EMI滤波器优化与设计

1、EMI滤波器优化方案研究滤波器优化方案研究主要内容 第一章 背景介绍 插入损耗 基础知识 一些滤波电路的比较 优化方案研究 电磁干扰的产生需要具备三个条件：第一是干扰源；第二是干扰耦合途径；第三是干扰敏感设备。 就EMI 而言，虽然电力电子装置的开关频率远低于通信系统的信号频率，但是它的工作电压、工作电流和处理的功率都更高。电力电子装置的主功率开关器件在开关过程中产生非常高的电流和电压变化率，即非常高的di/dt与du/dt，它们通过电路中寄生电感和寄生电容产生强烈的瞬态噪声。因此，主电路开关器件和相关的电路产生的电磁噪声成为电力电子装置中的主要电磁干扰源，并主要以传导和近场干扰源的形式出现。

2、而且，所有电力电子装置也会导致严重的EMI噪声和市电谐波电流注入到电网中，这就不仅污染了电网，也会影响连接到同一电网中的其他电气电子设备的正常工作。从某种意义上来说，与通信设备比较，电力电子装置产生的EMI问题可能会更严重，我们更关注对传导干扰的抑制。寄生参数的影响 无源元件的模型无源元件无源元件低频模型低频模型高频模型高频模型导线电阻电感电容分立元件 常用的滤波器结构中主要用到的是电容、电感、共模扼流圈共模扼流圈结构共模扼流圈对共模电流呈现大的阻抗，理想共模扼流圈对差模没有作用，但是实际中由于漏感的存在，它对差模也有一定的作用。分立元件模型共模扼流圈模型分立元件的高频模型电容寄生参数模型电容

3、阻抗特性电感寄生参数模型电感阻抗特性fZL经典寄生参数 CX=2.2F，RESR=0.5，LESL=10nH Cy=2.2nF， RESR=0.3，LESL=5nH L=10mH，REPR=0.3 ，CEPC=30pF 对于共模扼流圈： 共模：LCM=10mH，RCu=0.8 ， CEPC=30pF， RFe=10K 差模： LDM=10H，REPR=0.3 ， CEPC=30pF单电容的L形的插入损耗通常采用插入损耗IL（Insert Loss）来衡量滤波器效果：IL=20log(U1/U2) 式中U1为未插入滤波器时的负载端电压， U2为接入滤波器后负载端的电压。利用经典寄生参数，对同一滤

4、波器的滤波器分别计算出其考虑与不考虑寄生参数时的插入损耗来观察寄生参数的影响。阻抗匹配时的计算结果10310410510610710801020304050607080频 率插入损耗IL寄 生 参 数 对 滤 波 器 的 影 响 不 考 虑 寄 生 参 数考 虑 寄 生 参 数1031041051061071080102030405060708090100频 率插入损耗IL寄 生 参 数 对 滤 波 器 的 影 响 不 考 虑 寄 生 参 数考 虑 寄 生 参 数105106107108020406080100120140频 率插入损耗ILL形 滤 波 有 无 寄 生 参 数 不 考 虑 寄

5、生 参 数考 虑 寄 生 参 数106107108050100150200250频 率插入损耗ILpi形 滤 波 有 无 寄 生 参 数 计 算 图 不 考 虑 寄 生 参 数考 虑 寄 生 参 数单电容滤波单电容滤波单电感滤波单电感滤波LC滤波滤波形形滤波滤波几种典型的EMI滤波器拓扑结构与比较图1图2图3106107108050100150频 率插入损耗IL三 种 典 型 结 构 的 共 模 插 入 损 耗 比 较 30MHz图 2图 3图 110610710830405060708090100110120频 率插入损耗IL典 型 结 构 三 种 典 型 结 构 的 差 模 插 入 损 耗

6、 比 较 图 1图 2这是在阻抗匹配条件下的比较结果，在阻抗不匹配时，滤波器的设计就并不是阶数越高效果越好了EMI滤波器优化 由于寄生参数的影响，所以必须对滤波器进行优化以提高滤波效果使其达到或接近预期目标。 一种优化方案是对电路 的布局 的优化，这里主要是考虑在阻抗失匹配条件下选择合适的滤波器结构。 另一种是减小元器件自身的寄生参数，这就要看是哪种寄生参数器主导作用的建议的滤波器结构1电容寄生参数 首先固定电容的寄生电阻的值，改变电容寄生电感的值，分别计算插入损耗1031041051061071080102030405060708090100频 率插入损耗IL单 电 容 有 无 寄 生 参

7、数 不 考 虑 寄 生 参 数考 虑 寄 生 参 数esL=10nHesL=7nHesL=1nH寄生电感的值对插入损耗的影响比较明显。在频率较低时，寄生电感的值可以忽略，这是因为电感的阻抗 ，ZL=jwl 在频率低时电感的阻抗值也比较低，对总体电压的影响不大。在频率高时，寄生电感的影响开始体现出来，寄生电感越大，实际电容的阻抗 的值也越大，这样电容与负载并联后的阻抗也大，从而负载分得电压U2大，导致插入损耗IL=20log(U1/U2)的值越低，随着频率的升高影响也越大。元件寄生参数角度优化1031041051061071080102030405060708090100频 率插入损耗IL单 电

8、 容 有 无 寄 生 参 数 不 考 虑 寄 生 参 数考 虑 寄 生 参 数esR=0.1esR=0.3esR=0.5esR=0.7 再固定寄生电感的值，改变寄生电阻的值，观察寄生电阻带来的影响 当保持寄生电感的值不变，改变寄生电阻的值时，插入损耗的改变情况如右图所示，改变寄生电阻的值，谐振频率 的值不会变，但是在谐振频率附近的插入损耗会改变，这是因为谐振点处的电容的实际阻抗变了。比较可知，寄生电感的值对插入损耗的影响更大（寄生电阻只影响谐振点处的），所以电容的选择时主要考虑寄生容的影响，电容引线也不宜过长。2电感寄生参数的研究 固定电感的寄生电阻的值，改变寄生电容的值：10610710-210-1100101102频 率插入损耗IL电 感 改 变 寄 生 电 容 的 值 Cepc=50pFCepc=10pFCepc=20pFCepc=30pF改变寄生电容的值，在低频阶段对滤波器的效果基本上没有影响，会影响谐振频率，使得谐振点右移，高频时的插入损耗都像右移了一样。 固定电感的寄生电容的值，改变寄生电阻的值：10610710-210-1100101102频 率插入损耗IL电 感 改 变 寄 生 电 容 的 值Repr=0.3Repr=0.8Repr=1.5理 想 电 感 当寄生电容的值不变，改变寄生电阻的值