电源滤波器在空调器设计中的选型与应用

2013-07-09黄兆军

家电科技 2013年4期

黄兆军

（珠海格力电器股份有限公司标准管理部广东珠海 519070）

0 引言

随着现代社会经济的飞速发展，人们的生活水平日益提高，空调器的普及率也越来越高。然而随着空调器逐步走进寻常百姓的同时，我们也要清醒的认识到，由于各种电器设备的迅速发展与应用，我们的电磁环境也越来越恶劣，这就对空调器的可靠性提出了更高的要求。世界许多国家都高度重视家用电器的电磁兼容性问题，都相应的制定了严格规范的标准。因此，各空调器厂家都十分重视在空调器设计中优化电磁兼容设计，提高其抗干扰能力，从而使自己的产品满足相应市场中的电磁兼容标准要求，快速低成本的取得相关认证，顺利进入目标市场。

其实供电网络中就存在着很多EMI(电磁干扰)信号，而空调器本身在整个工作过程中也会产生电磁干扰信号。因此，怎样有效避免经电源端传入到空调器的EMI信号，保证空调器的可靠运行。同时，又能有效的控制空调器本身产生的EMI信号进入电网，污染电磁环境，成为空调器设计中首先要重点考虑的问题。电源滤波器的选用就能很好的解决这个问题，本文正是从空调器电容兼容性的角度，对其在工作原理、选型、安装应用等方面进行了细致的介绍。

1 工作原理

图1所示为电源滤波器的基本内部结构图，它是由集中参数元件所组成的无源网络，虚线框表示滤波器的金属屏蔽外壳。

这个简单的电源滤波器仅由两只电感L1和L2，三只电容器Cy1、Cy2和Cx组成。如果把这个电源滤波器插入到空调器供电电源入口处，即把滤波器的（电源）端接到电源进线，滤波器的（负载）端接被干扰设备。这样L1和CY1、L2和CY2分别构成L-E 和N-E两对独立端口间的低通滤波器，用来抑制供电系统存在的共模EMI信号，使之无法进入设备。其中，L1和L2的电感量是不相等的。于是L1和L2之差便是差模电感，它和CX又组成L-N 独立端口间的一只低通滤波器，用来抑制电源上存在的差模EMI信号。从而实现对供电系统EMI信号的抑制，保护供电系统内的设备不受其影响。

由于该电路是无源网络，它具有互易性。当电源EMI 滤波器安装在设备的电源入口处后，它既能有效地抑制供电系统存在的EMI 信号（即空调器外部的EMI 信号）传入设备，又能大大衰减设备本身工作时产生的EMI 信号传向供电系统，防止电磁环境被污染。所以虽然是这样一个简单的网络，却同时具有多种功能，对实现设备和系统的电磁兼容性起了重要的作用，因此应用非常普遍。

2 电源滤波器的设计与选型应用

2.1 应用环境温度要求

上限类别温度一般选择：70℃，85℃，100℃，125℃。推荐值为125℃。

下限类别温度一般选择：-55℃，-40℃，-25℃，-10℃。推荐值为-55℃。

2.2 额定温度

额定温度一般不应低于40℃。

2.3 额定电压

额定电压的优先值推荐：

交流滤波器：50V、125V、250V、380V、440V、480V。

直流滤波器：50V、160V、250V、500V。

2.4 额定电流

选择滤波器的额定电流时必须充分考虑额定电压和环境温度。每种滤波器都有一个相应的“额定电流与工作温度的关系曲线”，产品设计选型时要根据滤波器所使用的最恶劣的环境温度通过关系曲线来选取合适的额定电流，并留有一定的安全余量，以确保长时间工作的稳定可靠。

选取额定电流时还要考虑电源频率。一般情况下电源频率升高，额定电流值会相应的降低。

2.5 漏电流

漏电流的大小涉及人身安全，各国的安全标准都有严格的规定，设计选型时应充分考虑不同国家的不同要求。

在确保滤波网络与滤波器外壳间的绝缘措施都正确的前提下，漏电流的大小主要取决于滤波电容Cy的电容量。该电容容量过大时将造成漏电流过大，从而危及人身安全。电源EMI滤波器的漏电流与采用的滤波电容Cy的关系为：

Ig＝U×2πf×Cy

其中，U为电网电压；f为电网频率；Ig为允许的接地漏电流。

一般情况下，对低电压（1000V以下）50Hz的交流电流而言，人体感知阈值电流0.5mA，摆脱阈平均值电流为10mA。以电源电压220 V计算，忽略产品设计中并接在Cy电容两端的电阻，若漏电流达到了人体能感应到的电流值0.5mA，则：

Cy＝Ig/（U×2πf）＝7200pF

考虑安全要求的限制，为提高传导干扰抑制的效果而增加Cy的电容量，应限制在上述公式的计算值以下并保证足够的余量。

2.6 插入损耗

由于电源滤波器接主电源线，因此在设计时除了要考虑源阻抗和负载阻抗不匹配的因素之外，还必须考虑其对串联电感的电感量和并联电容的电容量的严格限制。滤波器中所采用的串联电感受到电源频率下允许电压降的限制，不能选择太大；并联的滤波电容受到允许接地漏电流的限制，也不能选择太大。

设滤波器中串联电感的电感量L，等效电阻为R，电网频率为fm，电网电压为Um，网侧额定工作电流为Im。考虑到电网中浪涌电流的影响，通常电感压降被限制在额定工作电压的10%以内。若忽略R上电压降，设允许电感上的最大压降为△Umax，则允许的最大串接电感值为：

Lmax＝△Umax/2πfmIm

设允许的最大的接地漏电流为Igmax，则滤波器允许采用的滤波电容为：

Cymax＝Igmax/（Um×2πfm）

那么，如果考虑电源滤波器中串联电感及并联电容最大值的限制，可以得到LC乘积的最大值为：

那么，滤波器（单级）的最大插入损耗IL可以简化为：

IL= 20lg（2πfm）2LCy

在保证滤波器安全、环境、机械和可靠性能满足有关标准要求的前提下，尽量选用插入损耗高的滤波器。

2.7 EMI滤波器网络结构的选择

设电源的输出阻抗和与之端接的滤波电路的输入阻抗分别为Z0和Z1，根据信号传输理论，当Z0≠Z1时，在滤波器的输入端口会发生发射，反射系数P＝（Z0-Z1）/（Z0+Z1）。显然，Z0与Z1相差越大，P就越大，端口产生的反射也就越大，EMI信号就越难通过。所以滤波电路输入端口应与电源输出端口处于最大失配状态，这样才能得到有效的衰减效果和较好的插入损耗特性。

对于EMI信号，电感是高阻的，电容是低阻的，所以，电源EMI滤波电路与源或负载的端接应遵循下述原则：

如果电源内阻或负载是阻性或感性的，与之端接的滤波电路接口就应该是容性的。如果源内阻或负载是容性的，与之端接的滤波电路就应该是感性的。常见的网络结构如图2所示。

1）电容型（C型）滤波器

由三端电容和穿心电容构成，适合于抑制高频。C型滤波器两端均可视为低阻抗，

接高阻抗源和负载。

2）L型滤波器

由一个电感和一个电容组成。这种滤波电路可以提供高的输入阻抗，也可以提供低的输入阻抗，取决于电路的安装方向。

3）π型滤波器

由一个电感和两个电容构成。它的输入端和输入端都呈低阻抗性，抑制性能比C型或L型要好的多。但是在开关电路中有时会出现“振铃”现象。

4）T型滤波器

由两个电感和一个电容组成，它的两端都是高阻抗，其插入损耗性能和型滤波器相似。但其不易出现“振铃”现象，可用在开关电路中。

5）双T型滤波器

多级滤波器是为源和负载都为低阻抗的电路设计的高性能滤波器，它们也可以用在要求高插入损耗的其它情况。

实际设计中常用的典型滤波电路如图3所示。

2.8 滤波元件的选择

2.8.1 滤波电容

a)差模电容Cx接在交流电进线两端，它上面除加有额定交流电压以外，还会叠加交

流进线之间存在的各种EMI峰值电压，所以该电容器的耐压及耐瞬态峰值电压的性能要求较高，同时要求该电容器失效后，不能危及后面电路及人身安全。

Cx的取值范围一般在0.1μF～2.0μF之间。在允许的情况下，容量要求越大越好。电容的耐压值必须经过雷击浪涌试验后取值，有残压，其瞬时值一般满足在1000V/s时不损坏。

b）共模电容Cy接在交流电进线与机壳地之间，要求他们在电气和机械性能上，应有

足够大的安全余量，万一它们发生击穿短路，将使设备机壳带上危险的交流电，如果设备的绝缘或接地保护失效，可能使操作人员遭受电击，甚至危及人身安全。因此对Cy电容器的容量要进行限制，使其在额定频率的电压下漏电流小于安全规范值。另外还要求其应有足够的耐压及耐瞬态高峰值电压的余量，并且万一发生电压击穿，它应处于开路状态，而不会使设备机壳带电。

Cy的取值范围一般在2200pF～7200pF之间。只要漏电流控制在小于1mA的条件下，容量要求越大越好，但是不能太大，太大则漏电流较大。电容的耐压值必须经过雷击浪涌后取值，有残压，其瞬时值一般满足在1000V/s时不损坏。

c）Cx电容和Cy电容可以通过较小的电容并联来满足容量的要求，这样滤波电路的高频特性好。

2.8.2 放电电阻

为保证传导干扰抑制效果，常在Cx电容的后面增加一个放电电阻。一般情况下，电阻R 的取值为75kΩ～1MΩ之间，功率为2W～3W。

2.8.3 电感的取值

电感量的取值一般要考虑阻抗和频率，具体取值从几毫亨到几十毫亨不等，随额定工作电流不同而取不同的参数值。

2.8.4 压敏电阻的选型

对于采用压敏电阻的滤波器，其电路如图4（参数仅为示意）。压敏电阻的选型一般按下述原则：

(U1mA)min ≥(2.2～2.5)Uac

其中 (U1mA)min为最小压敏电压，Uac为交流回路额定电压的有效值。

2.9 滤波电路的衰减特性

不同的滤波电路有着不同的滤波特性（如图5所示）。一般情况下，C型电路的滤波衰减曲线较平坦，没有明显的拐点，适用于大多数电子设备；L型电路、π型电路和T型电路的滤波衰减曲线较C型电路拐点明显，适用于抑制干扰信号与有用信号频率接近的场合。但当工作频率为方波时，要注意这些电路的感性和容性器件的量值要选取恰当，避免一味追求滤波衰减性能，而把有用信号的波形部分衰减，导致空调器工作反而不正常。