有源EMI滤波器研究现状综述

陈晓威 董纪清

（福州大学电气工程与自动化学院，福州 350116）

有源EMI滤波器研究现状综述

陈晓威 董纪清

（福州大学电气工程与自动化学院，福州 350116）

随着开关功率变换器朝着小型化、高频化、高功率密度化方向的发展，人们对滤波器的体积和性能提出了更高要求。有源EMI滤波器可以有效减小滤波器的体积和重量，是符合电力电子设备发展趋势的选择。本文介绍了有源EMI滤波器的工作原理，并对现有的有源EMI滤波技术进行了分析对比，结合具体实例，总结了各方案的优缺点，最后对有源EMI滤波器的设计难点和发展方向进行了说明。目前有源EMI滤波器的成本和稳定性问题，是限制其推广应用的主要因素。

开关功率变换器；EMI；无源滤波器；有源EMI滤波器

随着电子信息产业的发展以及各种新型用电设备的普及，如何给这些设备提供稳定、安全高效、干净的电能变得越来越重要。开关功率变换器由于重量小、体积轻、效率高、性能稳定等优点在电源中得到快速发展和广泛应用。但其高频开、关工作特性，会产生大量的电磁干扰（electromagnetic interference,EMI），严重污染周围电磁环境和电源系统，这不仅降低变换电路自身的可靠性，而且会使电网及邻近设备运行质量受到影响。

EMI滤波技术是抑制传导电磁干扰最主要也是最有效的手段之一。目前，滤波器主要分为两类，即无源滤波器和有源滤波器。无源滤波器大多由分立的共模电感、差模电感和Cx、Cy电容等构成，设计相对简单，技术成熟，维护方便，但为了改善低频段的滤波效果，往往需要增大电感和电容，故体积、重量和损耗等都比较大[1]。除此之外，无源元件的寄生参数对高频段的滤波效果也有很大影响。有源滤波器因为采用有源消去技术，多采用半导体器件和电子电路[2]，不需要靠增大电感和电容值来提高滤波效果，所以体积和重量都比较小。当今开关功率变换器的发展趋势正日益高频化、小型化、高功率密度化，无源滤波器的体积和重量等缺点制约了其发展，因此，有必要开展对有源滤波器的进一步研究，以满足日益对EMI滤波器的更高要求。

本文介绍有源滤波器工作原理，并对现有的有源EMI滤波技术进行分析对比，总结各方案的优缺点，最后，对有源EMI滤波器的设计难点和发展方向进行说明。

1 有源滤波器的工作原理

根据有源滤波技术的应用场合，可以将其分为有源EMI滤波器（active electromagnetic filter,AEF）和有源电力滤波器（active power filter,APF）。AEF的工作原理是通过注入一个与原噪声电流大小相等、方向相反的补偿信号，以此来达到消去电路中的噪声电流的目的[3]。APF的工作原理与AEF的相似，只是要消去的是电网中的谐波和无功电流。二者工作原理虽然类似，但是在工作频段、功率等级、受控源的实现方式上有很大不同[4]。

传导噪声可以被分为共模（common mode,CM）噪声和差模（differential mode,DM）噪声，一般情况下，有源共模或者差模EMI滤波器是分开设计的，单个有源EMI滤波器的输出补偿都是有针对性的消除共模或者差模噪声信号，剩下的另外一种传导噪声是通过无源滤波器或者另一级有源EMI滤波器进行消除。下面以一种基于电流采样、电流补偿的反馈型有源共模EMI滤波器为例进行工作原理分析，其结构如图1所示。通过检测电源侧噪声电流is和反馈网络输出补偿电流ic，若有ic≈in，则is=in−ic≈ 0，即电源侧噪声得到了抑制，其中in为噪声源侧噪声电流。

图1 有源共模EMI滤波器结构

2 有源EMI滤波器的分类

根据有源EMI滤波器电路组成和结构的不同，可以从采样和补偿方式、采样和补偿位置以及控制方案等方面进行分类。

2.1 基于采样和补偿方式的分类

根据采样和补偿方式的不同，可将有源EMI滤波器分为：①电流采样电压补偿；②电流采样电流补偿；③电压采样电流补偿；④电压采样电压补偿4种类型[5]，其拓扑结构如图 2所示。图中Zs代表LISN网络的阻抗，in代表噪声电流，Zn代表噪声源的内阻抗。

对于EMI滤波器，一般使用插入损耗（insertion loss,IL）来衡量其衰减性能。其定义为

式中，Vs0为无滤波器时噪声源在负载侧建立的电压；Vs为有滤波器时噪声源在负载侧建立的电压。

根据插入损耗的定义，可以推导图2所示4种拓扑结构的插入损耗及最大插入损耗条件，见表1。其中A为补偿网络的放大倍数。

图2 有源EMI滤波器的4种拓扑结构

表1 四种AEF拓扑结构的插入损耗

对于电流采样方式，大多使用电流互感器（current transform,CT）。用CT采样的方式简单直观，通过改变绕组结构，还可以方便地分离共模噪声电流和差模噪声电流，但是对 CT的设计要求比较高，其分布参数和高频寄生参数是限制采样带宽的重要因素，而且，CT采样的下限截止频率与副边绕组匝数有关。为了保证采样带宽，副边绕组匝数不能太低，而在主电路功率电流很大情况下，CT原边的线径较粗。考虑到体积的问题，又会限制原边绕组的匝数，这会使得在反馈型有源滤波器的设计中，难以在采样环节获得较高增益，从而加大了对于运放环节的放大倍数要求，影响高频滤波效果。除此之外，对于低频 AC输入的情况，因为差模噪声流动方向与主电路功率电流方向一致，而主电路功率电流一般比较大，频率又很低，容易引起磁心饱和，所以在检测差模噪声信号时，对 CT的设计难度更大。

电压采样方式虽然省去了 CT的设计过程，但是由于在实际电路中没有 LISN网络，无法直接从LISN的两个50Ω电阻上引出电压进行处理，因此相比于 CT采样而言比较繁琐，一般需要先增加一个电路网络，用来提取出输入线上的总噪声电压，再配合变压器进行处理，以此来分离差共模噪声，类似于图3所示的结构。对于该采样方式，一方面比较难保证在增加的电路网络上所检测噪声的准确性，另外一方面，仍然不可避免的需要考虑变压器杂散参数等因素的影响。

图3 基于电压补偿的有源差模EMI滤波器方案

不论是电压补偿还是电流补偿方式，都有一定的适用范围和优缺点。文献[6]分别比较了同样采样方式下，不同补偿方案对噪声抑制效果的影响，通过理论分析和实验验证得出结论：电流补偿方式更适用于消除噪声源高阻抗共模噪声，电压补偿方式有助于消除噪声源低阻抗差模噪声。同时该文献还提出了一种检测差模噪声信号的方案，即提供一个类似于 LISN的网络，通过检测该网络两端电阻上的电压进行处理，得到差模噪声信号。其电路拓扑如图3所示。在实际应用中，由于采样网络R1、R2、C1、C2寄生参数以及公差等因素的影响，很难保证在频段 150kHz～30MHz内，在增加的这个网络上所检测并处理的噪声即是 LISN端测得的实际的差模噪声。

文献[7]提出了一种基于电压采样电流补偿的有源共模EMI滤波器方案，如图4所示，通过给噪声电流提供一个低阻抗回路，人为引导共模噪声的流通路径，达到抑制共模干扰的目的。该滤波器性能与补偿电路的放大倍数有关，受运放增益和系统稳定性的限制，其高频性能不理想，同时该方案只是切断了其中一条路径上的共模电流，通过散热器对地电容回路的共模电流路径并没有被切断，而且往往该回路是主要共模噪声回路。

图4 基于电压采样电流补偿的有源共模EMI滤波器方案

2.2 基于采样和补偿位置的分类

根据采样和补偿位置的不同，可以将AEF分为前馈型和反馈型两种结构[8-10]，如图 5所示。由电路结构可以看出，前馈型AEF需要有稳定的单位增益，对增益的精度和相位要求比较高，鉴于磁件的非线性以及有源元件的不确定性[11]，比较难以在一个较宽频段范围内保证滤波效果。对于反馈型AEF，在采样端靠近噪声负载侧，为了达到最优补偿效果，即is≈0，，理论上其反馈增益G(s)需要无穷大，而在实际应用中，只需保证增益尽量大即可。相比于前馈型AEF而言，对增益精度的要求比较低，但是增益太大，又容易造成系统的振荡，故为了保证系统的稳定性，设计时需要在反馈增益上进行一定程度的妥协。

图5 基于不同采样和补偿位置的有源共模EMI滤波器方案

文献[9]提出了一种前馈型有源 EMI滤波器方案，如图6所示。该滤波器采用了电压采样电压补偿的方式，实现了补偿端与主电路的隔离。同时，采用前馈型方式，不需要像反馈型AEF一样，通过增大共模变压器绕组匝比进一步提高补偿增益，从而增强了滤波效果，减小了变压器高频寄生参数对滤波性能的影响。

图6 前馈型有源共模EMI滤波器方案

2.3 基于控制方式的分类

根据控制方式的不同，AEF可以分为模拟控制AEF和数字控制AEF。模拟控制AEF一般采用高速运放作为中间级，控制相对简单，但受补偿响应速度、增益带宽的限制，在抑制高频和强噪声电流方面的能力不足[12-13]。数字控制AEF可以通过调整控制方案，弥补系统补偿滞后的不利影响，具有动态特性较好的优点，但是数字AEF，对于采样、数字控制芯片、优化算法的要求都比较高，成本较大，设计过程相对复杂[14]。

文献[15]提出了一种数字控制AEF方案，如图7所示，通过分析三相 PWM逆变器的共模电压特点，构建了由一个单相逆变器和一个五绕组变压器组成的有源EMI滤波器，通过控制单相逆变器产生与共模电压大小相等、方向相反的补偿信号，利用五绕组变压器叠加到电机端中，来抑制电路中的共模噪声。该方案增加了桥臂，成本比较高，同时IGBT直接并联在直流母线两端，不适用于高电压场合。

图7 数字有源共模EMI滤波器方案

2.4 混合型EMI滤波器

无源滤波器结构简单，高频性能较好，如果要降低截止频率，则元件体积和重量都要加大。而有源滤波器低频性能好，高频性能较差[16]，因此采用有源加无源的混合型EMI滤波器方式，能够综合两者优点，在保证滤波效果的前提下，减小滤波器的体积和重量，便于集成，更适应当前开关电源的发展趋势。

混合型EMI滤波器的结构一般如图8所示[16]。噪声首先经过无源滤波器将高频噪声信号衰减，再由有源EMI滤波器将低频噪声信号消除。这种方式避免了有源滤波器直接处理高频噪声信号影响补偿效果的缺陷，同时，由于无源滤波器部分主要抑制的是高频噪声，因此可使其体积和重量进一步减小[13]。

图8 混合型有源EMI滤波器结构

文献[17]提出了一种混合型EMI共模滤波器方案，如图9所示。该滤波器由一个反馈型有源EMI滤波器串联一个共模电感组成。同时通过分析其简化等效电路（如图10所示），可以推得：①有源滤波电路可以放大共模电感和噪声源阻抗，增大整个滤波器的总等效阻抗，进一步增强滤波效果；②无源和有源滤波器的相对位置对于滤波效果也有影响。

图9 混合型有源EMI滤波器方案

图10 等效电路

3 有源滤波器的设计难点和发展方向

3.1 AEF的设计难点

影响有源滤波器性能的因素比较多，因此，相对于无源滤波器而言，有源滤波器的设计比较复杂。

1）稳定性与补偿效果的预测和设计。有源滤波器因为采用有源消去技术，是通过注入补偿信号来抑制噪声的，这意味着如果设计不当或者工作不稳定，可能就会增加电路中的噪声，所以如何保证有源滤波器工作的稳定性和可靠性，是滤波器的设计重点，也是设计难点[18]。影响有源滤波器稳定性和补偿效果的影响因素很多，比如噪声源内阻抗、补偿电路的放大倍数和响应速度、磁件的高频寄生参数、控制方案、与之组合的无源滤波器结构和取值等，也正是受这些因素的影响，理论上具有通用性的滤波器，当工作在不同的电子设备上或者工作在不同的操作条件下时，可能无法达到理想的滤波效果。

2）仿真模型的建立。仿真是辅助工程师进行电路设计的一个重要手段，这会大大缩短设计和调试电路的时间，尤其是对于有源滤波器而言，仿真对其稳定性和补偿效果的理论研究和设计具有很大的帮助。因此，如何建立高频仿真模型、辅助分析和设计，是有源滤波器研究的另外一个难点和热点，这在电路结构复杂的设备中，尤其明显。

3）噪声源阻抗的测量。通过表1所示的各种拓扑结构最大插入损耗条件可知，噪声源阻抗对于滤波器的性能有影响。而现有的测量噪声源传导干扰等效内阻抗的方法，操作繁琐复杂，给有源滤波器的设计和仿真增加了难度。

3.2 有源EMI滤波技术的发展方向

国内外对于有源EMI滤波器已经做了大量的研究，但是受其成本和稳定性的限制，一直没有进行大范围的推广和应用。对于降低有源滤波器的成本而言，可从以下两方面来考：①提高材料的工艺水平，从而降低器件本身的成本；②通过合理的优化设计，尽量发挥器件的功能，从而增加器件的性价比，降低成本。

另一方面，由于受元件的高频寄生参数、补偿响应速度以及运放增益带宽积等因素的限制，有源EMI滤波器在高频段的性能往往不佳，因此在未来一段时间内，有源和无源结合的混合型滤波器仍将是主流选择。除此之外，虽然当前数字控制型有源滤波器存在成本和设计复杂的问题而应用较少，但是数字控制型AEF也具有模拟控制型AEF所没有的优点（例如调试便捷），可通过控制方案来解决补偿滞后带来的问题，因此，数字控制型AEF有很大的潜力可以挖掘。

4 结论

近年来，开关功率变换器以及其他电力电子设备正朝着高频化、小型化、高功率密度化的方向发展，同时随着无人驾驶技术、电动汽车以及其他精密电子产品的普及和应用，为了保证这些技术和产品的可靠性，势必会对EMI滤波器提出更高的要求。无源滤波器受体积和重量的限制，不适应当前的发展趋势。有源滤波器因采用有源消去技术，具有体积小、便于集成、动态特性好的优点，受到了广泛关注，但受成本和稳定性的限制，其在工业产品中的应用还不够普遍。随着材料工艺的上升和成本的降低，以及对于有源EMI滤波器稳定性的更深刻认识和研究，有源EMI滤波器必将具有更广阔的应用前景。

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The Current State of Active EMI filter were Reviewed

Chen Xiaowei Dong Jiqing
(College of Electrical Engineering and Automation of Fuzhou University,Fuzhou 350116)

As the switching power converter develops toward the direction of miniaturization,high frequency and high power density,higher requirements in size and performance of the filter are proposed.Active EMI filter,which can effectively reduce the volume and weight of the filter,is a good choice to cater the development trend of power electronic equipment.This paper introduced the working principle of active EMI filter,and the existing active EMI filter technology were analyzed and compared,the advantages and disadvantages of each scheme were also summarized.Finally,the design difficulties and development direction of the active EMI filter were described.At present,the cost and stability of the active EMI filter are the main reasons restrict its wide application.

switching power converter;EMI;passive filter;active EMI filter

陈晓威（1992-），男，福建龙岩人，硕士研究生，主要研究方向为电磁兼容技术、电力电子高频磁技术。