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有源EMI濾波技術分析,設計方案優缺點及難點

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有源EMI濾波技術分析,設計方案優缺點及難點

分類:
電源技術
作者:
廣州市愛浦電子科技有限公司
來源:
原創
發布時間:
2021/08/06
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本文介紹了有源EMI濾波器的工作原理,并對現有的有源EMI濾波技術進行了分析對比,結合具體樣例,總結了各方案的優缺點,最后對有源EMI濾波器的設計難點和發展方向進行了說明。目前有源EMI濾波器的成本和穩定性問題,是限制其推廣應用的主要原因。

隨著電子信息產業的發展,以及各種新型用電設備的普及,如何給這些設備提供穩定、安全高效、干凈的電能變得越來越重要。開關功率變換器由于重量小、體積輕、效率高,性能穩定等優點在電源中得到快速發展和廣泛應用,但其高頻開、關工作特性,會產生大量的電磁干擾(ElectromagneticinteRFerence,EMI),嚴重污染周圍電磁環境和電源系統,這不僅會使變換電路自身的可靠性降低,而且使電網及鄰近設備運行質量受到影響。

EMI濾波技術是抑制傳導電磁干擾最主要也是最有效的手段之一。目前,濾波器主要分為兩類,即無源濾波器和有源濾波器。無源濾波器大多由分立的共模電感、差模電感和Cx,Cy電容等構成,設計相對簡單,技術成熟、維護方便,但為了改善低頻段的濾波效果,往往需要增大電感和電容,所以體積、重量和損耗等都比較大[1]。

除此之外,無源元件的寄生參數對高頻段的濾波效果也有很大影響。有源濾波器因為采用有源消去技術,多采用半導體器件和電子電路[2],不需要靠增大電感和電容值來提高濾波效果,因此體積和重量都比較小。

當今開關功率變換器的發展趨勢正日益高頻化、小型化、高功率密度化,無源濾波器的體積和重量等缺點制約了其發展,因此,有必要開展對有源濾波器的進一步研究,以滿足日益對EMI濾波器的更高要求。

本文介紹了有源濾波器工作原理,并對現有的有源EMI濾波技術進行了分析對比,總結了各方案的優缺點,最后,對有源EMI濾波器的設計難點和發展方向進行了說明。

1、有源濾波器的工作原理

有源濾波技術根據應用場合可以分為有源EMI濾波器(AcTIveelectromagneTIcfilter,AEF)和有源電力濾波器(AcTIvepowerfilter,APF)。AEF的工作原理是通過注入一個與原噪聲電流大小相等,方向相反的補償信號,以此來達到消去電路中的噪聲電流的目的[3]。

APF的工作原理和AEF的相似,只是要消去的是電網中的諧波和無功電流。二者工作原理雖然類似,但是在工作頻段、功率等級、受控源的實現方式上有很大不同[4]。

傳導噪聲可以分為共模(Commonmode,CM)噪聲和差模(Differentialmode,DM)噪聲,一般情況下,有源共模或者差模EMI濾波器是分開設計的,單個有源EMI濾波器的輸出補償都是有針對性的消除共模或者差模噪聲信號,剩下的另外一種傳導噪聲是通過無源濾波器或者另一級有源EMI濾波器進行消除。

這里以一種基于電流采樣,電流補償的反饋型有源共模EMI濾波器為例進行工作原理分析,結構如圖1所示。通過檢測電源側噪聲電流is,反饋網絡輸出補償電流ic,即電源側噪聲得到了抑制,其中in為噪聲源側噪聲電流。
圖1有源共模EMI濾波器結構

 

2、有源EMI濾波器的分類

有源EMI濾波器根據電路組成和結構的不同,可以從采樣和補償方式;采樣和補償位置;控制方案等方面進行分類。

2.1基于采樣和補償方式的分類

根據采樣和補償方式的不同,有源EMI濾波器可以分為:(a)電流采樣電壓補償;(b)電流采樣電流補償;(c)電壓采樣電流補償;(d)電壓采樣電壓補償四種類型[5],其拓撲結構如圖2所示,其中Zs代表LISN網絡的阻抗,in代表噪聲電流,Zn代表噪聲源的內阻抗。

圖2有源EMI濾波器的四種拓撲結構

 

對于EMI濾波器,一般使用插入損耗(InsertionLoss,IL)來衡量其衰減性能。其定義為:

其中Vs0代表無濾波器時噪聲源在負載側建立的電壓,Vs代表有濾波器時噪聲源在負載側建立的電壓。

所以根據插入損耗的定義可以推導圖2所示四種拓撲結構的插入損耗及最大插入損耗條件如表1所示,其中A為補償網絡的放大倍數。

表1四種AEF拓撲結構的插入損耗

 

電流采樣方式,大多使用電流互感器(CurrentTransform,CT)。用CT采樣的方式簡單直觀,通過改變繞組結構,還可以方便地分離共模噪聲電流和差模噪聲電流,但是對CT的設計要求比較高,其分布參數和高頻寄生參數是限制采樣帶寬的重要因素。

而且,CT采樣的下限截止頻率和副邊繞組匝數有關,為了保證采樣帶寬,副邊繞組匝數不能太低,但是在主電路功率電流很大情況下,CT原邊的線徑較粗,考慮到體積的問題,又會限制原邊繞組的匝數,這會使得在反饋型有源濾波器的設計中,難以在采樣環節獲得較高增益,從而加大了對于運放環節的放大倍數要求,影響高頻濾波效果。

除此之外,對于低頻AC輸入的情況,因為差模噪聲流動方向和主電路功率電流方向一致,而主電路功率電流一般比較大,頻率又很低,容易引起磁芯飽和,因此在檢測差模噪聲信號時,CT的設計難度更大。

電壓采樣方式雖然省去了CT的設計過程,但是由于在實際電路中沒有LISN網絡,無法直接從LISN的兩個50Ω電阻上引出電壓進行處理,因此相比于CT采樣而言比較繁瑣,一般需要先增加一個電路網絡,用來提取出輸入線上的總噪聲電壓,再配合變壓器進行處理,以此來分離差共模噪聲,類似于圖3所示結構。

該采樣方式,一方面比較難保證在增加的電路網絡上所檢測噪聲的準確性,另外一方面,仍然不可避免的需要考慮變壓器雜散參數等因素的影響。

不論是電壓補償還是電流補償方式,都有一定的適用范圍和優缺點。分別比較了同樣采樣方式下,不同補償方案對噪聲抑制效果的影響,通過理論分析和實驗驗證得出結論:電流補償方式更適用于消除噪聲源高阻抗共模噪聲,電壓補償方式有助于消除噪聲源低阻抗差模噪聲。

同時該文獻還提出了一種檢測差模噪聲信號的方案,即提供一個類似于LISN的網絡,通過檢測該網絡兩端電阻上的電壓,進行處理,得到差模噪聲信號。其電路拓撲如圖3所示。

在實際應用中,由于采樣網絡R1,R2,C1,C2寄生參數,公差等因素的影響,很難保證在頻段150k~30MHz內,在增加的這個網絡上所檢測并處理的噪聲即是LISN端測得的實際的差模噪聲。

圖3基于電壓補償的有源差模EMI濾波器方案

 

文獻[7]提出了一種基于電壓采樣電流補償的有源共模EMI濾波器方案,如圖4所示,通過給噪聲電流提供一個低阻抗回路,人為引導共模噪聲的流通路徑,達到抑制共模干擾的目的。

該濾波器性能和補償電路的放大倍數有關,受運放增益和系統穩定性的限制,其高頻性能不理想,同時該方案只是切斷了其中一條路徑上的共模電流,通過散熱器對地電容回路的共模電流路徑并沒有切斷,而且往往該回路是主要共模噪聲回路。

圖4基于電壓采樣電流補償的有源共模EMI濾波器方案

 

2.2基于采樣和補償位置的分類

根據采樣和補償位置的不同,AEF可以分為前饋型和反饋型兩種結構[8-10],如圖5所示。由電路結構可以看出,前饋型AEF需要有穩定的單位增益,對增益的精度和相位要求比較高,由于磁件的非線性以及有源元件的不確定性,比較難以在一個較寬頻段范圍內保證濾波效果。

反饋型AEF,由于采樣端靠近噪聲負載側,為了達到最優補償效果,理論上其反饋增益G(s)需要無窮大,在實際應用中,只需保證增益盡量大即可,相比于前饋型AEF而言,對增益精度的要求比較低,但是增益太大,又容易造成系統的振蕩,所以為了保證系統的穩定性,設計時需要在反饋增益上進行一定的程度的妥協。

圖5基于不同采樣和補償位置的有源共模EMI濾波器方案

 

提出了一種前饋型有源EMI濾波器方案如圖6所示,該濾波器采用了電壓采樣電壓補償的方式,實現了補償端和主電路的隔離。同時,采用前饋型方式,不需要像反饋型AEF一樣,通過增大共模變壓器繞組匝比進一步提高補償增益,從而增強濾波效果,減小了變壓器高頻寄生參數對濾波性能的影響。

圖6前饋型有源共模EMI濾波器方案

 

2.3基于控制方式的分類

根據控制方式的不同,AEF可以分為模擬控制AEF和數字控制AEF。模擬控制AEF一般采用高速運放作為中間級,控制相對簡單,但受補償響應速度、增益帶寬的限制,在抑制高頻和強噪聲電流方面的能力不足[12][13]。

數字控制AEF可以通過調整控制方案,彌補系統補償滯后的不利影響,具有動態特性較好的優點,但是數字AEF,對于采樣、數字控制芯片、優化算法的要求都比較高,成本較大,設計過程相對復雜[14]。

提出了一種數字控制AEF方案如圖7所示,通過分析三相PWM逆變器的共模電壓特點,構建了由一個單相逆變器和一個五繞組變壓器組成的有源EMI濾波器,通過控制單相逆變器產生與共模電壓大小相等,方向相反的補償信號,利用五繞組變壓器疊加到電機端中,來抑制電路中的共模噪聲。該方案增加了橋臂,成本比較高,同時IGBT直接并聯在直流母線兩端,不適用于高電壓場合。

圖7數字有源共模EMI濾波器方案

 

2.4混合型EMI濾波器

無源濾波器結構簡單,高頻性能較好,如果要降低截止頻率,則元件體積和重量都要加大。而有源濾波器低頻性能好,高頻性能較差,因此采用有源加無源的混合型EMI濾波器方式,能夠綜合兩者優點,在保證濾波效果的前提下,減小濾波器的體積和重量,便于集成,更適應當前開關電源的發展趨勢。

混合型EMI濾波器的結構一般如圖8所示,噪聲首先經過無源濾波器將高頻噪聲信號衰減,再由有源EMI濾波器將低頻噪聲信號消除。這種方式,不僅避免了有源濾波器直接處理高頻噪聲信號,影響補償效果,同時,無源濾波器部分主要抑制的是高頻噪聲,因此體積和重量可以進一步減小。

圖8混合型有源EMI濾波器結構

提出了一種混合型EMI共模濾波器方案,如圖9所示。該濾波器由一個反饋型有源EMI濾波器串聯一個共模電感組成。同時通過分析其簡化等效電路,如圖10所示,可以推得:一方面,有源濾波電路可以放大共模電感和噪聲源阻抗,增大整個濾波器的總等效阻抗,進一步增強濾波效果;另一方面,無源和有源濾波器的相對位置對于濾波效果也有影響。

圖9混合型有源EMI濾波器方案

 

圖10等效電路

 

3、有源濾波器的設計難點和發展方向

3.1AEF的設計難點

影響有源濾波器性能的因素比較多,因此,相對于無源濾波器而言,有源濾波器的設計比較復雜。

(1)穩定性與補償效果的預測和設計。有源濾波器因為采用有源消去技術,是通過注入補償信號來抑制噪聲的,這意味著如果設計不當,或者工作不穩定,反而可能會增加電路中的噪聲。因此如何保證有源濾波器工作的穩定性和可靠性,是濾波器的設計重點,也是設計難點。

影響有源濾波器穩定性和補償效果的影響因素很多,比如:噪聲源內阻抗,補償電路的放大倍數和響應速度,磁件的高頻寄生參數,控制方案,與之組合的無源濾波器結構和取值等,也正是因為這些因素的影響,理論上具有通用性的濾波器,工作在不同的電子設備,或者工作在不同的操作條件時,可能無法達到理想的濾波效果。

(2)仿真模型的建立。仿真是輔助工程師進行電路設計的一個重要手段,這會大大縮短設計和調試電路的時間,尤其是對于有源濾波器而言,仿真對其穩定性和補償效果的理論研究和設計具有很大的幫助。因此,如何建立高頻仿真模型,輔助分析和設計,是有源濾波器研究的另外一個難點和熱點,這點在電路結構復雜的設備中,尤其明顯。

(3)噪聲源阻抗的測量。通過表1所示各種拓撲結構最大插入損耗條件可知,噪聲源阻抗對于濾波器的性能有影響。而現有的測量噪聲源傳導干擾等效內阻抗的方法,操作繁瑣復雜,這給有源濾波器的設計和仿真增加了難度。

3.2有源EMI濾波技術的發展方向

國內外對于有源EMI濾波器已經做了大量的研究,但是受限于其成本和穩定性的限制,一直沒有進行大范圍的推廣和應用。有源濾波器成本的降低,一是可以靠材料工藝水平的發展,從而降低器件本身的成本,二是通過合理的優化設計,盡量發揮器件的功能,從而增加器件的性價比,降低成本。

另一方面,由于元件的高頻寄生參數,補償響應速度,以及運放增益帶寬積等因素的限制,有源EMI濾波器在高頻段的性能往往不佳,因此在未來一段時間內,有源和無源結合的混合型濾波器仍將是主流選擇。

除此之外,雖然當前數字控制型有源濾波器因為成本和設計復雜的問題應用較少,但是數字控制型AEF也有著模擬控制型AEF所沒有的優點,例如調試便捷,可通過控制方案減小補償滯后帶來的問題等優點,因此數字控制型AEF,有很大的潛力可以挖掘。

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