基于开关电源的三相EMI滤波器

　　网络出版时间：2014-01-03基于开关电源的三相EMI滤波器周逢道，董威，包志强，薛开昶，胡越，孙彩堂（吉林大学仪器科学与电气工程学院，吉林长春130061）模电感进行建模分析，构建了三相共模、差模滤波器的理想等效电路，并分析了高频对理想等效电路的影响；确定了基于参数矩阵的插入损耗表达式，并在理想和高频情况下，分别推导出共模、差模滤波器的参数矩阵。根据电网侧负载阻抗和开关电源侧源阻抗的特性，分析了插入损耗与频率的关系；由于高导软磁铁氧体具有旋磁频率极限和非线性磁滞回线，分析了二者对共模电感的抑制作用和共模插入损耗的影响。根据相关标准及抑制效果要求，确定三相EMI滤波器的参数三相电流/a、/b、/c流入共模电感时，根据安培定则可知共模电流/cm在每一绕组中产生了方向相同的磁通，理想条件下少cm为三相磁通之和。三相共模电感在电路中的等效模型如（b）所示。其中、、为每一相电压，M为任意两相间的互感，尤cm为耦合系数，的电感值i'=i+M+M=i+2M，对于三相共模电感，其总的感抗为三个线圈感抗的并联，因此三相共模电感为：理想情况下，Kcm= 1，则互感M=i，共模电感Lcm=i.根据安培环路定律可得：fflCp-i时，发生谐振，谐振频率y；式（5）中抑为真空中的磁导率，凡为相对磁导率，Ae为磁芯有效截面积，4为平均磁路长度，Nl为每一相匝数，这里假设每一相都相等。实际中由于漏磁通少A，leak、B，leak、C，leak的影响，产生漏感。根据分析得到漏感的表达式：（b）中，电容高频等效电路的阻抗谐振频率/2绕制角度。漏感Lleak可以作为差模电感Ldm，用于滤除差模噪声。

　　2.2三相共模、差模滤波器等效电路建模分析根据单相共模、差模滤波器的理想等效电路和三相共模电感模型，构建三相共模、差模滤波器理想等效电路，如所示，图中办为源阻抗，尺L为负载阻抗。它们的截止频率近似为：三相共模和差模滤波器理想等效电路Fig.3Idealequivalentcircuits当EMI滤波器工作在高频段时，电感和电容高频等效模型如所示。高频电感Lh由理想电感L、等效串联电阻成和并联电容Cp组成。高频电容Ch由理想电容C、等效串联电阻褚和固有电感Lp组成。将中的电感和电容替换为如所示的高频等效模型，即可得到三相高频共模、差模滤波器等效电路。

　　（a）电感高频等效模型（b）电容高频等效模型电感和电容高频等效模型2.3三相EMI滤波器插入损耗与参数矩阵分析插入损耗是衡量EMI滤波器性能的主要指标，其定义为：其中，Pi是不接滤波器时，从噪声源传送到负载的功率；P2是接入滤波器后，传送到负载的功率。

　　分析EMI滤波器的插入损耗IL时，将滤波器看成一个二端口网络，并用参数矩阵式（10）来表示，则IL的表达式为式（11）：表1给出了理想和高频两种情况下，共模和差模滤波器等效电路的参数矩阵A.表1参数矩阵理想共模理想差模高频差模（a）理想和高频共模插入损耗对比频率I 3三相EMr滤波器特性分析3.1三相EMI滤波器源阻抗与负载阻抗分析根据中国GB7343-87标准中的规定，滤波器的插入损耗一般在源阻抗和负载阻抗完全匹配的条件下计算，即穴s/l=50Q/50Q.而对于不同的应用场合，源阻抗与负载阻抗有其特定的范围。本文研究的三相EMI滤波器连接在电网和开关电源之间，为了便于分析，对这种工作条件下的源阻抗和负载阻抗作如下假设：（1）输出负载尺为纯阻性负载；（2）输出电压稳定且纹波小；（3）忽略开关电源和三相EMI滤波器的损耗，即开关电源的输入功率与输出功率Put相等。源阻抗办位于开关电源和三相EMI滤波器之间，开关电源的输入电压为三相输入的线电压仄，则有：对于三相输入的开关电源，其*大输出功率一般在5kW以上。根据式（12），当输出功率为5kW、比较（a）和（b）曲线看出，二者皆在1MHz以下吻合较好，但随着频率加两条曲线相差较大，高频模型出现两处尖峰点。尖峰点过后插入损耗急剧下降。尖峰是理想电感与并联寄生电容谐振以及理想电容与串联电感谐振导致的。

　　3.2三相EMI滤波器共模电感与差模电感分析由式（6）可以看出，对于磁芯和匝数都己确定的共模电感的漏感，它不会受其他因素的影响而使电感值发生变化，即差模电感值为一定值。

　　而对于共模电感，由式（5）可知，其电感值受批和！的影响0为定值，所以磁芯的相对磁导率为影响共模电感的主要参数。对于铁氧体材料，其初始磁导率灼和旋转频率/g遵循石=5000如MHz.当磁芯工作频率达到yg时，会减小到原来的二分之一。凡也会随之减小，这是导致共模电感值下降的一个原因。

　　当励磁电流大时，磁芯接近饱和。由于磁芯B-H曲线的非线性，导致相对磁导率下降，也会使共模电感值下降。

　　300/20，高频参数同3.1中分析的情况下，当频率和励磁电流使Zcm变为原来的3/4和1/2时，理想和高频的共模插入损耗如所示。

　　由可以看出，理想的共模插入损耗曲线由于共模电感的减小导致插入损耗降低。而高频的共模插入损耗曲线则由于电感的减小而使**个谐振点后移，谐振点后插入损耗急剧降低。

　　频率I共模电感不同时共模插入损耗对比（b）加入EMI滤波器共模噪声（d）加入EMI滤波器差模噪声（a）未加EMI滤波器共模噪声（c）未加EMI滤波器差模噪声（e）未加EMI滤波器总噪声