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摘要：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，《家用电器、电动工具和类似器具的电磁兼容要求 第1 部分：发射》对空调类产品的传导发射（150 kHz~30 MHz）有相应的要求。目前，空调中常用的EMI 电源滤波器为无源滤波器，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，其中共模干扰存在于电源线对大地或者中线对大地间；差模干扰存在于电源相线与中线之间。本文分析了空调EMI电源滤波电路设计与仿真。
关键词：空调EMI；电源滤波电路设计；仿真；
1 滤波器建模
以单相供电为例，常用的空调EMI 电源滤波器可为一级滤波和两级滤波，主要由X 电容、Y 电容、共模扼流圈等无源器件组成，由于利用共模扼流圈漏感特性，使其充当差模电感，故该电路中没有额外增加差模电感。一是X 电容和Y 电容。由于存在电容绝缘体的漏电阻、引线上的电感和电容等，实际电容器并不是纯粹的电容。用阻抗分析仪WK6500B 测试X 电容（2.2μF）（由于本文仅考虑滤波器对传导干扰的影响，故本次测试频段为150 kHz~30 MHz），通过阻抗测试曲线可以读出其阻抗最小点频率。随着频率的增长，电容的阻抗逐渐占支配地位，并以－ 20 dB /10 倍频的速率随频率减小，电感的阻抗值增加。Y 电容的建立方法与X 电容的建立方法一致。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大。金属封装结构表面贴装开关电源模块的整个电路元器件全部都装配在基片上。PWM控制片、功率开关管、整流二极管等有源器件全部采用表面贴装封装元件。在初级回路中， 功率开关管芯片、PWM控制芯片、运算放大器芯片、电源正负输入线的走线轨迹等都会与外壳底板之间产生寄生电容CP， 寄生电容的容量大小取决于基片的厚度和它们在底板上所占据的面积。这样， 在电路中， 这些元器件及其走线与外壳底板之间就形成了分布电容CP1、CP2、……、CP6等。这些分布电容在dV/dt、dI/dt及整流二极管反向恢复电流等共同影响下，就会引起噪声电流， 这些噪声电流对于输入电源线的正负之间、以及输出负载线的正负之间大小相等， 相位相同， 称之为共模噪声电流。共模噪声电流的大小与分布电容的大小、dV/dt、dI/dt等有关。
2 空调EMI电源滤波电路设计
2.1 共模扼流圈。共模扼流圈对于传导EMI 噪声的抑制具有非常重要的作用，但由于其自身磁性材料的频率特性、绕组漏感、寄生电容等因素影响，很难准确对其进行等效电路建模。本文利用矢量网络分析仪测试现有共模扼流圈，得到其等效二端口S 参数，并将其代入整体电路中进行仿真，这可以更实际的反映出共模扼流圈的频谱特性。由于共模扼流圈对于抑制共模干扰和差模干扰的原理不同，因此，采用R&S 的ZNB 8 矢量网络分析仪分别对其进行测试。由于空调对于传导测试频段为150 kHz~30 MHz，本文主要考虑该EMI 电源滤波电路对传导干扰的抑制作用，故对共模扼流圈的测试频段设置为9 kHz~30 MHz，由于这里考虑的是共模扼流圈的传输特性。
2.2 PCB寄生参数提取。考虑到流经该PCB 的电流约为5 A，故PCB中走线较宽；由于器件封装和尺寸的限制，PCB 走线间距离较近，导致PCB 上线与线之间的耦合效应较大；且随着频率的增加，PCB 中的走线变得不再理想，电感、电阻及线间的电容对PCB 特性的影响增加。
2.3 次级差模。整流二极管V2的作用是将次级绕组的脉冲波整流成直流，脉冲波为高电平时，整流二极管导通，此时将能量传给负载， 脉冲波为低电平时截止，输出电流通过V3进行续流。当整流二极管V2由导通变为截止时，由于二极管的载流子移动会产生很大的反向恢复电流，这个反向恢复电流会沿着输出滤波电感和输出滤波电容传播到负载回路中。所以，沿着输出线传播的EMI噪声电流包含有两个部分，一部分是正常传送能量时所携带的开关基频与谐波的干扰电流，另一部分是二极管反向恢复电流所引起的干扰电流。这个沿着输出线正负端传播的噪声电流是差模干扰电流IDIFF。这种差模干扰电流会给负载电路带来非常不利的影响，特别是输出滤波电容滤波不足时，表现得特别厉害，它会影响负载电路中的模拟电路的灵敏度和数字电路的门限等，严重时，还会导致电路误触发，从而引起整个系统的工作不正常。差模电感的磁性材料以具有高饱和磁通密度的金属铁粉芯效果较好，最好不要用开口铁氧体材料。
3 滤波电路仿真和测试验证
EMI电源滤波器一定要注意正确的安装方式，错误的安装方式不但起不到抑制噪声的作用， 有时还会适得其反。根据EMI滤波器的特性以及开关电源的特点， 在安装EMI滤波器时，主要需注意两个方面的问题。第一， EMI电源滤波器的外壳必须接地， 而且必须和开关电源的外壳地连接在一起， 这是因为EMI电源滤波器的共模滤波电容都连接在产品的外壳上， 只有EMI电源滤波器的外壳与机壳相连， 滤波器的共模滤波电路才会起作用， 这样也才能将开关电源产生的共模干扰电流滤除干净， 而且还要用较粗的导线将滤波器外壳与机壳相连， 同时接地阻抗越低，滤波效果越好； 第二， EMI电源滤波器必须安装在电源的入口端， 且应将滤波器的输入输出端尽量远离， 同时要避免输入输出线绕过滤波器而产生交叉干扰。滤波器的特性与其源端和负载端的阻抗直接相关。为更好地将仿真与测试进行对比，源端和负载端的阻抗均采用50Ω 进行仿真和测试。由于传导干扰中共模干扰和差模干扰路径不同，故仿真时分别搭建共模等效电路和差模等效电路。将各滤波器件等效电路添加到Designer 中搭建相应的仿真电路，分别进行差模S 参数仿真和共模S 参数仿真。同时，利用ZNB8 矢量网络分析仪对该滤波板进行测试，得到其S21参数。由图1可以看出，仿真结果与测试结果吻合较好，该仿真能够较好地反映该滤波电路的通带、阻带等频率特性。
（图1）
4 滤波电路在实际产品中的应用
为验证上述滤波板的实际滤波效果，将其连接到某实际产品上进行测试，测试频段为150 KHz～30 MHz。在低频段时产品噪声较大，超过标准限值。测试频段内的干扰噪声大部分被抑制，该滤波器起到较好的滤波效果，尤其在低频段（150 KHz～10 MHz）时滤波效果更好，这与前文滤波器的测试和仿真结果吻合。
通过对单个滤波器件按不同的等效电路分别建模，搭建整个滤波电路，并考虑PCB 板的寄生参数对滤波板特性的影响。该方法能够较好地得到滤波电路的插入损耗特性，对空调中电源滤波板的设计和整改有直接的指导作用。
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论文作者:黄可可
论文发表刊物:《电力设备》2018年第13期
论文发表时间:2018/9/12
标签：滤波器论文; 电容论文; 干扰论文; 电流论文; 电源论文; 电路论文; 阻抗论文; 《电力设备》2018年第13期论文;