基于最坏情况测试的开关电源滤波器研究

2016-03-11全书海谢长君

电源技术 2016年4期

关键词：差模插入损耗共模

郑山，邓坚，卢叶，全书海，谢长君

(1.武汉理工大学自动化学院，湖北武汉430070；2.国网新源建设有限公司，北京100761)

基于最坏情况测试的开关电源滤波器研究

郑山1，邓坚1，卢叶2，全书海1，谢长君1

(1.武汉理工大学自动化学院，湖北武汉430070；2.国网新源建设有限公司，北京100761)

为了抑制开关电源的传导干扰，在开关电源的线路上增加电磁干扰(EMI)滤波器。根据最大阻抗失配原理选择EMI滤波器时，开关电源的阻抗不确定，故很难快速选出满意的滤波器。通过分析滤波器的主要参数及最坏情况测试方案，提出一种基于最坏情况衰减曲线选择EMI滤波器的方法。根据该方法可以对EMI滤波器的实际效果做出有效估计，避免了滤波器选择不合理导致的重复、费时的测试。

滤波器；最坏情况测试；插入损耗；开关电源

开关电源在体积、效率、成本等方面优势突出，因而被广泛应用，其电磁兼容性能显得尤为重要，良好的电磁兼容特性是开关电源设备稳定工作的必要条件。通常采用屏蔽的方法抑制辐射干扰，采用在电源端口加入电磁干扰(EMI)滤波器的方法抑制传导干扰，达到电磁兼容的效果[1]。文献[2]分析了EMI电源滤波器的阻抗匹配问题，指出只有按最大限度的阻抗失配原则设计滤波器的输入输出阻抗，才能对电磁干扰实现最佳的抑制效果。由于电源阻抗不易确定[3-5]，这些方法的实际使用受到限制。本文分析了滤波器的最坏情况测试方案，提出了基于该测试的滤波器效果预测方法，在实际开关电源中得到验证。

1 EMI滤波器的原理及主要参数

1.1 作用原理

根据传导干扰的传播方向，分为共模和差模干扰，差模干扰是电源线之间的电位差引起的，差模电流在电源线之间流动，电流方向如图1(a)所示；共模干扰是电源线相对于大地的电位差引起的，共模电流是在电源线与地线之间流动的方向相同的电流，其电流流动方向如图1(b)所示。

图1 共模与差模干扰图解

由于差模干扰和共模干扰的形成原因不一样，故两者的频谱范围也不同，一般分为三个范围：小于0.5 MHz时，以差模干扰为主；0.5～1 MHz的频率范围，差模和共模干扰共同存在；大于1 MHz时，以共模干扰为主。因此，各种产品标准中制定传导骚扰限值也划分为若干个区间。例如，在欧洲标准EN61000-6-3中，传导干扰指标分为两档，见表1，dBμV是电压单位，是电压相对于 1 μV的分贝值，即 dBμV= 20log(V/10－6)。例如：1 V对应120 dBμV；10 V对应140 dBμV。限值电压是特定条件下线路阻抗稳定网络上测量电阻的电压值，详细测量标准见CISPR 16。

表1 欧洲标准中的传导干扰限值范围举例

1.2 滤波器的插入损耗

滤波器的主要参数有：插入损耗、额定电压、额定电流、漏电流、效率、物理尺寸、使用条件等。其中插入损耗曲线(衰减曲线)是EMI滤波器的重要参数，定义为滤波器接入电路之前负载从信号源获得的功率与滤波器接入电路之后负载从信号源获得的功率之比，用分贝值表示，如图2所示，是干扰信号源，是干扰信号源的阻抗，是负载阻抗。

由此可知，插入损耗的大小直接反映滤波器性能的好坏。

图2 插入损耗的定义

2 EMI滤波器的选取

2.1 衰减曲线的测量

图3 最坏情况测试方法

虽然该测试方法也没有在实际电源设备上安装滤波器后测量，但是这个规范化的结果可以相对准确地反映滤波器在实际情况下的性能。SCHAFFNER公司的FN2200系列滤波器中额定电流在25～75 A范围的EMI滤波器衰减曲线如图4所示，曲线A是=50 Ω，=50 Ω时测得的差模衰减曲线；曲线B是=50 Ω，=50 Ω时测得的共模衰减曲线；曲线C是=0.1 Ω，=100 Ω时测得的差模衰减曲线；曲线 D是=100 Ω，=0.1 Ω时测得的差模衰减曲线。

图4 滤波器衰减曲线

2.2 衰减曲线的使用

低于0.5～1 MHz时主要抑制差模干扰，在这个频率范围，50 Ω测试得到的差模衰减曲线A会高于实际所能达到的水平，而使用0.1 Ω/100 Ω测试得到的差模衰减曲线C、D更能反映实际的情况，实际得到的有效衰减略高于该曲线，由图4可知，曲线C、D在13 kHz附近具有负的插入损耗，所以使用滤波器过滤这个频段附近的干扰信号是不明智的，这种情况是由于阻抗不匹配造成的，而测试标准规定的测量范围是从150 kHz开始的，所以不必考虑；高于0.5～1MHz时以抑制共模干扰为主，曲线B给出了理想的衰减性能，实际效果要比B曲线差一些。值得注意的是，在大于1 MHz的高频段的实际效果依赖于开关电源的布局、滤波器的安装等。

2.3 实验结果与分析

以一款可以双向工作的DC/AC开关电源变换器为例，其直流侧额定电压为380 V，逆变工作时额定输入功率为12 kW，有效值约为32 A，用示波器测量的峰值电流可达到34 A。选择FN 2200-50-34型号的滤波器，其衰减曲线如图4所示。实验测量了安装滤波器前后的传导干扰水平，并进行对比，结果如图5所示。

图5 实测传导干扰与预测结果对比图

图5中，曲线A为没有加装EMI滤波器时测得的传导干扰值；曲线B为加入EMI滤波器后测得的传导干扰值；C为0.15～1 MHz时根据滤波器衰减曲线(图4中C、D曲线)计算后的预测值；D为1～30MHz时根据滤波器衰减曲线 (图4中B曲线)计算后的预测值。

加入滤波器后在0.15 MHz附近的传导干扰值有不达标的危险，而实际测量中干扰值很接近规定标准，勉强符合要求。在1～10 MHz频段中测量的传导干扰值与理想情况下的最优值有很大差距，这是因为滤波器的安装存在问题，机壳屏蔽不到位，干扰信号耦合到电源线上，使经过滤波器后的电源线再次受到污染。

开关电源EMI滤波器的效果不仅取决于本身的设计，而且在很大程度上依赖于正确安装。在设计电源机箱的布局时考虑到滤波器安装合理性，应尽量切断干扰源到输入线的耦合路径，最好将滤波器放在电源入口处，使滤波器的输入线完全在机壳外部，电源外壳和滤波器外壳电气接触性要良好，达到屏蔽干扰的目的。若不能做到将滤波器安装在电源入口，而是安装在电源机壳中，那么需要将在机箱内的这段导线用金属屏蔽线包裹，并使屏蔽线与滤波器和机壳良好接触。

3 总结

本文重点分析了滤波器的插入损耗参数，提出了通过滤波器的最坏情况测试参数预测滤波器实际效果的方法。根据该方法对12 kW开关电源的传导干扰进行预测，并测量了加入滤波器前后的实际值。由实验结果可知，根据最坏情况测试参数预测方法得出的预测曲线能有效反映实际情况。

[1]倪志红.雷达系统开关电源电磁兼容技术研究[J].现代雷达，2006 (3)：91-94.

[2]雷新.电源EMI滤波器的设计、特性及其选取原则[J].电子产品可靠性与环境试验，2002(4)：50-54.

[3]陈训龙，郑洪波，牟光杰，等.电源EMI滤波器的技术参数及其应用(下)[J].电气时代，2007，10：128-130.

[4]武小军，秦开宇，唐博.EMI滤波器设计[J].电子测试，2011(7)：75-80，113.

[5]钱振宇，史建华.开关电源的电磁兼容性设计、测试和典型案例[M].北京：电子工业出版社，2011.

图6 循环工况下的实际车速

图7 循环工况下整车挡位状态

图8 循环工况下SOC的变化值

由图6可知，整个循环工况过程包含停车、加速、匀速、减速等不同车辆运行状态，对应图7中整车的挡位切换状态可知，整车升档的车速分界线基本维持在30 km/h，而降档则保持在20 km/h，这是符合整车控制策略“低速一挡驱动、高速二挡驱动”要求的。图8为整车电池SOC在循环工况下的状态曲线，SOC曲线上升表示整车处于能量回馈或者行车充电状态，反之则表示整车处于能量消耗状态，而SOC维持不变是由于整车控制策略中也包含停车不充电的情况。整个循环工况中，电池SOC变化值基本维持在初始SOC值(0.23)左右，这也证明了基于电池电量维持型的整车控制逻辑的正确性和控制器的鲁棒性。

3.2 燃油经济性

本文的研究对象为新型四模混合动力客车，与传统客车燃油经济性的对比如表3所示，新型四模混合动力客车节油效果很明显，符合本文研究对象整车控制策略要求，同时体现了该混合动力客车优良的燃油经济性和排放性。

表3 四模混合动力与传统客车燃油经济性对比

4 结论

本文针对新型四模混合动力客车与传统客车不同的结构特性，分析了整车各部件的特性和工作时各个部件的关系，规划了四种控制模式以及在四个不同驱动模式下的控制策略，在已知整车基本参数情况下，采用中国典型城市工况对整车控制器进行硬件在环仿真测试，通过分析仿真测试结果验证了控制策略的可行性，同时表明了该控制策略下的整车具有良好的燃油经济性与排放性。

参考文献：

[1]KEULEN T V，MULLEMA D V，JAGER B D，et al.Design，implementation，and experimental validation of optimal power split control for hybrid electric trucks[J].Control Engineering Practice，2012，20:547-558.

Research on switching power supply filter based on worst-case measurement

In order to suppress conducted interference of switching power supply， the EMI filter was increased in switching power supply lines.It is difficult to select a satisfactory filter quickly based on the principal of maximum impedance mismatching，because the impedance of switching power supply is uncertain.Through analysis of the main parameters of the filter and the worst-case measurement， a method to select EMI filters by worst-case attenuation was presented.According to this method， a valid estimate of the actual effect of EMI filter could be made，avoiding the duplication and time consuming tests caused by unreasonable filter selection.

filter;worst-case measurement;insertion loss;switching power supply

TM 91

1002-087 X(2016)04-0873-03