開(kāi)關(guān)電源EMI濾波器的仿真設計

目前，在我國絕大多數工程設計中，尤其是在設計初期，很少考慮設備內部電路對內以及對外的電磁干擾問(wèn)題，致使許多電力電子裝置性能都不能得到理想效果。往往是問(wèn)題出現了才去尋找原因與解決方案，這既耗時(shí)又耗力，而且加大了產(chǎn)品的成本。因此，提高電力電子裝置的電磁兼容性已成為十分重要的問(wèn)題。為了提高產(chǎn)品質(zhì)量與可靠性，縮短產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期，則要求進(jìn)一步加強對電力電子裝置電磁干擾特性的研究，特別是在設計初期，則考慮設備電路之間的電磁干擾是十分必要的，然而電磁干擾濾波器是提高電力自動(dòng)化設備電磁兼容性的重要器件之一。

1 研究方法和實(shí)驗方案

1.1 開(kāi)關(guān)電源頻率分布
根據開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)生共模、差模干擾的特點(diǎn)，可以粗略按干擾的分布劃分3個(gè)頻段：O．15～0．50 MHz差模干擾為主；O．5～5 MHz差模、共模干擾共存；5～30 MHz共模干擾為主。

1.2 共模和差模等效電路
在進(jìn)行EMI電源濾波器電路結構分析時(shí)，通常將共模干擾和差模干擾分開(kāi)分析，分別計算各自等效電路的A參數矩陣，并得出對應的插入損耗。分別給出濾波器在理想狀態(tài)下的共模等效電路和差模等效電路如圖1、圖2所示。

1．3 干擾信號分析
近年來(lái)，共模和差模干擾信號分離技術(shù)發(fā)展日漸成熟，可通過(guò)多種方法獲得共模和差模干擾信號各自的相量成分大小。常用的干擾信號分離方法有電流探棒、差模拒斥網(wǎng)絡(luò )以及干擾分離器等。在進(jìn)行傳導型電磁干擾測量時(shí)，必須使用傳輸線(xiàn)阻抗穩定網(wǎng)絡(luò )，它是電磁兼容檢測規定的線(xiàn)性阻抗固定網(wǎng)絡(luò )，其主要功能是提供待測物工作電源，隔絕外部干擾，并提供一個(gè)固定阻抗，以攝取待測物干擾，利用頻譜分析儀讀取干擾的大小，測量電路如圖3所示。當分別獲知干擾源共模和差模干擾大小時(shí)，便可利用共模和差模等效濾波電路，并依據所需的衰減量設計適當的元件值。

根據現有條件，通過(guò)對測試結果和標準要求的綜合分析可得濾波器抑制共模和差模干擾需要達到衰減量。共模和差模插入損耗與頻率對應關(guān)系如表1所示。

2 程序設計及仿真

所有算法采用Matlab語(yǔ)言編程實(shí)現。從程序功能分為濾波器設計和濾波器分析兩大模塊。

2.1 共模電感和差模電感的計算
共模電感和差模電感的計算頻點(diǎn)是根據開(kāi)關(guān)電源的工作頻率來(lái)取值的，分別是工作頻率、諧波頻率及幾個(gè)高頻點(diǎn)。

2.2 仿真結果分析
測試工作是對EMI電源濾波器性能做出評價(jià)的重要依據，一般在電磁中進(jìn)行。電磁屏蔽室是能夠提供防止電磁干擾、凈化電磁環(huán)境試驗場(chǎng)所插入損耗常用的設備，一般是頻譜分析儀、人工電源網(wǎng)絡(luò )等，該實(shí)驗使用的分析儀型號為 HP3585ASPECTRUMAN ALYZER20 Hz～40 MHz。表2所示為濾波器實(shí)際測得的共模和差模插入損耗。

2.3 結論
通過(guò)一個(gè)直流EMI電源濾波器的設計實(shí)例，闡述濾波器的整個(gè)設計流程。設計過(guò)程主要包括：首先明確EMC規范要求，選擇濾波電路結構，并使用網(wǎng)絡(luò )理論進(jìn)行分析，同時(shí)在分析干擾信號的基礎上給出濾波器的共模和差模插入損耗設計指標。在此使用 Matlab軟件建立濾波器仿真模型，通過(guò)編程計算出部分濾波元件的參數，并分別對濾波器的理想及高頻電路模型進(jìn)行仿真分析，討論元件參數、高頻分布參數及源、負載阻抗對濾波器頻率特性的影響。最后通過(guò)實(shí)驗驗證濾波器設計方法和仿真模型的正確性。在此使用的濾波器設計方法同樣適用于多級濾波器、交流單相濾波器及交流三相濾波器。

3 結 語(yǔ)

總之，本設計是建立在網(wǎng)絡(luò )理論上的EMI電源濾波器設計技術(shù)，能?chē)栏癖ＷC濾波器網(wǎng)絡(luò )的穩定性和網(wǎng)絡(luò )傳輸特性，使其彌補以前經(jīng)驗設計的不足。同時(shí)結合實(shí)際工程技術(shù)，使設計方案更加實(shí)用，縮短濾波器的開(kāi)發(fā)周期，并節省研發(fā)成本。該設計方法使該設備具有抑制電氣電子設備的傳導干擾，提高電氣電子設備傳導敏感度水平，保證電氣電子設備整體或局部屏蔽效能等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)具有結構簡(jiǎn)單，性能可靠，操作方便，有較好的實(shí)用價(jià)值。