大功率開(kāi)關(guān)電源的EMC測試分析及正確選擇EMI濾波器
1 開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)生電磁干擾的機理
圖1為所測的15kW開(kāi)關(guān)電源的傳導騷擾值，由圖中可以看出在0、15～15MHz大范圍超差。這是因為開(kāi)關(guān)電源所產(chǎn)生的干擾噪聲所為。開(kāi)關(guān)電源所產(chǎn)生的干擾噪聲分為差模噪聲和共模噪聲。
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(xiàn)（L、N）與地線(xiàn)之間的噪聲電流所產(chǎn)生。圖2為典型的開(kāi)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(kāi)關(guān)電源的頻率較高，在開(kāi)關(guān)變壓器原、副邊及開(kāi)關(guān)管外殼及其散熱器（如接地）之間存在分布電容。當開(kāi)關(guān)管由導通切換到關(guān)斷狀態(tài)時(shí)，開(kāi)關(guān)變壓器分布電容（漏感等）存儲的能量會(huì )與開(kāi)關(guān)管集電極與地之問(wèn)的分布電容進(jìn)行能量交換，產(chǎn)生衰減振蕩，導致開(kāi)關(guān)管集電極與發(fā)射極之間的電壓迅速上升。這個(gè)按開(kāi)關(guān)頻率工作的脈沖束電流經(jīng)集電極與地之問(wèn)的分布電容返回任一電源線(xiàn)，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(xiàn)和零線(xiàn)之間且相位相反的噪聲電流所產(chǎn)生。
1.2.1差模輸入傳導噪聲
圖3為典型的開(kāi)關(guān)電源差模輸入傳導噪聲的電原理圖。其一是當開(kāi)關(guān)電源的開(kāi)關(guān)管由關(guān)斷切換到導通時(shí)，回路電容C 通過(guò)開(kāi)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差模輸入傳導噪聲電原理圖
其二是工頻差模脈動(dòng)噪聲，它是由整流濾波電容c 在整流電壓上升與下降期問(wèn)的充放電過(guò)程中而產(chǎn)生的脈動(dòng)電流與放電電流，也含有大量諧波成分構成差模噪聲。
以上兩種差模噪聲都返回到輸入端的交流電網(wǎng)，所以稱(chēng)為輸入傳導噪聲，它不僅污染電網(wǎng)，還給其它接人電網(wǎng)的電子、電氣設備造成危害，還直接導致輸入功率因數的下降。
1.2.2 差模輸出傳導噪聲
第三種差模噪聲是輸出傳導噪聲，它是整流輸出部分二極管由正偏轉為反偏時(shí)，反向電流與二極管結電容、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。EMI濾波器在正常工作時(shí)處于失配狀態(tài)，因為在實(shí)際應用中，它無(wú)法實(shí)現匹配。如濾波器輸入端阻抗 （電網(wǎng)阻抗）是隨著(zhù)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(zhù)負載的大小而改變的。要想獲得最佳的EMI抑制效果，必須根據濾波器的兩端所要連接的源端阻抗特性和負載阻抗特性來(lái)選擇EMI濾波器的電路結構和參數，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載阻抗：選�。═）n 濾波器結構；（2）高的源阻抗和高的負載阻抗：選�。é� ）n“濾波器結構；（3）低的源阻抗和高的負載阻抗：選�。↙C）n“濾波器結構；（4）高的源阻抗和低的負載阻抗：選�。–L） 濾波器結構。
若不能滿(mǎn)足阻抗失配的原則，就會(huì )影響濾波器的插損性能，嚴重時(shí)甚至引起諧振，在某些頻點(diǎn)處出現干擾放大現象，所以，阻抗失配連接原則是應用EMI濾波器必須遵循的原則。
針對圖l所測得的傳導騷擾值，可以看出在0.15～15MHz范圍內嚴重超差，最大值超過(guò)限值近40dB，而且尖峰較為密集。說(shuō)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(kāi)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(shí)存在。針對這種情況，EMI濾波器的電路結構選為二級共模電感和一個(gè)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，所測得的傳導騷擾值如圖5所示。
圖5加EMI濾波器后所測的傳導騷擾
由圖5可以看出，傳導騷擾值在某些頻段處還有超差，效果不十分理想，這是因為，傳導接受機所測得的傳導騷擾值是個(gè)綜合參數，它無(wú)法判斷出在0.1515MHz頻率范圍內，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(shí)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的影響，頻率愈高所受的影響愈大。濾波器內部電感、電容的裝配工藝、接地質(zhì)量也會(huì )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(huì )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(mǎn)載時(shí)，差模電感容易產(chǎn)生磁飽和現象，致使電感量迅速下降，導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(gè)一定值的電感，在交流電路中電感的數值 X= wL=2πrfL，電感就是一個(gè)電抗器，所以此電感也稱(chēng)為進(jìn)線(xiàn)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(wú)阻地通過(guò)進(jìn)線(xiàn)電抗器，對于高頻電流進(jìn)線(xiàn)電抗器呈高阻抗、高壓降。因此，進(jìn)線(xiàn)電抗器可作為電流的低通（高阻）濾波器。
并且，開(kāi)關(guān)電源所產(chǎn)生的諧波電壓大部分都降在了進(jìn)線(xiàn)電抗器上。所以，串接進(jìn)線(xiàn)電抗器不但使傳導騷擾值整體下降了，還使電壓諧波得到了改善。當電感值選為6mH時(shí)，其抑制效果如圖6所示。所以對已定型的大功率開(kāi)關(guān)電源，選擇進(jìn)線(xiàn)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(xiàn)電抗器+EMI濾波器后所測的傳導騷擾
4 結語(yǔ)
大功率開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)生電磁干擾是一個(gè)復雜的問(wèn)題，電源產(chǎn)生電磁干擾以傳導干擾的危害尤為嚴重。根據電磁干擾產(chǎn)生的機理，正確選擇EMI濾波器是有效抑制傳導干擾的關(guān)鍵所在，其目的就是有效地抑制開(kāi)關(guān)電源對電網(wǎng)的傳導干擾，又可以降低從電網(wǎng)引入的傳導干擾，使開(kāi)關(guān)電源的電磁兼容性達到國家標準規定的限值要求。
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