宛野 萬里

摘要：EMI濾波器作為減少系統(tǒng)對外部設(shè)備產(chǎn)生電磁干擾的重要設(shè)備，在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用。但寄生效應(yīng)會對EMI濾波器的高頻特性產(chǎn)生影響，從而影響EMI濾波器的濾波效果?，F(xiàn)建立了EMI濾波器的高頻模型，并提出了消除共模電感寄生電容的辦法。

關(guān)鍵詞：EMI濾波器;寄生效應(yīng);共模電感;寄生電容

0? ? 引言

對于電氣設(shè)備而言，電磁環(huán)境污染已經(jīng)成為了很重要的問題，任何電氣電子設(shè)備對周圍的環(huán)境而言都是潛在的噪聲源，高幅度的擾動會導(dǎo)致位于共同環(huán)境的電氣電子設(shè)備功能失效，只有電氣電子設(shè)備在同一環(huán)境與其他設(shè)備可以相互容忍，此時才可認(rèn)為做到了電磁兼容。

為了實(shí)現(xiàn)電磁兼容，應(yīng)降低設(shè)備或系統(tǒng)的電磁發(fā)射水平或者是提高設(shè)備的電磁抗干擾度。實(shí)踐證明，濾波是一種很好的降低騷擾發(fā)射傳導(dǎo)的辦法。EMI濾波器在電磁兼容設(shè)計(jì)中起到了很大的作用，但在實(shí)踐中EMI濾波器并不能很好地抑制傳導(dǎo)，從其結(jié)構(gòu)分析，很可能是因?yàn)闉V波器本身的寄生參數(shù)對其性能產(chǎn)生了影響，因此對EMI濾波器的寄生效應(yīng)進(jìn)行分析變得很重要。

1? ? 寄生效應(yīng)對EMI濾波器性能的影響

從原理和結(jié)構(gòu)上來看，EMI濾波器應(yīng)當(dāng)是一種簡單高效抑制傳導(dǎo)的設(shè)備，但從實(shí)際上來看，很多EMI濾波器并沒有表現(xiàn)出很好的抑制傳導(dǎo)的特性。其原因很多，例如最初的濾波器參數(shù)設(shè)計(jì)不合適，或者插入損耗的測試方式與實(shí)際不符等。

如圖1所示，從結(jié)構(gòu)上分析，EMI濾波器是一個由大量的電感和電容組合起來的設(shè)備，而如果存在電感和電容就一定會產(chǎn)生寄生效應(yīng)。寄生效應(yīng)一般分兩類：（1）繞組寄生電容與繞組電感、電容器的引線電感與電容器之間的自諧振對濾波器性能所產(chǎn)生的影響;（2）由于布局和封裝產(chǎn)生的寄生效應(yīng)。在此文中主要分析第一類寄生效應(yīng)對EMI濾波器性能的影響。那么寄生參數(shù)對EMI濾波器究竟產(chǎn)生了何種影響？

文獻(xiàn)[1]通過一個簡單的實(shí)驗(yàn)，對應(yīng)用于1 kW開關(guān)電源的EMI濾波器進(jìn)行了具體分析，如圖2所示。

根據(jù)該EMI濾波器的設(shè)計(jì)參數(shù)，在其理想狀態(tài)下（不考慮寄生參數(shù)），源阻抗為50 Ω，通過PSPICE仿真，可以得到共模電流衰減的幅頻特性圖。但是實(shí)際上由于寄生參數(shù)的影響，濾波器的實(shí)際特性與理想值存在著很大的差別。可以通過HP4395A網(wǎng)絡(luò)/頻譜/阻抗測試儀，測出該EMI濾波器實(shí)際共模衰減的幅頻特性。

從實(shí)測結(jié)果來看，寄生效應(yīng)導(dǎo)致EMI濾波器的阻抗在高頻段產(chǎn)生了一個突變。為了能夠更好地去分析寄生效應(yīng)，我們對EMI濾波器進(jìn)行了建模。

2? ? 該EMI濾波器的高頻模型

首先對共模電感進(jìn)行建模。對于共模電感而言，其繞組兩端存在著寄生電容。除此之外，其對于高頻模型而言，還存在著繞組漏感。這使得共模電感的高頻模型變得更加復(fù)雜。假定共模電感的兩個繞組具有完全相同的電磁參數(shù)和完全對稱的結(jié)構(gòu)，可以得出共模電感的等效電路，如圖3所示。

對于共模阻抗的測量可以選擇HP4395A網(wǎng)絡(luò)/頻譜/阻抗測試儀，頻率范圍選定為9 kHz～30 MHz。

阻抗測量的方法是將P1和P2相連，P3和P4相連，測P1和P3端口的等效阻抗，從而可以得到共模電感的實(shí)際等效阻抗的幅頻特性。從共模電感阻抗的幅頻特性上看，在低頻段共模電感表現(xiàn)為感性，在9 kHz的阻抗值為：

共模電感在高頻段則表現(xiàn)為容性，共模電感在30 MHz的阻抗值為：

然后對電容進(jìn)行建模，由于電容有引線電感的存在，因此電容存在一個自諧振頻率。在自諧振頻率以下電容表現(xiàn)為容性，在自諧振頻率以上電容變現(xiàn)為感性。因此可以得出該濾波器的等效模型，如圖4所示。

從所建立的等效模型來看，影響EMI濾波器性能的寄生參數(shù)主要就是共模電感的繞組寄生電容和電容器的引線電感。從抑制共模電流的角度來看，共模電感應(yīng)在盡可能寬的頻帶上表現(xiàn)為感性，如果共模電感的寄生電容被消除了，那么EMI濾波器的性能將會得到很大提高。

3? ? 消除共模電感寄生電容的辦法

如要消除共模電感的寄生電容，首先應(yīng)當(dāng)知道共模電感的寄生電容是如何產(chǎn)生的。寄生電容一共分為三類，一類是閘間電容Ca，一類是閘芯電容Cb，還有一類是繞組與繞組之間的電容Cc。其中Ca與一部分的Cb構(gòu)成了等效的寄生電容，Cc與一部分的Cb構(gòu)成了跨接在兩繞組的電容CN。則可以得到等效的共模電感電路，如圖5所示。

有了該耦合的共模電感等效電路，便可以對寄生電容EPC進(jìn)行消去了。方法為將共模電感兩繞組的中心抽頭分別連上對地電容，如圖6所示。

在保證每個繞組的兩個半繞組耦合系數(shù)為1時，對于圖6去耦合，然后運(yùn)用電路理論里的T形到Π形的網(wǎng)絡(luò)變換可以得到圖7所示等效電路。

通過去耦合和等效變換可以得到Ze的值：

從上式可以分析出當(dāng)C1=4EPC時，寄生電容可以完全被消除，便可得到圖8所示等效電路。

4? ? 結(jié)語

此辦法已經(jīng)成功應(yīng)用于具有平面結(jié)構(gòu)的集成型共模電感，因?yàn)槠矫娼Y(jié)構(gòu)很容易使兩個半繞組具有高耦合性。但對于傳統(tǒng)的非集成共模電感而言，由于耦合系數(shù)不高，因此消除寄生電容的效果并不好。

所以該辦法存在的問題便是很難保證單個繞組內(nèi)部兩個半繞組之間有接近1的磁耦合系數(shù)，如果該耦合系數(shù)不高，EPC的抑制效果會很差。

[參考文獻(xiàn)]

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[2] NEUGEBAUER T C，PHINNEY J W，PERREAULT D J.Filters and components with inductance cancellation[J].IEEE Transactions on Industry Applications，2004，40（2）：483-491.

[3] WANG SHUO，LEE F C，VAN WYK J D.Design of inductor winding capacitance cancellation for EMI suppression[C].IEEE Transactions on Power Electronics，2006，21（6）：1825-1832.

收稿日期：2020-05-25

作者簡介：宛野（1992—），男，河南安陽人，碩士，助理工程師，研究方向：電力電子與電力傳動。