关于变频器的技术知识了解.doc

关于变频器的输出与电缆长度关系的研究1 引言变频器主要用于交流电动机转速调节，除了具有卓越的调速性能之外，变频器还有显著的节能作用，是企业技术改造和产品更新换代的理想调速装置。但是由于变频器的自身输出特性和电缆分布电容的耦合作用，限制了变频器的输出距离。2 原因分析变频器的输出到电机的电缆长度受到很多因素的影响，这其中的原因主要有以下几点：（1）分布电容。所谓分布电容，就是指由非电容形态形成的一种分布参数。一般是指在印制板或其他形态的电路形式，在线与线之间、印制板的上下层之间形成的电容。而变频器输出距离受限的问题，和电缆的分布电容有密切关系，不只是电容器才有电容，实际上任何两个绝缘导体之间都存在电容。例如导线之间，导线与大地之间，都是被绝缘层和空气介质隔开的，所以都存在着电容。图1为4芯和7芯电缆的等效分布电容结构图。图1 4芯和7芯电缆等效电容分布图通常情况下，这个电容值很小（一般在1530nf/100m左右），电缆长度较短时，它的实际影响可以忽略不计，如果电缆很长或传输信号频率很高时，就必须考虑分布电容的作用。在电缆远距离敷设系统中，电缆的电容会表现的较为明显，对控制回路产生一定的影响，甚至影响控制功能，特别是对于变频器控制普通低压电机的控制回路，故障较多表现为过流、起停失灵等现象，给生产和维护造成很大的安全隐患。由于输出线上的分布电容和分布电感的共振产生浪涌电压，将会叠加到输出电压上，晶体管、igbt的开关频率越高，电缆越长，产生的浪涌电压越高，最高时，可产生直流电压的两倍的浪涌电压。这种情况下，很容易引起过压过流保护，甚至烧坏模块。分布电容是一种分布参数，其数值不仅随电缆的生产厂商不同而存在差异，而且会因为电缆的敷设方式、工作状态和外界环境因素而不同，这需要在设计时综合考虑。（2）变频器本体输出问题目前，几乎所有的变频器都采用pwm（pulse width modulation）脉宽调制技术，但是由于变频器中的功率开关器件工作在开关状态，器件的高速开关动作使得电压和电流在短时间内发生跳变，这使得电压、电流波形中含有大量的谐波成分，其中高次谐波会使变频器输出电流增大，造成电机绕组发热，产生振动和噪声，加速绝缘老化，还可能损坏电机；同时各种频率的谐波会向空间发射不同频率的无线电干扰，可能导致其它设备误动作。因此，希望把变频器安放在被控电机的附近。但是，由于生产现场空间的限制，变频器和电机之间往往要有一定距离。（3）变频器的功率变频器的功率大小直接决定变频器输出到被控电机的电缆长度，变频器（未接输出电抗器）功率越大其相应的输出电缆长度也相应越长。以上三方面都会直接影响变频器输出到电机的电缆长度，根据以上原因的分析下面具体对改善方法作进一步研究。3 改善方案3.1 调整载波频率，减少谐波干扰 变频器的载波频率就是决定逆变器的功率开关器件（如：igbt）的开通与关断的次数的频率。它主要影响以下几方面：（1）载波频率对变频器自身的影响功率模块igbt的功率损耗与载波频率有关，载波频率越大，变频器的损耗越大，输出功率越小，功率模块发热增加。如果环境温度高，逆变桥上下两个逆变管在交替导通过程中的死区将变小，严重时可导致桥臂短路而损坏变频器。（2）载波频率对变频器输出二次电流的波形影响当载波频率越高时，则电压波的占空比越大，电流高次谐波成份越小，即载波频率越高，电流波形的平滑性越好。这样谐波就小，干扰就小，反之就差；载波频率越高，变频器允许输出的电流越小；载波频率越高，布线电容的容抗越小（因为xc=1/2fc），由高频脉冲引起的漏电流越大。（3）载波频率对电机的影响当载波频率过低时，电机有效转矩减小，损耗加大，温度增高，同时输出电压的变化率dv/dt增大，对电动机绝缘影响较大；当载波频率过高时，电机的振动减小，运行噪音减小，电机发热也减少，但是谐波电流的频率增高，电机定子的集肤效应更严重，电机损耗增大，输出功率减小。（4）载波频率对其它设备的影响载波频率越高，高频电压通过静电感应，电磁感应，电磁辐射等对电子设备的干扰也越严重。在实际使用中要综合以上各点，合理选择变频器的载波频率。一般电动机功率越大，载率选得越小。3.2 输出端加共模扼流圈 共模扼流圈也叫共模电感，是在一个闭合磁环上对称绕制方向相反、匝数相同的线圈。共模电感实质上是一个双向滤波器：一方面要滤除信号线上共模电磁干扰，另一方面又要抑制本身不向外发出电磁干扰，避免影响同一电磁环境下其他电子设备的正常工作。共模扼流圈可以传输差模信号，直流和频率很低的差模信号都可以通过，而对于高频共模噪声则呈现很大的阻抗，所以它可以用来抑制共模电流干扰。3.3加装输入、输出电抗器 在变频器的输入侧可加以下选件： （1）进线电抗器，输入电抗器可以抑制谐波电流，提高功率因数以及削弱输入电路中的浪涌电压、电流对变频器的冲击，削弱电源电压不平衡的影响，一般情况下，都必须加进线电抗器。（2）输入emc 无线电干扰滤波器，emc 滤波器的作用是为了减少和抑制变频器所产生的电磁干扰。在变频器的输出侧可加以下选件：（1）输出电抗器，当变频器输出到电机的电缆长度大于产品规定值时，应加输出电抗器来补偿电机长电缆运行时的耦合电容的充放电影响，避免变频器过流。输出电抗器有两种类型，一种输出电抗器是铁芯式电抗器，当变频器的载波频率小于3khz时采用。另一种输出电抗器是铁氧体式，当变频器的载波频率小于6khz时采用。 （2）输出dv/dt电抗器，输出dv/dt电抗器是为了限制变频器输出电压的上升率，削减输出谐波分量，防止过压保护电缆，减小电机噪声，来确保电机的绝缘正常。（3）正弦波滤波器，随着变频器输出距离的问题的不断研究，各厂商推出了用于变频器的输出滤波器。正弦波滤波器是用在变频器输出端，它可以改善变频器输出波形，使变频器的输出电压和电流近似于正弦波，减少电机谐波畴变系数和电机绝缘压力。与输出电抗器、dv/dt滤波器相比较，正弦波滤波器末端有一级电容滤波电路，使变频器输出波形接近正弦波。 下面介绍这种全新滤波技术，与传统滤波器的布局技术相比，新的正弦滤波器可同时实现三个功能：把相位对相位电压转变为正弦信号、抑制共模电流和把导体到地电压变成正弦波电压。图2为正弦输出滤波器的安装位置示意图。图2 正弦输出滤波器的安装位置示意图正弦滤波器主要有以下部分组成：高频输出电抗器、rc回路、共模电抗器等组成，原理如图3所示。图3 正弦滤波器的原理图变频的输出是等幅不等宽的脉冲序列。由于变频器输出的电压波形不是正弦波，波形中含有大量的谐波成分，如图4所示，为变频器的输出电压波形图，在使用正弦滤波器之后，波形将近似与正弦波，如图5所示。图4 变频器输出波形图图5 使用正弦滤波器后的输出波形图从图4、图5可以看出，变频器的输出端加装正弦滤波器后，输出接近正弦波，可以明显改善输出的谐波含量，减少了涡流损耗，经过测试，变频器加装正弦滤波器之后的输出到电机的最长电缆长度可以达到1000m。变频器输出滤波器技术与传统的滤波器技术相比，可以同时将相间电压转换成正弦信号，抑制共模电流，还可将导体对地电压变成正弦电压波形。它具有各种优点，例如，由于对电机绕组有害的电压峰值被抑制，轴承电流减少到可以忽略的水平，电机的使用寿命得以大大提高。4 结束语变频器输出距离的问题一直是一个很难完全解决的问题，本文通过对变频器和电缆等可能存在导致输出距离受限的原因进行了分析，并提出了一些切实可行的解决方法，对于实际工程应用具有参考意义。dv/dt滤波器dv/dt滤波器，主要应用于工业自动化系统中，用于保护电机不受峰值电压的影响。dv/dt滤波器编辑本段一、dv/dt滤波器的产生背景PWM逆变器直接驱动电机时会产生较高dv/dt的共模电压,并由此产生轴承电流和共模漏电流以及严重的电磁干扰(EMI).特别是当逆变器通过长线电缆与电机连接时,由于电缆中分布参数的影响,会在电机端产生电压反射现象,从而在电机端会产生2倍以上的过电压,导致线圈绝缘失败.dV/dT滤波器是设计用于保护电机的滤波器，由于变频器与电机之间运行电缆过长会引起对电机产生毁灭性影响峰值电压。电缆的长度取决于用在变频器中的电力半导体的开关次数和电机的大小，如果电缆短到2.5米则会导致电机承受的峰值电压超过电机绝缘系统的额定值。然而，如果电缆太长则问题更大，在这种情况下就需要用dV/dT滤波器来保护电机不受峰值电压的毁灭性影响。 编辑本段二、dv/dt滤波器的优点dV/dT滤波器在远离电机300米处仍然能保证满足电机的最大峰值电压规格（母线电压的150%）。它的额定值为最大达每毫秒200V的dV/dT值。但在一些特别的应用中，电缆长度达到900米时，这种滤波器仍能提供卓越的性能。这种dV/dT滤波器具有3%的接入阻抗，这个接入阻抗是肯定不会因为滤波器出来的额外压降影响到电机扭矩的。MTE的dV/dT滤波器是一个无源的四序装置，它可以通过减弱电压升高率和使得出现在电机终端上的峰值电压最小化来降低电机电缆传输线路的影响。dV/dT滤波器是设计用在有变频器工作且开关频率在900Hz和8KHz之间的电机保护上的。 编辑本段三、dv/dt滤波器技术参数最大工作电流：400V AC /690V AC（40）额定电流：5500A（40）电机频率：60Hz（最高）开关频率：280KHz高压测试：P对E 3000V AC 持续3秒P对P 3000V AC 持续3秒防护等级：IP00绝缘等级：T40/F （155）温度范围：-25 to +85(40 以上需要降级）最大电缆长度：1000m额定电压降：812%uk电压谐波失真：5%过载：2倍电流30S 1.5倍电流1分钟变频器(开关频率)载波频率变频器大多是采用PWM调制的形式进行变频器的。也就是说变频器输出的电压其实是一系列的脉冲，脉冲的宽度和间隔均不相等。其大小就取决于调制波和载波的交点，也就是开关频率。开关频率越高，一个周期内脉冲的个数就越多，电流波形的平滑性就越好，但是对其它设备的干扰也越大。载波频率越低或者设置的不好，电机就会发出难听的噪音。通过调节开关频率可以实现系统的噪音最小，波形的平滑型最好，同时干扰也是最小的。1低压变频器概述对电压500V的变频器，当今几乎都采用交直交的主电路，其控制方式亦选用正弦脉宽调制即SPWM,它的载波频率是可调的，一般从1-15kHz，可方便地进行人为选用。但在实际使用中不少用户只是按照变频器制造单位原有的设定值，并没有根据现场的实际情况进行调整，因而造成因载波频率值选择不当，而影响正确，感觉的有效工作状态，因此在变频器使用过程中如何来正确选择变频器的载波频率值亦是重要的事。本文就此提供应该从以下诸方面来考虑，并正确选择载波频率值的依据。2 载波频率与功率损耗功率模块IGBT的功率损耗与载波频率有关，且随载波频率的提高、功率损耗增大，这样一则使效率下降，二则是功率模块发热增加，对运行是不利的，当然变频器的工作电压越高，影响功率损耗亦加大。对不同电压、功率的变频器随着载波频率的加大、功率损耗具体变化，可见图1A-E所示。3 载波频率与环境温度当变频器在使用时载波频率要求较高，而且环境温度亦较高的情况下，对功率模块是非常不利的，这时对不同功率的变频器随着使用的载波频率的高低及环境温度的大小，对变频器的允许恒输出电流要适当的降低，以确保功率模块IGBT安全、可靠、长期地运行。可参见表1及图2A-D所示。4 载波频率与电动机功率电动机功率大的，相对选用载波频率要低些，目的是减少干扰(对其它设备使用的影响)，一般都遵守这个原则，但不同制造厂具体值亦不同的。例，日本有下列关系供参考载波频率 15kHz 10kHz 5kHz电动机频率 30kW 37-100kW 185-300kW例，芬兰VACON载波频率 1-16kHz 1-6kHz电动机功率 90kW 110-1500kW例，深圳安圣(原华为)载波频率 6kHz 3kHz 1kHz电动机功率 5.5-22kW 30-55kW 75-200kW例，成都佳灵公司JP6C-T9系列载波频率 2-6kHz 2-4kHz电动机功率 0.75-55kW 75-630kW5 载波频率与变频器的二次出线(U，V，W)长度载波频率 15kHz 10kHz 5kHz 1kHz线路长度 50-100M 100-150M 150-200M6 载波频率对变频器输出二次电流的波形众所周知变频器的逆变(DC/AC变换)部分是由IGBT通过正弦脉宽调制SPWM后,产生呈正弦波的电流波形,那么载波频率的大小、直接影响电流波形的好坏程度,以及干扰的大小,而且载波频率的大小是较为敏感和直接的,所以在运行过程中首先要正确选择载波频率值的大小后,然后再考虑附加各种抑制谐波装置,例AC电抗器、DC电抗器、滤波器、另序电抗器，及安装布线、接地等措施，这样处理是较合理的、更有效的，切不可本未倒置来处理问题，这是很重要的原则。当载波频率高时，电流波形正弦性好，而且平滑。这样谐波就小，干扰就小，反之就差，当载波频率过低时，电机有效转矩减小，损耗加大，温度增高的缺点，反之载波频率过高时，变频器自身损耗加大，IGBT温度上升，同时输出电压的变化率dv/dt增大，对电动机绝缘影响较大。具体例如表2。7 载波频率对电动机的噪音电动机的噪音来自通风躁音、电磁噪音、机械噪音三个方面，对通风和机械噪音在此估且不谈，只就使用变频器后对电磁噪音问题作下分析。变频器的输出电压、电流中含有一定分量的高次谐波，使电动机气隙的高次谐波磁通增加，所以噪声变大。其特征为:(1)由于变频器输出的较低的高次谐波分量与转子固有频率的谐振，使转子固有频率附近的噪音增大。(2)由于变频器输出的高次谐波使铁心、机壳、轴承座等的谐振，在固有频率附近的噪音增大。(3)噪音与载波频率大小有直接关系，当载波频率高时相对噪音就小。(4)经测试得到当电动机在变频运行时，比在工频50Hz运行时，噪声只大2dB可见影响不很大，其绝对值约在70dB附近。(5)采用变频电动机能降低相同运行参数时的噪音6-10dB。8 载波频率与电动机的振动电动机的振动原因可分为电磁与机械两种，这里估且不谈机械原因，只就电磁原因作下分析:(1) 由于较低次的高次谐波分量与转子的谐振，其固有频率附近的振动分量增加。(2) 由于高次谐波产生脉动转矩的影响发生振动。(3) 当采用变频器后在相同50Hz频率下工作时振动略大，尤其当工作频率20Hz时振动将增至全振幅为7um，工作频率80Hz-120Hz全振幅将增为6um，且电动机极数小的较极数大的略为严重。(4) 可采用输出AC电抗器减振动。(5) 将v/f给定小些。(6) 采用变频电动机可降低振动。(7) 对高速磨床等可采用低噪声、低振动的专用电动机。9 载波频率与电动机的发热由于逆变器采用正弦脉宽调制后其电流输出波形是近似正弦波，谐波分量见图3，必定有一定分量的各次的高次谐波产生，以及波形不够光滑有毛刺出现，庶必造成输出电流的增加可达10%，而发热与电流I2成正比，因此在相同工作频率相同负荷下，使用变频器后电动机的温升略高些，为尽可能减少这部分损耗，要尽可能使载波频率值大些，对运行有利，或选用变频电动机，具体解决办法是:(1) 尽可能选用较高载波频率，以改善输出电流波形。(2) 加装输入、输出AC电抗器或有源滤波器等。(3) 选用变频电动机。(4) 变频器的工作频率要低于20Hz，而生产设备就要低速，而且有较大的负荷运行时， (下转34页)(上接50页)电动机输出轴后再加装一级减速器，以利工作频率(变频器)提高，且增大输出转矩，以利统一解决负荷的要求、变频器的许可，以及电动机的振动、噪音、发热、工作频率、载波频率几方面统筹的合理解决。10 载波频率与变频器输入三相电流的不平衡度变频器的输入部分是6脉冲三相桥式二极管整流电路即AC/DC变换，由于二极管是非线性元件，在实际装配时，每个元件的内阻抗不会一致，造成三相不匹配，又因输入电流是非正弦性，这样就造成输入变频器的三相电流的不平衡产生原因，尤其当输入电压就存在较大的不平衡，例:有3-5%的差值，这样三相输入电流最大可能出现有10-20%的差别，这是经常有可能出现的，为改善输入电流三相的不平衡度，尽可能减少起见，通常采用以下方法:(1) 改善电网品质使它不平衡度尽可能小些。(2) 选用高档次优质品牌的变频器。(3) 尽可能提高载波频率值。(4) 调换R、S、T三相的相序(变频器输入电压相位不需理相)(5) 选用变频电动机通过以上方法使三相不平衡度尽可能减小为原则，要绝对平衡难以做到的。但变频器输出三相电流基本是平衡的，这里还要注意的测量变频器的输入或输出电压、电流时，最好选用一只，只反映基波(50Hz)的带有滤波的电压、电流表、钳形电流表万能或表为宜，否则测量值比实际值出现偏大的现象，这点亦要注意的。共模电压共模电压(common mode voltage):在每一导体和所规定的参照点之间（往往是大地或机架）出现的相量电压的平均值。或者说同时加在电压表两测量端和规定公共端之间的那部分输入电压。共模和差模是电压电流的变化通过导线传输时的二种形态。干扰电压和电流分为两种:一种是两根导线分别做为往返线路传输;另一种是两根导线做去路,地线做返回路传输.前者叫差模,后者叫共模.电源线噪声是电网中各种用电设备产生的电磁骚扰沿着电源线传播所造成的。电源线噪声分为两大类：共模干扰、差模干扰。共模干扰（Common- mode Interference）定义为任何载流导体与参考地之间的不希望有的电位差；差模干扰（Differential-mode Interference）定义为任何两个载流导体之间的不希望有的电位差。任何电源线上传导干扰信号，均可用差模和共模信号来表示。差模干扰在两导线之间传输，属于对称性干扰；共模干扰在导线与地（机壳）之间传输，属于非对称性干扰。在一般情况下，差模干扰幅度小、频率低、所造成的干扰较小；共模干扰幅度大、频率高，还可以通过导线产生辐射，所造成的干扰较大。共模干扰：一般指在两根信号线上产生的幅度相等，相位相同的噪声。什么是共模干扰和差模干扰 ？电压电流的变化通过导线传输时有二种形态,我们将此称做共模和差模.设备的电源线,电话等的通信线,与其它设备或外围设备相互交换的通讯 线路,至少有两根导线,这两根导线作为往返线路输送电力或信号.但在这两根导线之外通常还有第三导体,这就是地线.干扰电压和电流分为两种:一种是两 根导线分别做为往返线路传输;另一种是两根导线做去路,地线做返回路传输.前者叫差模,后者叫共模.共模干扰是在信号线与地之间传输，属于非对称性干扰。消除共模干扰的方法包括：（1）采用屏蔽双绞线并有效接地（2）强电场的地方还要考虑采用镀锌管屏蔽（3）布线时远离高压线，更不能将高压电源线和信号线捆在一起走线（4）不要和电控锁共用同一个电源（5）采用线性稳压电源或高品质的开关电源(纹波干扰小于50mV)共模扼流圈共模扼流圈，也叫共模电感(Common mode Choke)，是在一个闭合磁环上对称绕制方向相反、匝数相同的线圈。 编辑本段一、共模扼流圈的工作原理理想的共模扼流圈对L（或N）与E 之间的共模干扰具有抑制作用，而对L 与N 之间存在的差模干扰无电感抑制作用。但 共模扼流圈实际线圈绕制的不完全对称会导致差模漏电感的产生。信号电流或电源电流在两个绕组中流过时方向相反，产生的磁通量相互抵消，扼流圈呈现低阻抗。共模噪声电流（包括地环路引起的骚扰电流，也处称作纵向电流）流经两个绕组时方向相同，产生的磁通量同向相加，扼流圈呈现高阻抗，从而起到抑制共模噪声的作用。 编辑本段二、共模扼流圈的作用共模电感实质上是一个双向滤波器：一方面要滤除信号线上共模电磁干扰，另一方面又要抑制本身不向外发出电磁干扰，避免影响同一电磁环境下其他电子设备的正常工作。共模扼流圈可以传输差模信号，直流和频率很低的差模信号都可以通过，而对于高频共模噪声则呈现很大的阻抗，所以它可以用来抑制共模电流骚扰。共模电感 JEPSUN共模电感，共模滤波器编辑本段初识共模电感共模电感(Common mode Choke)，也叫共模扼流圈，常用于电脑的开关电源中过滤共模的电磁干扰信号。在板卡设计中，共模电感也是起EMI滤波的作用，用于抑制高速信号线产生的电磁波向外辐射发射。小知识：EMI(Electro Magnetic Interference，电磁干扰)计算机内部的主板上混合了各种高频电路、数字电路和模拟电路，它们工作时会产生大量高频电磁波互相干扰，这就是EMI。EMI还会通过主板布线或外接线缆向外发射，造成电磁辐射污染，不但影响其他的电子设备正常工作，还对人体有害。PC板卡上的芯片在工作过程中既是一个电磁干扰对象，也是一个电磁干扰源。总的来说，我们可以把这些电磁干扰分成两类：串模干扰(差模干扰)与共模干扰(接地干扰)。以主板上的两条PCB走线(连接主板各元件的导线)为例，所谓串模干扰，指的是两条走线之间的干扰；而共模干扰则是两条走线和PCB地线之间的电位差引起的干扰。串模干扰电流作用于两条信号线间，其传导方向与波形和信号电流一致；共模干扰电流作用在信号线路和地线之间，干扰电流在两条信号线上各流过二分之一且同向，并以地线为公共回路. 如果板卡产生的共模电流不经过衰减过滤(尤其是像USB和IEEE 1394接口这种高速接口走线上的共模电流)，那么共模干扰电流就很容易通过接口数据线产生电磁辐射在线缆中因共模电流而产生的共模辐射。美国FCC、国际无线电干扰特别委员会的CISPR22以及我国的GB9254等标准规范等都对信息技术设备通信端口的共模传导干扰和辐射发射有相关的限制要求。为了消除信号线上输入的干扰信号及感应的各种干扰，我们必须合理安排滤波电路来过滤共模和串模的干扰，共模电感就是滤波电路中的一个组成部分。 图2 图3共模电感实质上是一个双向滤波器：一方面要滤除信号线上共模电磁干扰，另一方面又要抑制本身不向外发出电磁干扰，避免影响同一电磁环境下其他电子设备的正常工作。图2是我们常见的共模电感的内部电路示意图，在实际电路设计中，还可以采用多级共模电路来更好地滤除电磁干扰。此外，在主板上我们也能看到一种贴片式的共模电感(图3)，其结构和功能与直立式共模电感几乎是一样的。 编辑本段共模电感工作原理为什么共模电感能防EMI？要弄清楚这点，我们需要从共模电感的结构开始分析。共模电感的滤波电路，La和Lb就是共模电感线圈。这两个线圈绕在同一铁芯上，匝数和相位都相同(绕制反向)。这样，当电路中的正常电流流经共模电感时，电流在同相位绕制的电感线圈中产生反向的磁场而相互抵消，此时正常信号电流主要受线圈电阻的影响(和少量因漏感造成的阻尼)；当有共模电流流经线圈时，由于共模电流的同向性，会在线圈内产生同向的磁场而增大线圈的感抗，使线圈表现为高阻抗，产生较强的阻尼效果，以此衰减共模电流，达到滤波的目的。事实上，将这个滤波电路一端接干扰源，另一端接被干扰设备，则La和C1，Lb和C2就构成两组低通滤波器，可以使线路上的共模EMI信号被控制在很低的电平上。该电路既可以抑制外部的EMI信号传入，又可以衰减线路自身工作时产生的EMI信号，能有效地降低EMI干扰强度。现在国内生产的一种小型共模电感，采用高频之杂讯抑制对策，共模扼流线圈结构，讯号不衰减，体积小、使用方便，具有平衡度佳、使用方便、高品质等优点。广泛使用在双平衡调音装置、多频变压器、阻抗变压器、平衡及不平衡转换变压器.等。还有一种共模滤波器电感/EMI滤波器电感采用铁氧体磁心，双线并绕，杂讯抑制对策佳，高共模噪音抑制和低差模噪声信号抑制，低差模噪声信号抑制干扰源，在高速信号中难以变形，体积小、使用方便，具有平衡度佳、使用方便、高品质等优点。广泛使用在抑制电子设备EMI噪音、个人电脑及外围设备的 USB线路、DVC、STB的IEEE1394线路、液晶显示面板、低压微分信号.等。 编辑本段漏感和差模电感对理想的电感模型而言，当线圈绕完后，所有磁通都集中在线圈的中心内。但通常情况下环形线圈不会绕满一周，或绕制不紧密，这样会引起磁通的泄漏。共模电感有两个绕组，其间有相当大的间隙，这样就会产生磁通泄漏，并形成差模电感。因此，共模电感一般也具有一定的差模干扰衰减能力。在滤波器的设计中，我们也可以利用漏感。如在普通的滤波器中，仅安装一个共模电感，利用共模电感的漏感产生适量的差模电感，起到对差模电流的抑制作用。有时，还要人为增加共模扼流圈的漏电感，提高差模电感量，以达到更好的滤波效果。 编辑本段从看板卡整体设计看共模电感在一些主板上，我们能看到共模电感，但是在大多数主板上，我们都会发现省略了该元件，甚至有的连位置也没有预留。这样的主板，合格吗？不可否认，共模电感对主板高速接口的共模干扰有很好的抑制作用，能有效避免EMI通过线缆形成电磁辐射影响其余外设的正常工作和我们的身体健康。但同时也需要指出，板卡的防EMI设计是一个相当庞大和系统化的工程，采用共模电感的设计只是其中的一个小部分。高速接口处有共模电感设计的板卡，不见得整体防EMI设计就优秀。所以，从共模滤波电路我们只能看到板卡设计的一个方面，这一点容易被大家忽略，犯下见木不见林的错误。只有了解了板卡整体的防EMI设计，我们才可以评价板卡的优劣。那么，优秀的板卡设计在防EMI性能上一般都会做哪些工作呢？主板Layout(布线)设计对优秀的主板布线设计而言，时钟走线大多会采用屏蔽措施或者靠近地线以降低EMI。对多层PCB设计，在相邻的PCB走线层会采用开环原则，导线从一层到另一层，在设计上就会避免导线形成环状。如果走线构成闭环，就起到了天线的作用，会增强EMI辐射强度。信号线的不等长同样会造成两条线路阻抗不平衡而形成共模干扰，因此，在板卡设计中都会将信号线以蛇形线方式处理使其阻抗尽可能的一致，减弱共模干扰。同时，蛇形线在布线时也会最大限度地减小弯曲的摆幅，以减小环形区域的面积，从而降低辐射强度。在高速PCB设计中，走线的长度一般都不会是时钟信号波长1/4的整数倍，否则会产生谐振，产生严重的EMI辐射。同时走线要保证回流路径最小而且通畅。对去耦电容的设计来说，其设置要靠近电源管脚，并且电容的电源走线和地线所包围的面积要尽可能地小，这样才能减小电源的波纹和噪声，降低EMI辐射。当然，上述只是PCB防EMI设计中的一小部分原则。主板的Layout设计是一门非常复杂而精深的学问，甚至很多DIYer都有这样的共识：Layout设计得优秀与否，对主板的整体性能有着极为重大的影响。主板布线的划断如果想将主板电路间的电磁干扰完全隔离，这是绝对不可能的，因为我们没有办法将电磁干扰一个个地“包”起来，因此要采用其他办法来降低干扰的程度。主板PCB中的金属导线是传递干扰电流的罪魁祸首，它像天线一样传递和发射着电磁干扰信号，因此在合适的地方“截断”这些“天线”是有用的防EMI的方法。“天线”断了，再以一圈绝缘体将其包围，它对外界的干扰自然就会大大减小。如果在断开处使用滤波电容还可以更进一步降低电磁辐射泄露。这种设计能明显地增加高频工作时的稳定性和防止EMI辐射的产生，许多大的主板厂商在设计上都使用了该方法。图注：“断开”的设计用来阻止电磁干扰借这些接口向外传送形成电磁辐射，图中电路板上的亮线清晰可见。尤其是USB接口部分采用该设计后，可在很大程度上大大改善EMI电流向外辐射的可能。主板接口的设计不知大家是否注意到，现在的主板都会附送一块开口的薄铁挡片，其实这也是用来防EMI的。虽然现在的机箱EMI屏蔽性能都不错，但电磁波还是会从机箱表面的开孔处泄漏出来，如PS/2接口、USB接口以及并、串口等的开口处。孔的大小决定了电磁干扰的泄露程度。开口的孔径越小，电磁干扰辐射的削弱程度越大。对方形孔而言，L就是其对角线长度。使用了挡片之后，挡片上翘起的金属触片会和主板上的输入输出部分很好地通过机箱接地，不但衰减了EMI，而且减小了方孔的尺寸，进一步缩小L值，从而可以更有效地屏蔽电磁干扰辐射。上述三点只是主板设计中除电路设计之外的几个主要防EMI设计，由此可见，主板的防EMI设计是一个整体的概念，如果整体的设计不合格，就会带来较大的电磁辐射，而这些也不是一个小小的共模电感所能弥补的。 编辑本段从必要性看共模电感共模电感缺失防EMI性能低下？这样的说法显然是颇为片面的。诚然，由于国家现在的EMI相关规范并不健全，部分厂商为了省料就钻了这个空子，在整体防EMI性能上都大肆省料压缩成本(其中就包括共模电感的省略)，这样做的直接后果就是主板防EMI性能极其低下；但是对于那些整体设计优秀，用料不缩水的主板，即使没有共模电感，其整体防EMI性能仍能达到相关要求，这样的产品仍然是合格的。因此，单纯就是否有共模电感这一点来判断主板的优劣. 编辑本段共模电感的测量与诊断电源滤波器的设计通常可从共模和差模两方面来考虑。共模滤波器最重要的部分就是共模扼流圈，与差模扼流圈相比，共模扼流圈的一个显著优点在于它的电感值极高，而且体积又小，设计共模扼流圈时要考虑的一个重要问题是它的漏感，也就是差模电感。通常，计算漏感的办法是假定它为共模电感的1%，实际上漏感为共模电感的 0.5% 4%之间。在设计最优性能的扼流圈时，这个误差的影响可能是不容忽视的。漏感的重要性漏感是如何形成的呢？紧密绕制，且绕满一周的环形线圈，即使没有磁芯，其所有磁通都集中在线圈“芯”内。但是，如果环形线圈没有绕满一周，或者绕制不紧密，那么磁通就会从芯中泄漏出来。这种效应与线匝间的相对距离和螺旋管芯体的磁导率成正比。共模扼流圈有两个绕组，这两个绕组被设计成使它们所流过的电流沿线圈芯传导时方向相反，从而使磁场为0。如果为了安全起见，芯体上的线圈不是双线绕制，这样两个绕组之间就有相当大的间隙，自然就引起磁通“泄漏”，这即是说，磁场在所关心的各个点上并非真正为0。共模扼流圈的漏感是差模电感。事实上，与差模有关的磁通必须在某点上离开芯体，换句话说，磁通在芯体外部形成闭合回路，而不仅仅只局限在环形芯体内。如果芯体具有差模电感，那么，差模电流就会使芯体内的磁通发生偏离零点，如果偏离太大，芯体便会发生磁饱和现象，使共模电感基本与无磁芯的电感一样。结果，共模辐射的强度就如同电路中没有扼流圈一样。差模电流在共模环形线圈中引起的磁通偏离可由下式得出：式中，是芯体中的磁通变化量，Ldm是测得的差模电感，是差模峰值电流，n为共模线圈的匝数。由于可以通过控制B总，使之小于B饱和，从而防止芯体发生磁饱和现象，有以下法则：式中，是差模峰值电流，Bmax是磁通量的最大偏离，n是线圈的匝数，A是环形线圈的横截面积。Ldm是线圈的差模电感。共模扼流圈的差模电感可以按如下方法测得：将其一引腿两端短接，然后测量另外两腿间的电感，其示值即为共模扼流圈的差模电感。共模扼流圈综述滤波器设计时，假定共模与差模这两部分是彼此独立的。然而，这两部分并非真正独立，因为共模扼流圈可以提供相当大的差模电感。这部分差模电感可由分立的差模电感来模拟。为了利用差模电感，在滤波器的设计过程中，共模与差模不应同时进行，而应该按照一定的顺序来做。首先，应该测量共模噪声并将其滤除掉。采用差模抑制网络（Differential Mode Rejection Network），可以将差模成分消除，因此就可以直接测量共模噪声了。如果设计的共模滤波器要同时使差模噪声不超过允许范围，那么就应测量共模与差模的混合噪声。因为已知共模成分在噪声容限以下，因此超标的仅是差模成分，可用共模滤波器的差模漏感来衰减。对于低功率电源系统，共模扼流圈的差模电感足以解决差模辐射问题，因为差模辐射的源阻抗较小，因此只有极少量的电感是有效的。尽管少量的差模电感非常有用，但太大的差模电感可以使扼流圈发生磁饱和。可根据公式（2）作简单计算来避免磁饱和现象的发生。用LISN原理测量共模扼流圈饱和特性的方法测量共模线圈磁芯（整体或部分）的饱和特性通常是很困难的。通过简单的试验可以看出共模滤波器的衰减在多大程度上受由60Hz编置电流引起的电感减小量的影响。进行此项测试需要一台示波器和一个差模抑制网络（DMRN）。首先，用示波器来监测线电压。按如下方法从示波器的A通道输入信号，将示波器的时间基准置为2ms/div，然后将触发信号加在A通道上，在交流电压达到峰值时会有线电流产生，此时滤波器效能的降级是意料中的事情。差模抑制网络（DMRN）的输入端连接到LISN，输出端用50的阻抗进行匹配且与示波器的B通道相连。当共模扼流圈工作在线性区时，在输入电流波动期间，B通道监测到的发射增加值不超过610dB。图1为此测试在示波器上显示的结果，上面的曲线为共模发射；下面的曲线为线电压。在线电压峰值期间，桥式整流器正向导通且传送充电电流。图1 示波器上显示的由于60Hz充电电流引起的共模扼流圈的降级 图一如果共模扼流圈达到饱和，那么在输入浪涌增加时，发射将会增加。如果共模扼流圈达到强饱和，发射强度与不加滤波器时的情况是一样的，也就是说很容易达到40dB以上。这些实验数据可用其他方法来解释。发射最小值（线电流为0的时候）是滤波器无偏置电流时表现出来的效果。峰值发射与最小发射的比率，即降级因子，用来衡量线电流偏移量对滤波器实际效果的影响。降级因子较大表明共模扼流圈磁芯完全没有得到恰当的使用，较好的滤波器的“固有降级因子”差不多在24之间。它是由两种现象产生的：第一，60Hz充电电流引起的电感减小（如上所述）；第二，桥式整流器的正向及反向导通。共模发射的等效电路由一个阻抗约为200pF的电压源、二极管阻抗和LISN的共模阻抗组成，如图2所示。当桥式整流器正向偏置时，在源阻抗、25和LISN共模阻抗之间会产生分压现象。当桥整流器反向偏置时，在源阻抗、整流桥反偏电容、LISN之间产生分压现象。当二极管整流桥反向偏置电容较小时，对共模滤除有一定效果。当整流桥正向偏置时则对共模滤除没有影响。 图2 共模辐射等效电路图2 共模辐射等效电路由于产生了分压，固有降级因子的预期值为2左右。实际值的变化相当大，主要取决于源阻抗和二极管整流桥反向偏置电容的实际大小。在Flugan发明的一个电路中，正是应用这个原理来减小镇流器的传导发射的。用电流原理测量共模扼流圈饱和特性的方法如果测试人员相当谨慎，那么就可以采取类似MIL-STD-461中的测试装置来检测共模扼流圈的饱和特性。这个原理的应用如下：测试时采用两只电流探头，低频探头监测线电流，高频探头仅测量共模发射电流。线电流监视器作为触发源。不过，使用电流探头的一个隐患是差模电流衰减是管芯内绕组导线对称性的函数。如果精心合理安排绕线布局的话，30dB左右的差模电流衰减是能够得到的。即使达到这个衰减