大功率交流滤波器设计方案.doc

70A交流输入滤波器设计原则、网络结构、参数选择 和工艺特点 1设计原则满足最大阻抗失配因为滤波器设计的原则是最大程度地满足阻抗失配原则。对于EMI信号，电感是高阻的，电容是低阻的，所以，电源EMI滤波器与源或负载的端接应遵循下列原则： 如果源内阻或负载是阻性或感性的，与之端接的滤波器接口就应该是容性的。 如果源内阻或负载是容性的，与之端接的滤波器接口就应该是感性的。具体到我所电源的实际电路来说源内阻一般为交流电网，对于交流电网来说，火线与中线之间是低阻抗的。所以与之端接的滤波器接口就应该是感性的。而负载为高阻抗的。所以与之端接的滤波器接口就应该是容性的。我所自制的滤波器均是遵循这个原则设计的。2网络结构 EMI信号包括共模干扰信号CM和差模干扰信号DM，CM和DM的频率分布大概以1MHz为分界线。1MHz 以下的干扰频率以差模干扰为主，1MHz 以上的干扰频率以共模干扰为主。以往我所电源的传导测试主要的超标点一个是20KHz附近（可控硅电路的干扰），另一个是130KHz附近（PFC电路的开关频率）。主要是以差模干扰为主。所以3KW模块化电源（战术互连网）控制箱70A市电输入滤波器的设计重点在滤除差模干扰。网络结构采用3级滤波电路（两级差模带一级共模），这样可以减少源阻抗及负载阻抗对滤波电路的影响。具体原理图如下：3电源EMI滤波器的参数确定1）Cx电容的取值 在允许的情况下，容量要求越大越好，其值很难确切地估算出来，但Cx电容太大将影响电源的效率。所以一般情况下，要求取值在0.221uF之间（对每个电容）。本滤波器的Cx电容采用3个AC275V的安规电容，容量为每个1uF。2）Cy电容的取值 在允许的情况下，容量要求越大越好，但是也不能太大，太大则漏电流较大，一般情况下，要求取值在22004700 pF之间（对每个电容）。本滤波器的Cy电容采用2个AC275V的安规瓷片电容，容量为每个2200 pF，和2个航天二院生产的交流馈通滤波器JKLL04，容量为每个3300 pF 。Cx电容和Cy电容，一般都是通过较小的电容并联来满足容量的要求，这样滤波器的高频特性较好。 3) 电感的取值 差模电感磁芯材料的选取原则从以下几个方面考虑：第一，性价比高；第二，磁芯材料的频率范围要宽，要保证最高频率在1GHz，即在很宽的频率范围内有比较稳定的磁导率；第三，磁导率高，电感量大。但是在实际使用中很难满足这些要求，因为磁导率越高磁芯材料越容易饱和。即当滤波电感工作在大电流条件下时，由于直流磁化的影响，电感趋向于饱和，电感量会随着工作电流增加而迅速减小。所以要求磁芯材料在工作电流变化时引起电感值的变化越小越好。就是说要求磁芯的直流磁化影响较小，即具有某种恒磁导特性。所以，磁导率往往是分段考虑的。即在条件允许的情况下一个滤波器中既有磁导率高的磁芯材料又有磁导率低的磁芯材料。磁导率高的磁芯材料满足电感值的要求，磁导率低的磁芯材料满足大电流工作的要求。磁导率高的磁芯材料一般选用铁硅铝材料。这是因为铁硅铝材料的磁导率在10KHz-10MHz的频率范围内能够保持恒定。磁导率低的磁芯材料一般选用开气隙的铁基非晶材料。这是由于开了气隙的磁芯材料不宜磁饱和。电感量的估算考虑阻抗和频率及经验。共模电感一般取值 1.55 mH，差模电感一般取值为 50100uH。因本滤波器是市电输入滤波器，设计时主要考虑用它滤除可控硅电路产生的20KHz附近的干扰，所以共模电感取值 2mH。差模电感取值为 70uH。为保证滤波器能在满载工作情况下顺利通过传导测试，则差模电感在满载工作情况下应不小于50uH，即要求恒磁导特性为75。综合以上考虑和性价比关系本滤波器的差模电感的材料选择为磁导率是125的铁硅铝粉心的A125-467磁环。下表为磁导率125的铁粉心不同直流磁化力时的磁导率的百分数012345678900100.099.999.498.898.297.596.795.794.71093.792.691.490.389.187.986.685.484.182.82081.680.379.077.876.675.474.273.071.870.73069.668.567.466.465.464.463.462.461.560.64059.758.858.057.256.455.654.854.153.352.65052.051.350.650.049.448.848.247.647.046.5H注：纵、横数字相加代表直流磁化力H，其交点对应磁导率的百分数 先查表：可知75o时，H为25Oe。由磁芯的Le（有效磁路长度）值，计算出安匝数NI，即：根据环路定律：HLe=NI。所选的A125-467，该磁芯的Le值为10.7NI=2510.7=267.5,取268再由安匝数，求匝数NN=NI/I=268/701.414=2.7,取3计算电感量：该磁芯的AL值为281nH/N2L=N2AL=32281=2.5H考虑到正常工作下的工作电流仅为设计电流的一半，所以匝数N取值为6，L=N2AL=62281=10H。为了既满足工作电流的要求又满足电磁兼容测试的要求，铁硅铝磁芯的差模电感设计为4组电感串联使用。总感量为60H。4）工艺特点由于滤波器的工作电流设计为70A。所以选用3根2的漆包线并联绕制电感，3根2的漆包线有效载流面积为9.42mm2，长期工作电流为66A左右。由于受滤波器尺寸的限制，铁硅铝磁芯的差模电感设计为2个磁芯合并在一起（增加磁路面积，提高恒磁导特性）并绕后在串联1个单个磁芯，零火线交错码放的方法来解决滤波器的宽度不够和电路感量需均衡的问题。2个磁芯合并在一起并绕6匝的电感量为20H，1个磁芯绕6匝的电感量为10H，加在一起是30H，设计电感量是60H，所以需要2组。共使用12个A125-467磁环。再加上4个铁基非晶材料FG50-4013磁环组成的10H差模电感和1个铁基超微晶材料的WUL-3718磁环组成的2mH共模电感及2个交流馈通滤波器JKLL04，滤波器的长度需400mm才能达到设计要求。下图为滤波器内部结构图：. C8 C9L9L11C3C5 L1C4L1L2L3L4L10航插R1L5L6C1C6C7L7L8同理，50A交流滤波器设计时主要考虑用它滤除PFC电路产生的130KHz附近的干扰，由于PFC电路产生的干扰比较大（幅值在120db以上），所以网络结构采用3级滤波电路（两级共模带一级差模），共模电感取值 3mH。差模电感仍选用A125-467，电流设计值为50A，参数计算是取值为30A，选用2根2的漆包线并联绕制电感，2根2的漆包线有效载流面积为6.28mm2，长期工作电流为44A左右。匝数采用8匝，感量为 18uH。由于受滤波器尺寸的限制，铁硅铝磁芯的差模电感设计为2个磁芯串联使用