山宏剛，黃華，橐曉宇，范建波

（1.上海海關(guān)機(jī)電產(chǎn)品檢測(cè)技術(shù)中心，上海 200135； 2.珠海格力電器股份有限公司，珠海 519070）

引言

開(kāi)關(guān)電源、變頻器使用的功率器件和高速電子電路工作所產(chǎn)生的電壓、電流的瞬變，是形成電磁騷擾的主要原因[1]。濾波器是電磁兼容設(shè)計(jì)的重要部分，它可以有效的解決大多數(shù)的電磁問(wèn)題[2]。然而現(xiàn)有的單級(jí)濾波電路設(shè)計(jì)，使用傳統(tǒng)的電路參數(shù)搭配，抑制高頻電磁騷擾[3]的能力較差。產(chǎn)品一旦出現(xiàn)高頻電磁騷擾問(wèn)題，往往使用多級(jí)濾波電路設(shè)計(jì)或其他高成本方案進(jìn)行整改。因此，本文提出一種可抑制高頻電磁干擾的方法，可降低成本、高效抑制高頻電磁騷擾[4]。

1.變頻空調(diào)電路濾波原理

1.1 濾波器件

EMI電源濾波器[5]是由電感、電容等無(wú)源器件構(gòu)成。若對(duì)元件的參數(shù)特性掌握不夠，很難設(shè)計(jì)出符合要求的濾波器。特別是在抑制高頻噪聲時(shí)，濾波器的高頻濾波性能往往難以把握，所以有必要對(duì)濾波器進(jìn)行深入地研究。

1.1.1 濾波電容

理想電容的阻抗特性是隨著頻率的上升而線性減小的，而實(shí)際電容的阻抗特性并非如此。圖1表示了理想的和實(shí)際電容的阻抗特性曲線，實(shí)際電容存在一個(gè)諧振頻率點(diǎn)，這是因?yàn)閷?shí)際的電容含有寄生的等效串聯(lián)電阻（Equivalent Series Resistance，ESR）和等效串聯(lián)電感（Equivalent Series Inductance，ESL）。正是由于ESL的存在，與電容產(chǎn)生諧振，并在諧振頻率處電容的阻抗達(dá)到最小值。若不考慮電容的非線性因素，實(shí)際電容電路為ESR與電容和ESL的等效串聯(lián)電路。

圖1 實(shí)際電容與理想電容的阻抗特性

電容的阻抗公式為：

式中：

Rc—等效串聯(lián)電阻；

Ls—等效串聯(lián)電感。

在諧振頻率fr處，電容和等效電感發(fā)生串聯(lián)諧振，這時(shí)的電容阻抗等效于串聯(lián)電阻Rc，濾波效果最佳。在濾波電路中將電容器并聯(lián)在支路中為電磁噪聲提供低阻抗的通路，濾除噪聲信號(hào)。

1.1.2 電感器件

理想電感[6-8]的阻抗是隨著頻率的上升而線性增大的，而實(shí)際電感的阻抗特性并非如此。圖2表示了理想的和實(shí)際的電感的阻抗特性曲線，實(shí)際電感有一個(gè)諧振頻率，這是因?yàn)閷?shí)際的電感含有寄生的等效串聯(lián)電阻（Equivalent Series Resistance，ESR）和并聯(lián)繞組電容Cw。并聯(lián)繞組電容Cw是電感線圈在繞制過(guò)程中產(chǎn)生的、分布在繞線與繞線之間的寄生電容。實(shí)際電感電路為電容并聯(lián)在ESR與電感串聯(lián)兩端的等效電路。

圖2 理想電感和實(shí)際電感的阻抗特性

電感的阻抗公式為：

式中：

RL—等效串聯(lián)電阻；

Cw—電感的并聯(lián)電容。

諧振頻率fr處，電感和并聯(lián)電容發(fā)生并聯(lián)諧振，電感表現(xiàn)為阻抗最大值。在低頻下，阻抗ZL由電感決定，在直流時(shí)它等于R。在標(biāo)記的頻率范圍內(nèi) （共振頻率ω0），電感L和電容 Cw產(chǎn)生并聯(lián)諧振，則此時(shí)阻抗ZL達(dá)到最大，抑制干擾效果最佳。隨著頻率的加大，由于寄生電容起主要作用，電感器的阻抗降低，對(duì)干擾衰減效果減弱。

1.2 常用單級(jí)濾波電路分析

電磁干擾可分為共模干擾和差模干擾。共模干擾電流在相線間大小相等、方向相同。差模干擾電流在相線間大小相同、方向相反。變頻空調(diào)外機(jī)常用濾波電路如圖3所示，使用1個(gè)共模扼流圈，2對(duì)Y電容，2個(gè)X電容，1個(gè)磁環(huán)。

圖3 常用單級(jí)濾波電路結(jié)構(gòu)

共模扼流圈與Y電容組成共模濾波電路，等效濾波電路如圖4，干擾信號(hào)首先流經(jīng)A點(diǎn)，并且在A點(diǎn)處分流，干路L處于高阻狀態(tài)，C3、C4為低阻，而并聯(lián)時(shí)電流的分配與兩者阻值的比值成反比，C3、C4起分流、濾波作用，把更多的干擾信號(hào)旁路到機(jī)殼地。一般減小C3、C4的阻抗值可以改善測(cè)試結(jié)果。干擾通過(guò)A點(diǎn)之后，共模扼流圈會(huì)消耗一部分干擾。當(dāng)干擾電流流至B點(diǎn)時(shí)，和C5、C6與磁環(huán)的效果是與C3、C4、L相同的，最終使接收機(jī)檢測(cè)到的干擾最小。

圖4 共模等效濾波電路

共模扼流圈與X電容組成差模、低通濾波器，分析方法與共模類似：源端的干擾信號(hào)流出后，首先經(jīng)過(guò)A點(diǎn)，XC1與后面的電路并聯(lián)，干路L（共模扼流圈）處于高阻狀態(tài)，XC1為低阻，而并聯(lián)時(shí)電流的分配與兩者阻值的比值成反比，XC1的阻抗值越小會(huì)有更多的干擾信號(hào)流向XC1，XC1起到分流、濾波的作用。干擾通過(guò)A點(diǎn)之后，共模扼流圈會(huì)消耗一部分干擾。當(dāng)干擾電流流至B點(diǎn)時(shí)，XC2與接收機(jī)并聯(lián)，并聯(lián)時(shí)電流的分配與兩者阻值的比值成反比，XC2的阻抗值越小會(huì)有更多的干擾信號(hào)流向XC2，XC2同樣起到分流、濾波的作用，最終使接收機(jī)檢測(cè)到的干擾最小。

1.3 高頻電磁干擾分析

在騷擾功率測(cè)試中，吸收鉗檢測(cè)除了空間電磁發(fā)射的干擾外，還有來(lái)自線纜的輻射干擾。外機(jī)連接線對(duì)內(nèi)的騷擾功率測(cè)試如圖5所示，因?yàn)榭刂破鞯臒岬嘏c外機(jī)的機(jī)殼地相連，連接線地線也接在機(jī)殼地，高頻時(shí)由于C3、C4的阻抗很小，干擾一部分通過(guò)電源線傳遞（i3），一部分從控制器熱地流向機(jī)殼地（i2），并通過(guò)連接線地線進(jìn)行傳遞。但電源線有共模扼流圈和磁環(huán)對(duì)干擾進(jìn)行衰減，而地線卻無(wú)措施，當(dāng)?shù)鼐€干擾較大時(shí)易造成測(cè)試不合格。

圖5 連接線騷擾功率測(cè)試示意圖

2 一種針對(duì)變頻空調(diào)高頻干擾抑制方法

2.1 抑制高頻電磁干擾原理

由1.3節(jié)可知，高頻電磁干擾通過(guò)后級(jí)Y電容向連接線地線進(jìn)行傳遞，本質(zhì)原因是在高頻時(shí)電容的阻抗小，使得流經(jīng)地線的干擾大。因此猜想可在后級(jí)接地電路增加一個(gè)帶阻措施[9]，增大高頻時(shí)的接地阻抗，抑制干擾直接從地線傳出。由1.2節(jié)分析可知，在端子騷擾電壓測(cè)試中，后級(jí)的接地阻抗若增大會(huì)影響濾波效果，進(jìn)而影響測(cè)試結(jié)果。因此不能直接去掉后級(jí)C3、C4電容（等效于接地電阻無(wú)限大），有必要深入研究帶阻措施。

2.2 高頻仿真電路驗(yàn)證

為了驗(yàn)證接地電阻對(duì)實(shí)驗(yàn)測(cè)試的影響，利用仿真[10]軟件搭建一個(gè)簡(jiǎn)易的高頻仿真電路進(jìn)行效果對(duì)比。查閱共模扼流圈和磁環(huán)高頻阻抗特性，使用一個(gè)固定阻值的電阻近似替代，忽略電路的諧振影響，加入電容C3、C4、C5、C6等效電路模型，并在電容后面增加一對(duì)接地電阻。模擬施加一個(gè)干擾源，在地線放置一個(gè)負(fù)載，等效于吸收鉗接收干擾。通過(guò)在后級(jí)Y電容接入不同接地電阻的阻值，比較負(fù)載接收到的干擾大小。由圖6仿真結(jié)果看出，在電路中使用接地電阻的阻值越大，負(fù)載的插入損耗越大，說(shuō)明通過(guò)負(fù)載的干擾越小，證明后級(jí)Y電容加接地電阻對(duì)高頻干擾有抑制作用。

圖6 搭建不同接地電阻的仿真電路及結(jié)果

3 實(shí)驗(yàn)案例應(yīng)用

3.1 問(wèn)題描述

某變頻空調(diào)測(cè)試端子騷擾電壓合格，但連接線對(duì)內(nèi)騷擾功率，在頻率點(diǎn)41.56 MHz AV值 -2.16 dB，在頻率點(diǎn)103.48 MHz AV值 -2.71 dB，裕量不滿足測(cè)試要求，測(cè)試曲線如圖7所示。

圖7 不合格測(cè)試曲線

3.2 問(wèn)題分析

發(fā)現(xiàn)外機(jī)采用形如圖3的常用單級(jí)濾波電路，初步判斷干擾從外機(jī)控制器熱地傳出，并通過(guò)連接線地線進(jìn)行傳遞。為驗(yàn)證連接線的干擾主要來(lái)自于地線，利用F-52電流探頭測(cè)量連接線地線的干擾。F-52探頭測(cè)量與吸收鉗用途相似，主要用于分析線路的干擾。測(cè)量地線干擾結(jié)果看出，地線干擾大小、趨勢(shì)與吸收鉗測(cè)試結(jié)果相符，同時(shí)測(cè)量其余線路（火線、零線、通訊線），發(fā)現(xiàn)干擾比地線要低，證明干擾主要來(lái)自地線。

進(jìn)一步驗(yàn)證高頻干擾是控制器通過(guò)濾波電路的后級(jí)Y電容傳出，而非來(lái)源于機(jī)殼地。單獨(dú)將后級(jí)的Y電容去掉，截?cái)嗥涓蓴_傳遞路徑，復(fù)測(cè)騷擾功率合格（圖8）。同時(shí)，復(fù)測(cè)端子騷擾電壓實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)低頻測(cè)試不合格，符合猜想結(jié)果。

圖8 去掉后級(jí)Y電容騷擾功率和端子騷擾電壓測(cè)試結(jié)果

3.3 整改方案

選取36 Ω、68 Ω、120 Ω、220 Ω的貼片電阻分別裝在濾波電路的后級(jí)Y電容接地處，分別對(duì)比騷擾功率和端子騷擾電壓測(cè)試情況。由圖9測(cè)試結(jié)果中看出，加接地電阻能有效抑制高頻干擾通過(guò)后級(jí)Y電容的地傳到機(jī)殼上，所選取電阻的阻值越大，高頻抑制效果越好，同時(shí)低頻端子騷擾電壓測(cè)試受影響越明顯。

圖9 不同阻值測(cè)試結(jié)果對(duì)比

3.4 小結(jié)

本節(jié)通過(guò)某變頻空調(diào)測(cè)試不合格的實(shí)例，利用電流探頭分析干擾源的傳遞路徑，并驗(yàn)證高頻干擾從控制器濾波后級(jí)Y電容向地線傳出。測(cè)試結(jié)果表明，在后級(jí)Y電容至接地位置，增加使用接地電阻，可以有效抑制高頻干擾傳出地線，并能保證端子騷擾電壓和騷擾功率測(cè)試合格。

4 結(jié)論

文章對(duì)傳統(tǒng)單級(jí)濾波電路的深入分析，指出電容在高頻時(shí)的低阻特性會(huì)為電磁干擾提供一個(gè)傳遞路徑，易