基于电磁噪声仿真的EMI滤波器研究

2020-01-19孟文辉

中国设备工程 2020年6期

孟文辉

（株洲中车时代电气股份有限公司，湖南株洲 410000）

随着社会科技的发展，社会生活中电子设备的运用越来越广泛，高效的电子设备在提高社会生产生活的效率方面有着重要作用。在电子设备中，EMI电磁干扰滤波器对于有效滤除电源线的特定频率的频点和该频点以外的频率段有着重要作用，但在实际的大功率电子设备中，由于供电电流特别大，电网中的电磁噪声频谱特征特别复杂，电磁噪声从低频到高频都有，再加上生产生活对电子设备中电磁干扰滤波器的使用安全性要求提高，使用温度范围更宽，普通的电磁滤波器已经逐渐不能再满足社会生产生活的要求，针对现在EMI滤波器的局限性以及社会对EMI滤波器的高要求，提出了基于Pspice仿真的高频EMI滤波器设计。笔者针对现有技术的不足，从电磁噪声仿真的角度对EMI滤波器展开研究，并提出了一种新的设计方法，以期能够为EMI滤波器的相关研究和实践提供参考。

1 EMI滤波器概述

1．1 EMI滤波器的结构

标准的EMI滤波器通常是由串联电抗器和并联电容器组成的低通滤波电路，作用就是允许所需频率信号在电子设备正常工作时进入设备，而对高频的干扰信号进行阻碍。一般来讲，EMI滤波器有片式滤波器，树脂密封封装滤波器，玻璃密封封装滤波器，滤波阵列，滤波连接器以及电源滤波器。片式滤波器有贴片式和引线式两种，片式滤波器具有体积小的优点，能够用在电子设备的表面安装，能够节约PCB空间和安装时间；树脂密封封装滤波器根据安装方式的不同分为焊接式和螺纹安装式两种，电路结构有C型、L型、LC型、T型、Pi型五种类型可选；玻璃密封封装滤波器是采用玻璃封装的滤波器，滤波性能高，适合用在恶劣的环境，并广泛用于军用、航空等领域，电路结构有C型、LC型、T型、Pi型以及双T型五种结构；滤波阵列就是多个焊接式滤波器的组合，这种滤波器具有很强的选择性和灵活性，能够根据客户的要求选择多个不同类型的滤波器焊接在同一个地板上，滤波阵列的安装和使用都非常方便；滤波连接器就是在标准的连接器上安装滤波器，滤波连接器具有D型、圆形等各种形式，能够与标准的连接器进行连接，滤波连接器能够提供良好的电磁干扰效果；电源滤波器就是由电容、电感和电阻组成的滤波电路，这种滤波器的工作原理就是电源滤波器根据输入、输出侧与电源和负载侧的阻抗适配程度大小，产生相应的衰减效果，电源滤波器作为一种无源低通滤波器，与其他类型的滤波器相比具有良好的经济性。电源滤波器适用于电子设备中电路的供电系统，既能够抑制电源传导给电路的电磁干扰，还能抑制电路产生的电磁干扰，阻止电路产生的电磁干扰传导给供电电源。

1．2 开关电源EMI滤波器的噪声来源以及抑制原理

任何电子设备都离不开稳定安全的电源，在科学技术不断发展的今天，电子设备对电源安全性的要求也越来越高，而开关电源作为一种经济便捷、小巧轻便以及效率性高的电源，在社会生产生活中得到了广泛的应用。但开关电源在工作中会由于各种原因产生电磁噪声，产生噪声的原因有电源模块噪声、变压器噪声等。首先，电源开关产生的噪声：通常情况下反激式的电源开关的能量传递是由场效应管导通，电流通过变压器和场效应管，然后，场效应管再关断，但在实际的能量传递过程中由于变压器可能存在漏感，漏感和场效应管的寄生电容产生震荡，震荡产生的电压尖峰会在能量传递的过程中将电压尖峰也传递到输入端；场效应管高频开关动作导致电压和电流的快速变化（du/dt与di/dt）是产生EMI的主要原因；电压快速变化产生的共模电流通过场效应管与散热器之间的分布电容与地线形成的传播路径送至输入端；另外，变压器也是一个噪声源，初级次级线圈之间的漏感、初级线圈的层间电容、次级线圈的层间电容，初级线圈和次级线圈之间的耦合电容，都可形成噪声。

开关电源形成电磁干扰的原因主要就是干扰源、传播渠道以及受扰设备，而开关电源电磁干扰滤波器就是对电磁干扰信号传导进行抑制，就是在电源输入端接上滤波器来抑制开关电源中产生并向电网反馈干扰，以及抑制来自电网噪声对电源本身的侵害。开关电源电磁干扰滤波器主要就是在开关电源的电路上和电子结构上进行屏蔽及反射，首先，开关电源的电路上对电磁干扰信号进行屏蔽，就是通过采用吸收电路的方式尽可能地降低电路中的电压和电流的快速变化产生的干扰信号，进而起到抑制电磁干扰的目的；其次，就是开关电源通过做好机壳的屏蔽、高频变压的屏蔽、开关管以及整流二极管的屏蔽等提高开关电源本身的屏蔽效能。

2 开关电源EMI滤波器的优化设计研究

2．1 三相电源EMI滤波器设计原则

根据前文对电源滤波器结构的分析，同样也可以得到三相电源滤波器在抑制电磁噪声方面的作用是很大的。与其他电源滤波器相比，三相电源滤波器的三节滤波效能最佳，具有良好的共模衰减，泄露电流低，适用于机床电子设备等电磁干扰较为严重的区域。从电磁仿真的角度对三相电源滤波器进行设计时，要满足三相电源EMI滤波器设计中的最大阻抗失配原则，要将插入损耗尽可能地增大，尽可能地增大信号反射。然后，再根据三相滤波器的抑制值进行参数调整，最后，再在阻抗失配情况已知的条件下根据等效电路来进行三相滤波器的建模，实现对三相滤波器的设计。

2．2 开关电源EMI滤波器的优化设计

在开关电源滤波器优化设计的方案中，主要有基于Pspice仿真的 EMI滤波器设计，基于SVPWM的并联型有源滤波器的设计以及基于MATLAB的并联型有源电力滤波器的仿真设计等滤波器的研究方法。其中，基于Pspice仿真的EMI滤波器设计方案取得了极好的EMI滤波效果，这种优化设计的方法主要是基于Pspice仿真软件对电源开关滤波器的电路进行温度扫描分析、参数扫描分析以及滤波插入损耗分析等，实现对电路的优化。笔者基于电磁噪声仿真的EMI滤波器设计方法就是采用噪声分离的方法分离出变换器的共模噪声和差模噪声，并在此基础上计算出共模滤波器和差模滤波器的截止频率，以此来设计电源开关滤波器。具体的三相电源滤波器的设计中，以三相380V的开关电源滤波器为例。在大型工业生产中，三相电源滤波器对于抑制电子设备的干扰频率、稳定电子设备的正常工作有着重要影响。三相电源滤波器主要由三相共模电感、共模电容、差模电容、差模电感以及泄放电阻组成，在具体的三相电源滤波器的设计中，首先，要根据三相电源滤波器的使用要求来确定滤波器的参数，参数包括电阻取值、电容取值以及电感取值，其中，共模电容由于连接在相线（或中线）与地线之间，在选择时，要满足漏电流的相关规定，以防共模电容的失效导致的漏电，优先选择安规电容（电容失效时断路），在确定共模电容后，再确定电感的取值，电感量的估算要考虑阻抗和频率，要保证磁芯材料在很宽的范围内具有比较稳定的磁导率。然后，要构建等效的三相电源滤波器模型，并将构建出的等效电路插入损耗来进行仿真效果研究，探究三相电源滤波器对电磁干扰噪声的衰减效果，在进行具体电磁干扰探究的过程中，首先，要对仿真理想生产环境中的电源开关的电磁噪声频率进行观察，然后，再观察在理想的生产环境下，三相电源滤波器对电源开关运行过程中EMI改善效果，并在电磁频率的基础上对电容和电感进行调整，得出三相电源滤波器的最优插入损耗频谱。仿真电磁噪声环境下往往与实际生产环境有一定的差异，比如，实际分布参数因材料与工艺差异，与理想模型参数存在一定的偏差，但是，通过对电源滤波器中电容和电感进行一定的调整，就能够提高滤波器的有效性，满足实际滤波的需求。