最坏情况下电源EMI滤波器原理与设计研究_图文

最坏情况下无源EMI滤波器的设计王永鑫。等

最坏情况下无源EMI滤波器的设计
Designing Passive EM I Filter under the

Worst Circumstances 互采鑫 魏右影 阮傻旌

舍主事

(同济大学电气工程系,上海200331)

摘要:为了解决实际应用中的无源滤波器阻抗失配问题,首先从无源滤波器的基本设计原理出发,对无源EMI滤波器的设计进行 了分析和讨论,并立足于理论基础,对其进行了较为详细的讨论和设计,应用匹配网络法,重点讨论了最坏情况下无源EMI滤波器的 设计方法。最后对设计结果进行了仿真和分析,通过仿真结果对结论进行了验证。 关键词:EMI滤波器插入损耗阻抗失配匹配网络衰减因子 中图分类号:TN713
Abstract:In order
tO

文献标志码:A
resolve the mismatch problem of passive filter,based
at
on

the fundamental design principle of the passive fiher,the

design
given

of passive EMI filter is analyzed and discussed

first.Then,on the basis of theoretical foundation,more detailed and practical design

are

in further.By using the method of matching network。the

design

of passive EMI filter under the worst circumstances is emphasized.Finally。the

design result is emulated and analyzed.The conclusion is verified by simulation result.
Keywords:EMI filter Insertion loss

Impedance

mismatch

Matching network

Attenuation factor



引言
本文从无源滤波器的原理人手,分析了无源EMI

来对其四端网络特性进行描述,即:
Ul=All

U2一A12厶

,l=A21%一A22,2

(1)

如图1所示,从滤波器噪声源侧看入,输入阻抗 Z1i为:

滤波器的设计方法。针对实际中无源滤波器阻抗失配 问题,对无源EMI滤波器进行了较为详细的讨论和设 计,应用匹配网络法,重点讨论了最坏情况下无源EMI 滤波器的设计方法。文章最后对一实例设计结果进行 了仿真和分析,验证了设计方法的正确性。


瓦=等嚣
从滤波器的负载侧看,其输出阻抗乙。为:

㈤ ㈩ ㈩

无源滤波器的基本概念
图1为无源滤波器的插入损耗示意图。在分析和

死=若箍
儿讪-g(鲁)
通过计算可得到:

滤波器的插入损耗(Insertion Loss—IL)定义为:

设计无源滤波器时,为了方便起见,经常采用参数A。

式中:P。为不接滤波器时从噪声源传送到负载Z。的 功率;P:为接入滤波器后传送到负载Z。上的功率。

儿州?g坐兰箍等生(5)
2滤波器的阻抗失配问题
设计用于电力电子装置的EMI滤波器时,必须面 对这样一个难题,即滤波器输入端噪声源的阻抗z。与
图1
Fig.1

无源滤波器插入损耗示意图

负载阻抗z】是任意的,它不可能满足Z。=Z,的阻抗 匹配条件。 EMI滤波器的电路结构如图2所示。这些结构即使

Schematic of insertion loss of passive filter

修改稿收到日期:2007一09—10。 第一作者王永鑫,男,1983年生,现为同济大学电机与电器专业在读 硕士研究生;主要从事低压电器电磁分析的研究。

在严重阻抗失配的情况下,仍能提供每10倍频60

dB

的插入损耗。从图2可知,构成这些电路结构的基本
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万方数据

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最坏情况下无源EMI滤波器的设计 出发点是,用电抗器与低的源阻抗或者负载阻抗串联, 或者用电容器与一个高的源阻抗或负载阻抗并联。这 样,EMI滤波器中的Lc电路仍可以维持其谐振滤波 特性,同时也能够部分补偿或削弱源阻抗和负载阻抗 变动对滤波器滤波特性的影响。 声抑制元件可采用图3(b)所示的电路。

王永鑫,等

r呻堕

EMI滤波嚣

I奶

山f

(曩)带有损耗匹配电阻

z.近似于0

(^)T型网络

F孓
图3
Fig.3

EMI滤波器(‘.)

酽司

(b)带‘‘p”及~”匹配网络

z.近似于无穷大

EMI滤波器设计
Design of EMI filter

(b)H型网络

在图3(b)中,电容C,在工作频率下的容抗必须 要比R。高得多,而在高于截止频率五下的容抗则应
zt近似于无穷大

远低于R。的值。在工作频率下,R。造成的损耗因低 阻抗扼流线圈£。的并联而大大降低,因为在低频情况

(c)2PJI'LC网络 zl近似于无穷大 Ll
L2

下,£。的阻抗很低,将R。旁路;而在截止频率^以上, L。的阻抗则远高于R。,使尺。能有效地扼制谐振和减
zI近似于0

小阻抗失配的影响。 若用砥表示无匹配网络下的衰减因子(即源阻抗 为0,高负载阻抗下的插入阻抗的插入损耗),则图3(b) 的衰减因子K可按下式计算:
K—I—

(d)2阶LTM络

图2
Fig.2

EMI滤波器的电路结构
Circuit
structure

of EMI filter



阻抗失配下的EMI滤波器设计
设计标准EMI滤波器的一般步骤先是决定滤波

篑U l=I鲁U|x K×I篑U


(7)






最坏情况下的衰减因子,可由式(4)中l善l和

器的电路结构,然后计算滤波器中各元件值和分析阻 抗失配的影响。本节着重介绍一种简便的最差情况

l篑l的最小值得到。将l百Ug I对“p”匹配网络的阻
抗即对z。求导,将l鲁l对“s”匹配网络的阻抗对z。
求导,可得极值。“P”和“S”网络的匹配效果可以这样 来表征: 加匹配网络后,最差情况下的衰减因子
’。

EMI滤波器设计方法——匹配网络法。
为了简化计算,常用计算电压衰减因子K来近似 计算插入损耗儿。因为电压衰减因子K不仅与插入 损耗紧密相关,而且也能恰当地描述滤波器噪声抑制 的真实情况。 最坏情况下插入损耗设计方法的基本出发点是借 助于在EMI滤波器的输人和输出部分,插入适当的匹 配网络,可以将由源阻抗和负载阻抗不匹配而引起的 不良影响削弱到可接受的程度。假设因阻抗不匹配造 成的插入损耗减少,设置变成信号增益,那么最简单的 匹配网络仅仅用如图3(a)所示的方法即可。只要采 用适当的尺。和R。,衰减因子(即插入损耗)将不会降 到某给定值以下。虽然这样的损耗匹配网络电路设计 十分方便,而且也能做到合适的阻抗匹配,但是由于电 阻对工作频率有用信号的衰减很大,使其不能成为实 际工程的解决方案。为此,实际应用的匹配网络和噪
《自动化仪表》第29卷第2期2008年2月


、。

截止频率.^.下不加匹配网络的衰减因子 式(8)的值通常大于1。这是因为在阻抗失配条件 下,电压衰减因子通常总是小于加了匹配网络以后的电 压衰减因子的。“P”网络的匹配效果用肛。来表示,“S” 网络的匹配效果用肛。来表示,则可以求得对并联电阻 R。及串联电阻R。的限制,并可表示成输入阻抗的形式: (9)
(10)

R,<X。。(∞。)×舸
R。>兰坐立 。>—二三三兰
、l威一1

式中:同式9为由输入端看人,在五处的开路阻抗;置。 (∞。)为由输出端看入,在五处的短路阻抗。
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万方数据

最坏情况下无源EMI滤波器的设计王永鑫。等 由图3可见,“P”匹配网络接在LC EMI滤波器的

输入端,因此,滤波器的等效源阻抗zp。变成“P”匹配网
络的阻抗与z。并联。同样,滤波器的等效负载阻抗z。。 等于“s”匹配网络的阻抗与z。串联。而z。和z。。的大 小和性质则随频率和z。z。而变。此外,我们也可从另 一角度来理解对匹配网络中所接电阻R。R。的限制。 在滤波器原边输入阻抗z。i低于其最小值时,“P” 匹配网络的接入必然减小了从滤波器噪声源看入的总 输入阻抗,从而消除了因阻抗失配所造成的不良影响;当

专+瓜焉…8一 ————;二兰;===


舻丽专i 骖去

(18)

(19)

(20)

滤波器副边输入阻抗瓦高于其最小值时,“s”匹配网络的
接人必须要能增加向负载侧看人的输入阻抗,从而消除 了因Z。阻抗失配所造成的不良影响。在这种情况下,阻 抗匹配情况对输入阻抗的影响可以用s来表示,它等于 带匹配网络时,从滤波器向源和负载侧看入的输入阻抗 与不带匹配网络时的相应输入阻抗的比值。综上所述,可 以将对匹配网络参数选择的限制,写成下列形式:

瓦6"s一√(妻)2一≤手
R。≤∞LL。咖:一1



(21)

上述设计思想和设计公式,虽然针对Lc滤波器, 但是,只要遵循下列设计原则,其同样适用于其它电路 结构:“P”匹配网络提供一个并联损耗支路,接在滤波 器输入阻抗高的一侧;“S”匹配网络提供一个串联损

耗支路,接在滤波器输入阻抗低的一侧。
(11) (12) 综上所述,现将最差情况下EMI滤波器的一般设 计步骤概括如下: ①首先决定最合适的滤波繇竹构。根据EMI滤 波器插入损耗、源阻抗和负载阻抗的大小,选择最合适 的EMI滤波器电路形式。对于最坏情况下的EMI滤 波器,在插入损耗要求不太高的场合,最好采用单级滤 波器,并加上合适的阻抗匹配网络。 ②设置匹配效果系数肛和输入阻抗匹配系数s 的数值。 ③设计匹配网络和滤波器电路的元件参数。其 实际采用的数值,在满足上述不等式限制条件下可自 由选用。C。、£。的数值应当越小越好,目的是减小低

z。1=I z。∥z,l<26",Zt。。i。 Z。。I=l Z。+Z。l>等}

借助于选取低的8。和8。,LC滤波器电路将工作 在接近于阻抗匹配状态,由于这时z。和z。的变化对 带匹配网络的EMI滤波器的输入阻抗不会造成明显 影响。应当指出,即使s<0.1,最差情况下EMI滤波 器的设计也不会十分困难,这是因为滤波电路和匹配 网络的电压衰减因数通常等于或大于插入损耗。LC 滤波器希望得到的理想衰减因子K。,可以根据最坏情 况下EMI滤波器的衰减因子的计算公式进行计算:

儿。≥K:K×旦!丛L生(13)


肛∥。

为了简化设计方法,我们假设s。较小,并且与z。 值无关,原边输入阻抗的最小值与副边开路时截止频 率.^.处的输入阻抗相等: Zli。i。=Z。。(∞L)=X1。 (14)

频损失,如可能,肛。和肛。的数值应当设为小于以。
④如果肛和占数值设置不当,计算得到的匹配网 络元件的数值将会不切实际,这时必须重新设置/z和 8的数值,并重新计算,直到满足要求为止。


在s。较小并且与z。无关,副边输入阻抗的最小值 与原边短路时的截止频率.^.处的原边输入阻抗相等: Z2i。i。=Zj。(∞。)=X2。 (15)

EMI滤波器设计实例
本节中将设计一个滤波器,在0.15~30 MHz范围

自行设置肛。舭。、占。、占。的值,根据式(11)~式(15)的 限制条件匹配网络的元件值,可按下列不等式进行计算:

内的插入损耗不小于40 4.1理论计算

dB。

C。≥——}
6"p(-OLA
lm

选用单级LC滤波电路,并在输入端接入“P”匹配 (16) 网络,输出端接入“S”匹配网络,以消除阻抗失配带来 的不良影响。

6"pXlm--√‘占pXlm)2一瓦毋鲫一≤ 厂—————————1—一 6"pXlm+√‘6"pXirn)2一瓦才(17)
60

厂————■————r一

设置s。=占。=o.05,肛,=肛。=√2。根据式(13),得
到要求该滤波器具有最小的电压衰减因子Ko=222。 为了使滤波器电感£上因流过额定工作电流而产 INSTRUMENTATION
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最坏情况下无源EMI滤波器的设计王永鑫。等 生的低频压降不致过大,取电感L=1 mH。又因为C=

告=而丽考而矛,取C=250


∞T

L2× 1 5 2× 10 10× 10 6 28 ;Fn
. .

滤波 一3’协抽昏议
(1)未加滤波电路的结构

器输出端开路时,输入阻抗:

z10喇等》
入阻抗:

(22)

滤波器输入端短路时,从滤波器输出端看入的输

zzs=如£高(23)
k~。£絮≯

(”加单级LC滤波电路的结构

根据式(14)、式(15),在频率为五时,上述两个输 入阻抗的数值分别为:
(c)带有-p”、“s'匹配Pq络的结构

五。=舭南
根据式(16),可得:

图4滤波电路基本电路结构
Fig.4 Basic
structure

of the filtering circuit



c,≥三未=22.6
的限制范围为:26.3

c nF,
.止

取C。=25 nF。根据式(17)、式(18),可得对R。
Q<R,<68.3 Q,R,>42.3

矗叠。i“.。。缸…~Ⅱ。。。。.。.
I’1。’H’r一"r

’ln

n’’叩…Ⅲ。l_阿r

。■晡mLlhPl ’唧■阿1”’1j

uk吐.IL皿uL._

’u1,q岬q’”oH

n,故
图5仿真波形
Fig.5

取R。=50 Q。根据式(19),可得£。的值:

L。≥旦:90.7(斗H)
占。60L

Waveforms of simulation

为了减少电网频率能量的损失,故取L。=100斗H。 根据式(20)、式(21),可得对R。的限制范围为:59
R。<152 Q<

5结束语
本文对无源EMI电源滤波器进行了分析和讨论, 并重点介绍了最坏情况下无源EMI滤波器的设计方 法,通过对设计结果进行了仿真,通过仿真对结论进行 了验证。
参考文献 [1]钱照明,程肇基.电力电子系统电磁兼容设计基础及干扰抑制 技术[M].杭州:浙江大学出版社,2000. [2]毛南,孙英.电子电路抗干扰实用技术[M].北京:国防工业出

Q及R。<94.5 Q,为了使电网频率能量损失
Q。

最小,取R。=91 4.2仿真结果

针对该滤波器的设计,我们将其设置为阻抗极度
失配的情况,即源阻抗接近无穷大,负载阻抗很小的情 况,在干扰频率为10 MHz时的滤波情况。滤波电路基 本电路结构如图4所示。 图4(a)中,干扰源工作频率10 MHz,源阻抗10
kIl,

版社.1996.

负载阻抗10 11;图4(b)中,添加了单级LC滤波电路; 图4(c)中,添加了带有“P”、“s”匹配网络,以对各种 阻抗进行匹配设计。图4(C)的仿真波形如图5所示。 当在阻抗失配的情况下,添加单级LC滤波器在 一定程度上虽然可以降低干扰的幅值,但是阻抗失配 的影响,使得滤波效果降低;当在滤波器上添加了 “P”、“s”匹配网络后,“P”、“s”匹配网络可以有效 对严重失配的源阻抗和负载阻抗进行匹配,达到优化 滤波器滤波效果的目的,从图5中可以得出该结论是 正确的。 《自动化仪表》第29卷第2期2008年2月

[3]王兆安,杨君,刘进军.谐波抑制和无功功率补偿[M].北京:
机械工业出版社,1998.

[4]马大铭,朱东起,谢磊.综合电力滤波系统中无源滤波器的设 计[J].电工电能新技术,1997,16(3):1-4. [5]张逸成,韦华.开关电源输入滤波器的阻抗匹配[J].低压电
器,2006(12):3—6.

[6]刘观起,李庚银,周明,等.混合滤波系统中无源滤波器的参数 优化设计软件包[J].电力系统自动化,2000,24(11):56—59. [7]KENNEDY
J,EBERHART R.Particle IEEE
swarm

optimization[c]∥
Oil

Proceeding of

International Conference

Power System.

Perth,Australia,1995:1942—1948.

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