基于共模扼流圈高频模型的Boost PFC的EMI滤波器设计*

2018-08-23胡耀威陈冬冬陈国柱

机电工程 2018年8期

陈浩，胡耀威，王磊，陈冬冬，陈国柱

(浙江大学电气工程学院，浙江杭州 310027)

0 引言

随着电磁干扰问题日益严重，国际上陆续出台了相关的技术规范，如国际无线电干扰特别委员会CISPR提出的CISPR22，欧洲标准规定的EN55022以及我国颁布的GB9254等[1]。

为了使电力电子设备通过相关的传导电磁干扰测试，工程师们常采用在设备的电源进线处加入EMI滤波器的方式[2]。但是，由于共模扼流圈的磁芯材料特性随频率变化以及绕组寄生电容的存在，其阻抗高频特性不理想，会造成EMI滤波器在高频段的衰减不足，进而导致无法通过传导电磁干扰测试[3]。为了更准确地评估EMI滤波器的滤波性能，需要建立共模扼流圈在150 kHz～30 MHz传导干扰测试范围内的高频模型。陈恒林等[4]提出采用Foster网络串联模型对共模扼流圈的共模阻抗进行拟合，其缺陷是没有考虑磁芯材料频率特性的影响；崔永生等[5]在建模过程中假设磁芯磁导率随频率变化的设计是线性的，当磁芯材料磁导率非线性严重时模型就不准确了；CUELLAR C N等[6]提出的模型能较好地反应磁芯材料频率特性的影响，但其建模的前提是需要对磁芯材料的磁导率进行精确的测量，对仪器的要求比较高。

本文提出一种基于共模扼流圈阻抗特性优化的EMI滤波器设计方法，并通过实验进行验证。

1 Boost PFC的传导电磁干扰问题

由于Boost PFC变换器存在固有的混合传导电磁干扰，在设计EMI滤波器前，要先对其进行分离与抑制。

1.1 混合传导电磁干扰分析

根据传导电磁干扰机理的不同，可将其归类为共模干扰和差模干扰两大类。在Boost PFC变换器中，共模干扰主要由开关管漏极和地之间的寄生电容Cp上的位移电流引起；差模干扰主要由电感电流的纹波引起。

Boost PFC变换器在输入电压正半周期时的传导电磁干扰路径如图1(a)所示。其中，LISN网络被简化为2个50 Ω的电阻。可以看出：共模干扰电流iCM此时仅流过N线；差模干扰电流iDM同时流过L线和N线。

通过LISN网络测量得到的电压分别为：

v1=-50iDM

(1)

v2=50(iDM-2iCM)

(2)

据此得到的共模、差模干扰电压为：

(3)

(4)

可见，此时共模干扰电压vCM仅与共模干扰电流iCM有关；而差模干扰电压vDM不仅与差模干扰电流iDM有关，还与共模干扰电流iCM有关，即线路中存在混合干扰。其原因是电路结构的不平衡，N线上的电流比L线上的电流大了2iCM。

混合传导电磁干扰一方面会引起共模扼流圈磁芯饱和，导致EMI滤波器的性能下降；另一方面，由于噪声信号没有分离，无法分别针对共模、差模干扰信号进行电路的建模与分析，导致EMI滤波器设计困难。

1.2 平衡电容对混合传导电磁干扰的抑制

为了改善电路结构的不平衡，笔者在整流桥后加入一个平衡电容CB。加入平衡电容后Boost PFC变换器的传导电磁干扰路径如图1(b)所示。

图1 Boost PFC变换器的传导干扰路径

此时，测量得到的电压分别为：

v1=-50(iCM+iDM)

(5)

v2=-50(iCM-iDM)

(6)

类似地，可得到相应的共模、差模干扰电压：

(7)

(8)

由于平衡电容CB给共模干扰电流iCM提供了一条低阻抗传导路径，此时L线和N线上流过的共模干扰电流大小相等，方向相同；两根线上流过的差模干扰电流大小相等，方向相反。因此，这种情况下共模干扰电压vCM仅与共模干扰电流iCM有关；差模干扰电压vDM仅与差模干扰电流iDM有关。可见，平衡电容CB可以改善原电路中的不平衡状况，避免共模干扰转换为差模干扰，对原电路中的混合干扰有抑制作用。

2 共模扼流圈的高频建模

共模扼流圈是EMI滤波器中的重要元件。共模扼流圈的频率特性与理想电感有显著差异，主要有以下2个原因：(1)共模扼流圈的绕组绕线之间，绕组与磁芯之间以及构成共模扼流圈的两个绕组之间均存在寄生电容；(2)共模扼流圈磁芯材料的磁导率随着频率的增大而下降。

为了更好地设计共模扼流圈，更精确地评估EMI滤波器的性能，需要建立共模扼流圈在150 kHz～30 MHz频率段内的高频模型。

2.1 共模扼流圈的共模等效模型

由于共模扼流圈的电感值较大，其阻抗曲线在10 MHz～30 MHz间常反映出传输线特性。通常本研究采用Foster网络串联模型对其进行拟合。

由于共模扼流圈的磁芯材料常采用锰锌铁氧体或纳米晶等材料，在大于某一频率时，其磁导率会迅速下降，而Foster网络串联模型无法很好地反映阻抗非线性，故提出一种改进的Foster网络串联模型。

共模扼流圈的共模等效模型如图2所示。

图2 共模扼流圈的共模等效模型

其中，C1表征共模扼流圈的寄生电容的影响；左侧框内的部分表征共模扼流圈的磁芯特性；右侧框内的部分表征传输线特性，其级联个数取决于相应频段内阻抗曲线谐振峰的个数。

模型的拟合效果如图3所示。

图3 模型拟合效果对比

由此可见，改进的Foster网络串联模型拟合效果更佳。

2.2 共模扼流圈的差模等效模型

在EMI滤波器中，可将共模扼流圈的漏磁通作为差模电感使用。漏磁通的磁势主要降落在共模扼流圈绕组间的空气磁阻上。由于空气磁导率的频率特性稳定，可以认为差模电感受磁芯材料频率特性的影响很小。且差模电感的感值较小，其阻抗曲线在传导干扰的测试频段一般不会出现传输线特性。故在150 kHz～30 MHz频段内共模扼流圈的差模等效模型可用单级Foster网络模型来拟合。

3 EMI滤波器的设计

基于上述研究结果，本研究针对Boost PFC变换器，提出一种基于共模扼流圈阻抗特性优化的EMI滤波器设计方法。待测装置为一台1.25 kW，开关频率为65 kHz的Boost PFC变换器，如图4所示。

图4 Boost PFC变换器实物图

EMI滤波器的设计步骤如下：

(1)在不加EMI滤波器时，笔者通过LISN网络测量待测装置的共模、差模传导电磁干扰[7]，测量结果如图5所示。

图5 未加EMI滤波器时的传导电磁干扰

(2)将测量值与相应的标准值相减，考虑6 dB的裕量后，得到EMI滤波器在各频段所需要达到的共模、差模干扰衰减值[8]：

vreq,CM=vCM-vLimit,CM+6 dB

(9)

vreq,DM=vDM-vLimit,DM+6 dB

(10)

(3)EMI滤波器的拓扑及其共模、差模高频等效电路如图6所示。

图6 EMI滤波器的高频等效电路

图6(b)中的方框指代改进的Foster网络串联模型；图6(c)图中的方框指代单级Foster模型。

(4)由共模等效电路，得到EMI滤波器的共模插入增益表达式为：

(11)

其中：

(12)

同样，差模插入增益表达式为：

GDM(s)=

(13)

其中：

(14)

由于漏电流限制，Y电容取值通常不能超过3 300 pF[9]。在该待测装置中，取Y电容为1 nF。用阻抗分析仪E4490A对Y电容进行阻抗测量并拟合，Y电容高频等效模型可用RLC串联模型表示。

(5)根据公式(11)，代入相应高频模型和数据，计算得到共模扼流圈在150 kHz～30 MHz频段内所需达到的共模阻抗值。

根据该计算结果，结合上一小节的内容，可以有针对性对共模扼流圈高频阻抗特性进行优化。

(6)初步确定共模扼流圈后，可用阻抗分析仪E4990A测量得到其漏感即差模电感的阻抗曲线，再根据差模衰减值的要求，计算得到X电容取值。

(7)将设计完成的EMI滤波器加入原电路，进行传导电磁干扰测试，验证是否满足要求。

4 设计实例与实验结果

为验证上述设计方法，本研究自行绕制共模扼流圈进行对比测试。磁芯选用Amornano公司的纳米晶磁环，磁芯材料为FeNbCuSiB，产品牌号为ANB-CM322015-SF8，初始磁导率≥80 000。#1扼流圈的匝数为18匝，测量得到的阻抗曲线如图7所示。

可见，虽然#1扼流圈在低频段的阻抗值远大于设计要求，但是其阻抗曲线的第一个谐振峰对应的频率fr较小，#1扼流圈在高频段的阻抗值衰减严重。在10 MHz～20 MHz的频率段#1扼流圈的阻抗值小于设计值，不达标。笔者将采用#1扼流圈的EMI滤波器加入原待测装置，测试结果如图8(a)所示。传导电磁干扰在低频段被衰减到很低的水平，但在4 MHz～20 MHz频段超标，待测装置未能通过传导电磁干扰测试。

图7 共模扼流圈共模阻抗测试值及变化趋势

笔者利用本文提出的改进的Foster网络串联模型对其进行拟合及参数提取，结果如表1所示。

表1 共模扼流圈阻抗拟合结果

本研究增大仿真模型中的L或C值，保持模型中的其他参数不变，此时谐振频率fr减小，阻抗曲线整体左移，扼流圈的阻抗高频特性进一步恶化；减小仿真模型中的L或C值，保持其他参数不变，此时谐振频率fr增大，阻抗曲线整体右移，扼流圈的阻抗高频特性得到改善。

因此，本研究适当减少共模扼流圈的绕制匝数为10匝，并且将绕制方式从双层绕制改进为单层绕制，此时#2扼流圈的阻抗曲线如图7所示。同样的，本研究对其进行阻抗测量、建模拟合及参数提取。由于#2扼流圈在150 kHz～30 MHz间只有一个主谐振峰，在高频段未表现出传输线特性，故其第二级参数空缺。由拟合结果可知，#2扼流圈的电感值减小，且寄生电容也显著减小，其阻抗高频特性得到改善。#2扼流圈的阻抗值在150 kHz～30 MHz全频段均达到设计要求。

本研究将采用#2扼流圈的EMI滤波器加入原待测装置，传导电磁干扰测试结果如图8(b)所示。待测装置通过传导干扰测试。