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          空調EMI電源濾波電路設計與仿真(一)

          來源:互聯網????作者:呂繼方??肖彪??王會??萬今明??于洪濤

          1 引言

          隨著變頻技術的應用,電磁兼容設計成為空調開發過程中至關重要的一個環節。目前,空調中的開關電源、驅動模塊等作為強干擾源,若無EMI濾波器,則無法滿足相應的電磁兼容標準。

          EMI電源濾波器的作用是使有用的頻率如工頻或直流信號通過,使無用的干擾頻率信號衰減,能夠無衰減地通過濾波器的頻率段稱為濾波器的通帶,通過時受到很大衰減的頻率段稱為濾波器的阻帶。

          由于各種頻率成分通過濾波器時衰減不同,所以濾波器的插入損耗是濾波器最重要的特性參數,插入損耗曲線隨著頻率的變化而變化,其定義如下:

          Loss(dB)=20log(U1/U2) (1)

          其中U1為信號源不接濾波器直接加在負載上的電壓;U2為信號源通過濾波器后加在負載上的電壓。

          EMI電源濾波器主要是針對電源線上的干擾信號進行抑制,通常按照干擾信號傳導路徑不同可將這些干擾分為共模干擾和差模干擾,其中共模干擾存在電源線對大地或者中線對大地間;差模干擾存在電源相線與中線之間。對于三相電路來說,差模干擾還存在于相線與相線之間。圖1為共模干擾和差模干擾示意圖。

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          圖1 共模干擾與差模干擾示意圖

          2 濾波器件建模

          EMI電源濾波器一般由電容、電感等無源器件組成,圖2為一典型EMI 濾波電路結構,本文以此濾波結構為基礎進行仿真與測試。其中,L1、L2 為差模電感;C1、C2、C5、C6為Y電容;C3、C4為X電容;L3為共模扼流圈。

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          圖2 典型EMI濾波電路

          2.1 X電容和Y電容

          由于電容中絕緣體的漏電阻、引線上的電感和電容等存在,實際電容器并不是純粹的電容,其等效電路如圖3(a)所示,其中Llead 和Clead 分別為引線上的電感和電容;Rplate為電容平行板的電阻;Rdiel 表示為電介質中的損耗。由于Rdiel 非常大可忽略,Clead 通常比電容標稱值C 小得多,故等效電路可簡化成圖3(b)結構。其中電容的阻抗Zc 為:

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          圖3 電容等效電路

          直流時圖3所示的電路結構表現為一個開路,隨著頻率開始增長,電容的阻抗占支配地位,并以-20dB/10 倍頻的速率隨頻率減小,電感的阻抗值增加;直到時其值與電容的阻抗相等,此頻率下電路表現為一個凈電阻;隨著頻率進一步增加,電感阻抗的幅度占支配地位,此時整個電容將表現為電感的特性。

          通過安捷倫阻抗分析儀4395A 對X 電容(2.2uF)進行測試,結果如圖4 所示。通過圖4 結果,并根據公式(2)可計算出該電容各參數;在ANSYS Designer 中建立該電容的等效模型,并仿真驗證,得到該電容阻抗仿真結果,如圖5 所示。對比測試與仿真結果,阻抗隨頻率變化基本一致,可見該方法建立的X 電容等效電路與該電容實際特性相符。

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          Y電容的建立方法與X 電容的建立方法一致。圖6、7 分別為Y 電容(4.7nF)阻抗測試結果與仿真結果,諧振頻率分別約為18.3MHz,18.8MHz,兩者吻合良好。

          在使用X電容或Y電容時,抑制電流的頻率須在電容的自諧振頻率附近,否則該電容的實際阻抗將比理想特性阻抗要大。

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          2.2 差模電感

          一般常用的EMI 電源濾波器中差模電感都是由線圈繞制而成,磁芯為鐵氧體軟磁磁芯??紤]到電感自身的損耗電阻、分布電容等參數,實際電感的等效電路如圖8 所示。

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          圖8 電感等效電路模型

          其阻抗ZL為:

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          在直流時,ZL=R;隨著頻率增加,電感占主要支配地位,當達到電感自諧振頻率時,寄生電容阻抗絕對值等于電感阻抗絕對值,此時ZL 達到最大值,隨著頻率的進一步增加,整個電感的阻抗將呈現電容阻抗特性。

          結合公式(3)在Designer 建立如圖8 所示的等效電路并仿真,仿真結果如圖9 所示,該差模電感在0.89MHz 發生諧振。

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          圖9 差模電感阻抗仿真結果

          責任編輯:
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