《電子技術(shù)應(yīng)用》
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大功率開關(guān)電源的EMC測試分析及正確選擇EMI濾波器
摘要: 本文對一臺15kW開關(guān)電源的EMC測試,,分析其測試結(jié)果,,并介紹如何合理地正確選擇EMI濾波器,以達(dá)到理想的抑制效果,。
Abstract:
Key words :

中心議題:

解決方案:

  • 正確選擇EMI濾波器
  • 進(jìn)線電抗器+EMI濾波器


開關(guān)電源具有體積小,、重量輕、效率高等優(yōu)點,,廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域,。由于開關(guān)電源固有的特點,自身產(chǎn)生的各種噪聲卻形成一個很強(qiáng)的電磁干擾源,。所產(chǎn)生的干擾隨著輸出功率的增大而明顯地增強(qiáng),,使整個電網(wǎng)的諧波污染狀況愈加嚴(yán)重。對電子設(shè)備的正常運(yùn)行構(gòu)成了潛在的威脅,,因此解決開關(guān)電源的電磁干擾是減小電網(wǎng)污染的必要手段,,本文對一臺15kW開關(guān)電源的EMC測試,分析其測試結(jié)果,,并介紹如何合理地正確選擇EMI濾波器,,以達(dá)到理想的抑制效果。

1 開關(guān)電源產(chǎn)生電磁干擾的機(jī)理

圖1為所測的15kW開關(guān)電源的傳導(dǎo)騷擾值,,由圖中可以看出在0,、15~15MHz大范圍超差。這是因為開關(guān)電源所產(chǎn)生的干擾噪聲所為,。開關(guān)電源所產(chǎn)生的干擾噪聲分為差模噪聲和共模噪聲,。


圖1未加任何抑制措施所測得的傳導(dǎo)騷擾

1.1共模噪聲
共模噪聲是由共模電流,IcM所產(chǎn)生,,其特征是以相同幅度,、相同相位往返于任一電源線(L、N)與地線之間的噪聲電流所產(chǎn)生,。圖2為典型的開關(guān)電源共模噪聲發(fā)射路徑的電原理圖,。


圖2 共模噪聲電原理圖

由于開關(guān)電源的頻率較高,在開關(guān)變壓器原,、副邊及開關(guān)管外殼及其散熱器(如接地)之間存在分布電容,。當(dāng)開關(guān)管由導(dǎo)通切換到關(guān)斷狀態(tài)時,開關(guān)變壓器分布電容(漏感等)存儲的能量會與開關(guān)管集電極與地之問的分布電容進(jìn)行能量交換,,產(chǎn)生衰減振蕩,導(dǎo)致開關(guān)管集電極與發(fā)射極之間的電壓迅速上升。這個按開關(guān)頻率工作的脈沖束電流經(jīng)集電極與地之問的分布電容返回任一電源線,,而產(chǎn)牛共模噪聲,。


1.2差模噪聲
差模噪聲是由差模電流IDM昕產(chǎn)生,其特征是往返于相線和零線之間且相位相反的噪聲電流所產(chǎn)生,。

1.2.1差模輸入傳導(dǎo)噪聲
圖3為典型的開關(guān)電源差模輸入傳導(dǎo)噪聲的電原理圖,。

其一是當(dāng)開關(guān)電源的開關(guān)管由關(guān)斷切換到導(dǎo)通時,回路電容C 通過開關(guān)管放電形成浪涌電流,,它在回路阻抗上產(chǎn)生的電壓就是差模噪聲,。

 


圖3差模輸入傳導(dǎo)噪聲電原理圖

其二是工頻差模脈動噪聲,它是由整流濾波電容c 在整流電壓上升與下降期問的充放電過程中而產(chǎn)生的脈動電流與放電電流,,也含有大量諧波成分構(gòu)成差模噪聲,。

以上兩種差模噪聲都返回到輸入端的交流電網(wǎng),所以稱為輸入傳導(dǎo)噪聲,,它不僅污染電網(wǎng),,還給其它接人電網(wǎng)的電子、電氣設(shè)備造成危害,,還直接導(dǎo)致輸入功率因數(shù)的下降,。

1.2.2 差模輸出傳導(dǎo)噪聲
第三種差模噪聲是輸出傳導(dǎo)噪聲,它是整流輸出部分二極管由正偏轉(zhuǎn)為反偏時,,反向電流與二極管結(jié)電容,、分布電感產(chǎn)生尖峰電壓而造成的差模噪聲,圖4為典型的半波整流濾波電路:


圖4 差模輸出傳導(dǎo)噪聲電原理圖

2 EMI濾波器的正確選擇

EMI濾波器是以工頻為導(dǎo)通對象的反射式低通濾波器,,插入損耗和阻抗特性是重要技術(shù)指標(biāo),。EMI濾波器在正常工作時處于失配狀態(tài),因為在實際應(yīng)用中,,它無法實現(xiàn)匹配,。如濾波器輸入端阻抗 (電網(wǎng)阻抗)是隨著用電量的大小而改變的。濾波器輸出端的阻抗 ,。(電源阻抗)是隨著負(fù)載的大小而改變的,。要想獲得最佳的EMI抑制效果,必須根據(jù)濾波器的兩端所要連接的源端阻抗特性和負(fù)載阻抗特性來選擇EMI濾波器的電路結(jié)構(gòu)和參數(shù),,即遵循輸入,、輸出端阻抗失配原則。一般選用方法是:

(1)低的源阻抗和低的負(fù)載阻抗:選?。═)n 濾波器結(jié)構(gòu),;(2)高的源阻抗和高的負(fù)載阻抗:選取(π )n“濾波器結(jié)構(gòu),;(3)低的源阻抗和高的負(fù)載阻抗:選?。↙C)n“濾波器結(jié)構(gòu),;(4)高的源阻抗和低的負(fù)載阻抗:選取(CL) 濾波器結(jié)構(gòu),。

若不能滿足阻抗失配的原則,,就會影響濾波器的插損性能,嚴(yán)重時甚至引起諧振,,在某些頻點處出現(xiàn)干擾放大現(xiàn)象,,所以,阻抗失配連接原則是應(yīng)用EMI濾波器必須遵循的原則,。

針對圖l所測得的傳導(dǎo)騷擾值,,可以看出在0.15~15MHz范圍內(nèi)嚴(yán)重超差,最大值超過限值近40dB,,而且尖峰較為密集,。說明電源所產(chǎn)生的浪涌電壓和浪涌電流較大,即電源的du/dt,、di/dt很大,,也就是產(chǎn)生的_F擾能量很大。開關(guān)電源共模噪聲等效電路呈高阻抗容性,,而差模等效電路高,、低阻抗同時存在。針對這種情況,,EMI濾波器的電路結(jié)構(gòu)選為二級共模電感和一個單獨的差模電感型式,,這樣既可以濾除共模噪聲,又可以濾除差模噪聲,。插入損耗為40dB,,所測得的傳導(dǎo)騷擾值如圖5所示。


圖5加EMI濾波器后所測的傳導(dǎo)騷擾

由圖5可以看出,,傳導(dǎo)騷擾值在某些頻段處還有超差,,效果不十分理想,這是因為,,傳導(dǎo)接受機(jī)所測得的傳導(dǎo)騷擾值是個綜合參數(shù),,它無法判斷出在0.15—15MHz頻率范圍內(nèi),共模干擾和差模干擾孰重孰輕,,一般講:在0.15~0.5MHz低端差模干擾分量很大,,在0.5~5MHz共模干擾和差模干擾同時存在,在5~30MHz之間共模分量較大,。原因之二是由于濾波器的電感和電容元件都受其分布參數(shù)的影響,,頻率愈高所受的影響愈大。濾波器內(nèi)部電感,、電容的裝配工藝,、接地質(zhì)量也會對插入損耗產(chǎn)生很大的影響,。原因之三是,由于濾波器電感會受到電流浪涌的影響,,它工作的峰值電流比額定電流要大一倍左右,,在重載和滿載時,差模電感容易產(chǎn)生磁飽和現(xiàn)象,,致使電感量迅速下降,導(dǎo)致插入損耗性能變壞,。

3 較為理想的解決辦法

針對以上情況,,在EMI濾波器前端再串接一個一定值的電感,在交流電路中電感的數(shù)值 X= wL=2πrfL,,電感就是一個電抗器,,所以此電感也稱為進(jìn)線電抗器。由X =2πrfL可知,,它的感抗與頻率成正比,,對于低頻電流可以暢通無阻地通過進(jìn)線電抗器,對于高頻電流進(jìn)線電抗器呈高阻抗,、高壓降,。因此,進(jìn)線電抗器可作為電流的低通(高阻)濾波器,。

并且,,開關(guān)電源所產(chǎn)生的諧波電壓大部分都降在了進(jìn)線電抗器上。所以,,串接進(jìn)線電抗器不但使傳導(dǎo)騷擾值整體下降了,,還使電壓諧波得到了改善。當(dāng)電感值選為6mH時,,其抑制效果如圖6所示,。所以對已定型的大功率開關(guān)電源,選擇進(jìn)線電抗器+EMI濾波器,,不失為解決其電磁騷擾的比較理想的方法,。


圖6進(jìn)線電抗器+EMI濾波器后所測的傳導(dǎo)騷擾

4 結(jié)語

大功率開關(guān)電源產(chǎn)生電磁干擾是一個復(fù)雜的問題,電源產(chǎn)生電磁干擾以傳導(dǎo)干擾的危害尤為嚴(yán)重,。根據(jù)電磁干擾產(chǎn)生的機(jī)理,,正確選擇EMI濾波器是有效抑制傳導(dǎo)干擾的關(guān)鍵所在,其目的就是有效地抑制開關(guān)電源對電網(wǎng)的傳導(dǎo)干擾,,又可以降低從電網(wǎng)引入的傳導(dǎo)干擾,,使開關(guān)電源的電磁兼容性達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的限值要求。

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