開(kāi)關(guān)電源有源共模EMI濾波器研究及其應用

1 引言

　　傳統的開(kāi)關(guān)電源大多使用由分立的共模電感、差模電感和X，Y電容等構成單級或多級的無(wú)源濾波器，這些濾波器無(wú)一例外地均應用了較多的無(wú)源元件，如濾波電感和電容。而且由于國際上對電磁兼容的標準越來(lái)越嚴格，許多時(shí)候一級濾波器不能滿(mǎn)足電磁兼容的要求，而必須使用兩級或者多級，這就增大了無(wú)源濾波器的體積，從而也增大了損耗。此外，由于無(wú)源組件的分布電容和引線(xiàn)電感等分布參數（如差、共模電感的繞組分布電容和濾波電容的串聯(lián)等效電感等）對濾波效果影響都很大，特別是在高頻區域段，這些分布參數的影響會(huì )更加嚴重，且難以控制，從而大大衰減了高頻濾波特性。作為共模和差模濾波電感的主要元件——磁芯，其電磁參數具有頻變特性，并且磁芯本身的性能也受到工藝水平及制作材料的限制，這給它的應用帶來(lái)了諸多限制。因此，如何在提高開(kāi)關(guān)電源的功率密度和開(kāi)關(guān)頻率，實(shí)現開(kāi)關(guān)電源模塊化和集成化的同時(shí)，解決由此引起的更加嚴重的電磁干擾則是電力電子技術(shù)研發(fā)人員面臨的關(guān)鍵問(wèn)題。

　　總體看，傳統的無(wú)源EMI濾波器存在下述不足：①體積大，造價(jià)高，因此不能滿(mǎn)足開(kāi)關(guān)電源日益小型化、高密度化的需要；②無(wú)源濾波器的衰減頻帶較窄，在低頻段要靠增大電感和電容值來(lái)提高其插入損耗，而在高頻段由于分布參數的影響有可能引起不必要的振蕩而影響到濾波特性；③當今要求開(kāi)關(guān)電源成為體積小，重量輕，效率高，可靠性高，功率密度高的“綠色電源”，但由于作為開(kāi)關(guān)電源重要組成部分的濾波器，體積的減小是有限度的，因此制約了開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展。

　　無(wú)源濾波器的上述缺點(diǎn)注定它在電磁污染日益嚴重的今天不能滿(mǎn)足濾波技術(shù)的需要。而有源EMI濾波器，采用了有源消去技術(shù)，很好地抑制了EMI噪聲電流，并可對它進(jìn)行動(dòng)態(tài)補償和調整，且不會(huì )對系統的穩定性造成不利影響；此外，與無(wú)源濾波器相比，由于有源EMI濾波器采用了半導體器件和電子電路，因而可使體積變小，重量變輕，這有利于集成封裝，所以已成為業(yè)界對其進(jìn)行研究的一種新趨勢和發(fā)展方向[1-4]。

2開(kāi)關(guān)電源有源共模EMI濾波器

　　2.1有源共模EMI濾波器基本原理

　　有源EMI濾波技術(shù)的實(shí)質(zhì)是對噪聲信號進(jìn)行實(shí)時(shí)補償。這里提出的有源共模EMI濾波器（Active Common-mode Filter，簡(jiǎn)稱(chēng)ACMF）基本原理是先采樣共模信號，然后通過(guò)反饋，動(dòng)態(tài)輸出一個(gè)與所采樣的噪聲電流（電壓）大小相等、方向相反的補償電流（電壓），其實(shí)質(zhì)是為共模電流提供一個(gè)極低阻抗的內部回路。圖1示出其原理圖。其中，Path1指共模噪聲源S1通過(guò)分布電容CD流入地的共模電流路徑，在無(wú)濾波器時(shí)共模噪聲inoise將通過(guò)CP全部注入地。ACMF將產(chǎn)生一個(gè)補償電流，為inoise提供低阻抗分流支路Path2，從而使其盡量沿Path2路徑流過(guò)。理想時(shí)icomp=-inoise，可使流入地的共模電流為零，從而達到衰減共模電流的目的，以滿(mǎn)足電磁干擾的標準。

2.2 ACMF設計

分析了傳統無(wú)源電磁干擾（Electromagnetic Interference，簡(jiǎn)稱(chēng)EMl）濾波器的缺點(diǎn)，提出有源共模濾波器的設計思想，并分析了其工作原理。以一臺反激式開(kāi)關(guān)電源為對象，研究上述開(kāi)關(guān)電源ACMF的設計與應用。圖2a示出ACMF在開(kāi)關(guān)電源系統中的連接。圖中，用虛線(xiàn)連接于反激式電源變壓器初次級地之間的共模濾波電容Cy具有較好濾波效果，但因受漏電流安規要求的限制，其值不能太大。在此擬用提出的ACMF取代Cy，以增強對共模干擾的濾波效果。圖2b示出ACMF的具體電路。它由一個(gè)寬帶高速運算放大器U為核心的器件構成。

　　由于A(yíng)CMF網(wǎng)絡(luò )處理共模干擾信號的特殊性，所以對電路中一些元器件的選擇也存在一些特殊要求。ACMF電路中關(guān)鍵元器件的選取和設計如下：

　?。?）運算放大器U的選擇因為共模干擾的頻譜范圍較寬，所以要求處理它的運算放大器的頻帶寬，響應速度快，對輸入電壓中的共模電壓有較高的抑制，并能輸出較大的電流。這里選擇單位增益可達 200MHz，輸出電流為l00mA的高速電壓反饋式運放LM7171，它的工作電壓較寬，為5.5-36V。通常情況下，開(kāi)關(guān)電源的高頻變壓器都會(huì )有一個(gè)輔助繞組給PWM/PFM控制芯片提供電源，這樣運算放大器的工作電壓可直接從該輔助繞組經(jīng)整流后獲得，如圖2a中的#1，接至繞組后，就在#1與#2之間很方便地給運算放大器提供工作電源。

　?。?）負反饋網(wǎng)絡(luò )參數的確定由于A(yíng)CMF網(wǎng)絡(luò )采用電壓檢測、電流補償，可寫(xiě)出ACMF的增益Aiv為：
設#2，#3之間的阻抗為Z，則：
為便于分析，設

則Z可進(jìn)一步表示為：

　　若能使Z=0，則UAB=0，從而實(shí)現了圖2中反激式電路初次級地A、B兩點(diǎn)間理論上的短路，此時(shí)為最理想的情況。由式（3）可知，要實(shí)現理想情況，就要求反饋網(wǎng)絡(luò )的增益盡可能大，增益越大，Z越小，補償效果越好；但同時(shí)在實(shí)際運用中，從系統的穩定性出發(fā)，為避免振蕩，特別是高頻情況下的環(huán)路增益不可能太大，所以往往是在穩定性和增益間折衷選擇。試驗中，反饋網(wǎng)絡(luò )取Rf=470kΩ， R4=10Ω。

（3）電容的選擇輸出耦合電容C6把輸出電壓耦合到電路中，同時(shí)也起到ACMF與主電路間的隔離作用。這里，C6選取高頻特性好的高頻電容。

　　在A(yíng)CMF網(wǎng)絡(luò )中，由于運算放大器工作時(shí)反相端與同相端之間的“虛短”，C4和變壓器初次級之間的耦合電容Cps串聯(lián)，故可通過(guò)C4采樣到共模電壓，并輸入至運算放大器的反相端，再經(jīng)過(guò)由Rf,R4,C4組成的運算放大器反饋網(wǎng)絡(luò )以及C6和R5，，即可輸出一個(gè)反方向的動(dòng)態(tài)補償電流，從而使共模電流在 ACMF網(wǎng)絡(luò )內部循環(huán)，這大大減少了流入地的共模電流，達到了衰減，甚至消去共模電流的目的。

　　由于A(yíng)CMF跨接在變壓器的初次級之間，且它代替的Cy一端需接地，故設計的ACMF電路必須滿(mǎn)足變壓器初次級隔離要求及對地漏電流的安規要求。

　　上述兩點(diǎn)在電路設計中可通過(guò)下述措施予以保證。

　?。?）電源不工作時(shí)的打耐壓試驗。此時(shí)，有源濾波器不起作用，對其進(jìn)行耐壓試驗時(shí)，高壓高頻電容C6串聯(lián)在高壓脈沖電路中，所以不影響對變壓器打耐壓的要求；實(shí)驗電路中C4～C6均取為560pF值，且耐壓滿(mǎn)足安規要求的安規電容。

　?。?）圖2a中#2與#3間的阻抗Z表達式見(jiàn)式（3）。

　　由式（3）可作出圖3所示的交流阻抗Z的頻率特性曲線(xiàn)。為便于比較，圖中給出了#2與#3之間只跨接Cy=560pF時(shí)的阻抗Z2。表1示出Z和Z2在部分頻率下的阻抗值。由圖3和表1可見(jiàn)，在400Hz以下及工頻的低頻段，ACMF并未顯著(zhù)降低阻抗；在150kHz以上的高頻段，ACMF表現出很低的阻抗，所以ACMF在給高頻共模干擾提供極低阻抗通路的同時(shí)，不會(huì )增大開(kāi)關(guān)電源對地的工頻漏電流。

2.3 實(shí)驗結果及分析

　　現以一臺輸出功率為60W（19.5V/3.5A），開(kāi)關(guān)工作頻率為58kHz的反激開(kāi)關(guān)電源為例進(jìn)行試驗，以驗證設計的ACMF電路對共模干擾的抑制效果。實(shí)驗中，實(shí)驗樣機未加任何無(wú)源共模濾波器，只加了由0.47μF，0.22μF兩個(gè)差模電容和一個(gè)12.74μH差模電感構成的差模濾波器，以濾除差模噪聲，突出觀(guān)察設計的ACMF對共模噪聲的濾波效果。由圖2及共模噪聲傳播信道可知，A和B兩點(diǎn)間的電壓實(shí)際上就是LISN共模噪聲采樣電阻兩端的電壓，因此可先用示波器測量這兩點(diǎn)間電壓的變化來(lái)判斷ACMF對共模噪聲的衰減作用。圖4a 示出采用示波器測得實(shí)驗樣機在采用ACMF或和不采用ACMF，但Cy=560pF時(shí)A，B兩點(diǎn)間的電壓uAB實(shí)驗波形?？梢?jiàn)，使用ACMF后，uAB大大減小。這表明設計的ACMF對共模噪聲有明顯的抑制作用。

　　進(jìn)一步采用ER55C型EMI接收機對設計的有源EMI濾波器做傳導實(shí)驗。圖5示出由接收機測量得到的開(kāi)關(guān)電源實(shí)驗樣機的共模噪聲?？梢?jiàn)，傳導實(shí)驗證明，設計的ACMF有效地抑制了共模噪聲。
3 結論
　?。?）由于有源EMI濾波器采用了半導體器件，使其在體積、重量和損耗方面，都比傳統的無(wú)源濾波器有明顯的優(yōu)勢。
　?。?）仿真和實(shí)驗結果證明，提出并設計的有源 EMI濾波器工作穩定，在規定的傳導干擾頻率范圍內獲得了良好的濾波效果。十分符合開(kāi)關(guān)電源集成化和高密度化的需要。