5 所示。对比测试与仿真结果,阻抗随频率变化基本一致,可见该方法建立的X 电容等效电路与该电容实际特性相符。

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    Y电容的建立方法与X 电容的建立方法一致。图6、7 分别为Y 电容(4.7nF)阻抗测试结果与仿真结果,谐振频率分别约为18.3MHz,18.8MHz,两者吻合良好。

    在使用X电容或Y电容时,抑制电流的频率须在电容的自谐振频率附近,否则该电容的实际阻抗将比理想特性阻抗要大。

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    2.2 差模电感

    一般常用的EMI 电源滤波器中差模电感都是由线圈绕制而成,磁芯为铁氧体软磁磁芯。考虑到电感自身的损耗电阻、分布电容等参数,实际电感的等效电路如图8 所示。

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    图8 电感等效电路模型

    其阻抗ZL为:

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    在直流时,ZL=R;随着频率增加,电感占主要支配地位,当达到电感自谐振频率时,寄生电容阻抗绝对值等于电感阻抗绝对值,此时ZL 达到最大值,随着频率的进一步增加,整个电感的阻抗将呈现电容阻抗特性。

    结合公式(3)在Designer 建立如图8 所示的等效电路并仿真,仿真结果如图9 所示,该差模电感在0.89MHz 发生谐振。

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    图9 差模电感阻抗仿真结果

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