CN107359784B - 一种高压直流输入电源的输入emc滤波器及制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高压直流输入电源的输入EMC滤波器，包括输入直流源、二次电源和输入EMC滤波器，所述输入直流源、输入EMC滤波器和二次电源依次连接。本发明中的锰锌铁氧体磁导率高，可滤除2MHz以下的频率成份，镍锌铁氧体高频特性好，可滤除2MHz～30MHz的频率成分，使滤波器适用于10kHz～30MHz的范围；共模电压抑制采用高压瓷介电容串联的方式实现，在保证安全性的情况下，克服了安规电容体积大的不足；扁铜线差模电感的绕组采用扁铜漆包线绕制而成，使磁芯窗口利用率由圆漆包线绕制的0.25提升到0.6以上，有效地降低了体积；阻感消振网络可抑制滤波器截止频率点纹波放大现象，并避免了使用液态铝电容，使滤波器的检修周期得以增长。

Description

一种高压直流输入电源的输入EMC滤波器及制作方法

技术领域

本发明涉及一种高压直流输入电源的输入EMC滤波器及制作方法，属于滤波器技术领域。

背景技术

对于由飞机高压直流母线供电的二次电源，其在工作时会向供电端注入纹波电流，纹波电流中的差模电流和共模电流均会以传导形式直接污染供电直流母线，同时，二次电源在开关管工作时，开关管两端的交流电压变化会通过开关管与机壳间的分布电容进行耦合，会在输入电缆和二次电源机壳间形成高的共模电压，向外辐射电磁干扰。GJB 151中的CE102对传导纹波电流进行了规定，RE102对辐射电场进行了规定，在二次电源的输入端添加EMC滤波器可以抑制传导的纹波电流并降低辐射电场干扰源电压，因此，二次电源的EMC滤波器对于提升次电源的EMC效果至关重要。

对于EMC滤波器中的共模电感，常规方案采用单一磁环来实现，由于单一磁环的导磁特性会随频率升高而变化，通常难以兼顾10kHz～30MHz的频率范围；对于EMC滤波器中的差模电感，以往研究更多考虑是感量设计，而对差模电感的小型化重视不足；对于EMC滤波器中的共模电压抑制电容，常规技术采用安规电容实现，其具有较高的安全性，但其存在体积偏大的不足；在EMC滤波器中，差模电感与低等效串联电阻的差模电容构成二阶滤波器，在截止频率点上具有较高的电压增益，当存在截止频率附近的纹波电压时，会出显著的纹波放大现象，常规技术采用在差模电容旁边并联容值为差模电容容数倍以上的高等效串联电阻液态铝电容或液态钽电容来解决这一问题，但是，液态铝电容的存储期仅为2-3年，会显著降低EMC滤波器的检修周期，液态钽电容的工作电压通常低于150V，不适合于直流电压较高的场合。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种高压直流输入电源的输入EMC滤波器及制作方法，该高压直流输入电源的输入EMC滤波器及制作方法在保证安全性的情况下，克服了安规电容体积大的不足，有效的降低了体积，增长了滤波器的检修周期。

本发明通过以下技术方案得以实现。

本发明提供的一种高压直流输入电源的输入EMC滤波器，包括输入直流源、二次电源和输入EMC滤波器，所述输入直流源、输入EMC滤波器和二次电源依次连接。

所述输入EMC滤波器包括双磁芯共模电感、共模电压抑制电容、差模电压抑制电容一、差模电压抑制电容二、阻感消振网络一、阻感消振网络二、扁铜线差模电感一、扁铜线差模电感二和限压TVS管；

所述输入直流源与双磁芯共模电感连接，双磁芯共模电感输出正极经扁铜线差模电感一与二次电源正极连接，双磁芯共模电感输出负极经扁铜线差模电感二与二次电源负极连接，双磁芯共模电感输出正极和负极经共模电压抑制电容与机壳连接，共模电压抑制电容的另一端接地，差模电压抑制电容二两端分别与双磁芯共模电感输出正极和负极连接，差模电压抑制电容二与共模电压抑制电容并联，差模电压抑制电容一两端分别与二次电源的输入正极和负极连接，限压TVS管的阴极和阳极分别与二次电源的输入正极和负极连接，限压TVS管与差模电压抑制电容一并联，阻感消振网络一与扁铜线差模电感一并联，阻感消振网络二与扁铜线差模电感二并联。

基于一种高压直流输入电源的输入EMC滤波器的制作方法，包括以下步骤：

①制作电子元器件：制作所需电子元器件，包括差模电压抑制电容一、差模电压抑制电容二、扁铜线差模电感一、扁铜线差模电感二、共模电压抑制电容、双磁芯共模电感、阻感消振网络一和阻感消振网络二；

②检查电子元器件：检查各个电子元器件的外观是否有损坏，其整体是否完整，接触部分有无损坏、变形、松动、氧化或失去弹性，再用万用表检查其绝缘性能是否良好；

③连接电子元器件：连接各个元器件，完成电路连接。

所述步骤①分为以下步骤：

(1.1)制作差模电压抑制电容一：根据二次电源工作频率，工作电流，制作差模电压抑制电容一；

(1.2)获取共模电流和差模电流波形及频谱：在只添加差模电压抑制电容一，不添加EMC滤波器其它部分时，通过示波器和频谱分析仪获取电流波形及频谱；

(1.3)确定共模滤波器和差模滤波器的截止频率：根据共模电流和差模电流频谱，对照需要实现的传导电流频谱指标，确定共模滤波器和差模滤波器的截止频率；

(1.4)制作扁铜线差模电感一和扁铜线差模电感二：根据差模滤波器截止频率和差模电压抑制电容二的容量制作扁铜线差模电感一和扁铜线差模电感二；

(1.5)制作差模电压抑制电容二：差模电压抑制电容二的容量与差模电压抑制电容一的容量相等；

(1.6)制作共模电压抑制电容：用仪表检测输入负母线与机壳间的电容值，制作共模电压抑制电容；

(1.7)制作双磁芯共模电感：根据共模滤波器截止频率和共模电压抑制电容的容量，制作双磁芯共模电感；

(1.8)制作阻感消振网络一和阻感消振网络二中的电感和电阻：根据扁铜线差模电感一和扁铜线差模电感二的电感来制作阻感消振网络一和阻感消振网络二的电感和电阻。

所述步骤(1.1)分为以下步骤：

(1.1.1)测量二次电源的工作频率和电流；

(1.1.2)根据二次电源工作频率和电流，确定差模电压抑制电容一的容量C₁，取电容值为C₁的二类瓷介电容、1/30C₁的二类瓷介电容和1/1000C₁的一类瓷介电容并联作为差模电压抑制电容一。

所述步骤(1.2)分为以下步骤：

(1.2.1)获取共模电流测量和频谱：二次电源输入正母线按供电电流方向与电流传感器正方向一致，并穿过电流传感器检测孔与差模电压抑制电容一连接，负母线按供电电流方向与电流传感器正方向相反，并穿过电流传感器检测孔与差模电压抑制电容一连接，再通过频谱分析仪获取共模电流的频谱；

(1.2.2)获取差模电流测量和频率：二次电源输入正母线按供电电流方向与电流传感器正方向一致，并穿过电流传感器检测孔与差模电压抑制电容一连接，负母线按供电电流方向与电流传感器正方向一致，并穿过电流传感器检测孔与差模电压抑制电容一连接，再通过频谱分析仪获取差模电流的频谱。

所述步骤(1.4)分为以下步骤：

(1.4.1)根据差模滤波器截止频率和差模电压抑制电容二的容量C₂，计算出差模电感值L_d；

(1.4.2)制作电感值为L_d1和L_d2的扁铜线差模电感一和扁铜线差模电感二，其中L_d1和L_d2的值为L_d/2。

所述步骤(1.6)分为以下步骤：

(1.6.1)用仪表检测输入负母线与机壳间的电容值C_gn，取共模电压抑制电容C_Y为30倍的C_gn；

(1.6.2)当C_Y>0.1μF时，取C_Y＝0.1μF，正负母线分别经两个1kV耐压、容值为C_Y的瓷介电容串联与机壳连接。

所述步骤(1.7)分为以下步骤：

(1.7.1)根据共模滤波器截止频率和共模电压抑制电容的容量C_Y，计算出对应的共模电感值L_c；

(1.7.2)制作共模电感为L_c的双磁芯共模电感，双磁芯采用一个磁导率为2000～3000的锰锌铁氧体和一个磁导率为100的镍锌铁氧体磁环并联，然后绕制线圈而成。

本发明的有益效果在于：

1)双磁芯共模电感中的锰锌铁氧体磁导率高，可滤除2MHz以下的频率成份，镍锌铁氧体高频特性好，可滤除2MHz～30MHz的频率成分，使滤波器适用于10kHz～30MHz的范围；

2)共模电压抑制采用高压瓷介电容串联的方式实现，在保证安全性的情况下，克服了安规电容体积大的不足；

3)扁铜线差模电感的绕组采用扁铜漆包线绕制而成，使磁芯窗口利用率由圆漆包线绕制的0.25提升到0.6以上，有效地降低了体积；

4)阻感消振网络可抑制滤波器截止频率点纹波放大现象，并避免了使用液态铝电容，使滤波器的检修周期得以增长；

5)所提出滤波器设计方法使滤波器的参数设计过程量化，优化了滤波器的体积；

6)适用于采用+270V高压直流供电，二次电源工作频率高，且要求设备具有较长检修周期的应用领域。

附图说明

图1是本发明的电路框图；

图2是本发明实施例不添加EMC滤波器的输入纹波电流的波形图；

图3是本发明实施例不添加EMC滤波器的输入纹波电流的频谱图；

图4是本发明实施例添加EMC滤波器的输入纹波电流的波形图；

图5是本发明实施例添加EMC滤波器的输入纹波电流的频谱图；

图6是本发明实施例的电路框图。

具体实施方式

下面进一步描述本发明的技术方案，但要求保护的范围并不局限于所述。

如图1所示，一种高压直流输入电源的输入EMC滤波器，包括输入直流源、二次电源和输入EMC滤波器，所述输入直流源、输入EMC滤波器和二次电源依次连接。

所述输入EMC滤波器包括双磁芯共模电感、共模电压抑制电容、差模电压抑制电容一、差模电压抑制电容二、阻感消振网络一、阻感消振网络二、扁铜线差模电感一、扁铜线差模电感二和限压TVS管；

所述输入直流源与双磁芯共模电感连接，双磁芯共模电感输出正极经扁铜线差模电感一与二次电源正极连接，双磁芯共模电感输出负极经扁铜线差模电感二与二次电源负极连接，双磁芯共模电感输出正极和负极经共模电压抑制电容与机壳连接，差模电压抑制电容二两端分别与双磁芯共模电感输出正极和负极连接，差模电压抑制电容一两端分别与二次电源的输入正极和负极连接，限压TVS管的阴极和阳极分别与二次电源的输入正极和负极连接，阻感消振网络一与扁铜线差模电感一并联连接，阻感消振网络二与扁铜线差模电感二并联连接；

其中，差模电感抑制电容一用于抑制二次电源正负母线上纹波电压，从源处减小注入输入直流源的差模电压；铜线差模电感一、扁铜线差模电感二和差模电感抑制电容二构成二阶差模滤波器，用于进一步抑制差模电压；共模电压抑制电容与双磁芯共模电感构成二阶共模滤波器，共模电压抑制电容主要从源端来抑制共模电压，双磁芯共模电感主要通过增大共模流通回路中的等效阻抗来抑制注入输入直流源的共模电流；差模电压抑制电容一和差模电压抑制电容二采用低串联电阻的瓷介电容实现；扁铜线差模电感一与扁铜线差模电感二串联形成的等效差模电感，扁铜线差模电感一和扁铜线差模电感二的绕组采用扁铜漆包线绕制而成，等效差模电感无论与差模电压抑制电容二构成二阶滤波器，还是与差模电压抑制电容一构成二阶滤波器，两个滤波器在截止频率点上均具有较高的电压增益，当存在截止频率附近的纹波电压时，均会出现显著的纹波放大现象，通过在扁铜线差模电感一上并联阻感消振网络一和在扁铜线差模电感二上并联阻感消振网络二来降低截止频率点上的电压增益，抑制纹波放大现象。

基于一种高压直流输入电源的输入EMC滤波器的制作方法，包括以下步骤：

①制作电子元器件：制作所需电子元器件，包括差模电压抑制电容一、差模电压抑制电容二、扁铜线差模电感一、扁铜线差模电感二、共模电压抑制电容、双磁芯共模电感、阻感消振网络一和阻感消振网络二；

②检查电子元器件：检查各个电子元器件的外观是否有损坏，其整体是否完整，接触部分有无损坏、变形、松动、氧化或失去弹性，再用万用表检查其绝缘性能是否良好；

③连接电子元器件：连接各个元器件，完成电路连接。

所述步骤①分为以下步骤：

(1.1)制作差模电压抑制电容一：根据二次电源工作频率，工作电流，制作差模电压抑制电容一；

(1.2)获取共模电流和差模电流波形及频谱：在只添加差模电压抑制电容一，不添加EMC滤波器其它部分时，通过示波器和频谱分析仪获取电流波形及频谱；

(1.3)确定共模滤波器和差模滤波器的截止频率：根据共模电流和差模电流频谱，对照需要实现的传导电流频谱指标，确定共模滤波器和差模滤波器的截止频率；

(1.4)制作扁铜线差模电感一和扁铜线差模电感二：根据差模滤波器截止频率和差模电压抑制电容二的容量制作扁铜线差模电感一和扁铜线差模电感二；

(1.5)制作差模电压抑制电容二：差模电压抑制电容二的容量与差模电压抑制电容一的容量相等；

(1.6)制作共模电压抑制电容：用仪表检测输入负母线与机壳间的电容值，制作共模电压抑制电容；

(1.7)制作双磁芯共模电感：根据共模滤波器截止频率和共模电压抑制电容的容量，制作双磁芯共模电感；

(1.8)制作阻感消振网络一和阻感消振网络二中的电感和电阻：根据扁铜线差模电感一和扁铜线差模电感二的电感来制作阻感消振网络一和阻感消振网络二的电感和电阻。

所述步骤(1.1)分为以下步骤：

(1.1.1)测量二次电源的工作频率和电流；

(1.1.2)根据二次电源工作频率和电流，确定差模电压抑制电容一的容量C₁，取电容值为C₁的二类瓷介电容、1/30C₁的二类瓷介电容和1/1000C₁的一类瓷介电容并联作为差模电压抑制电容一。

所述步骤(1.2)分为以下步骤：

(1.2.1)获取共模电流测量和频谱：二次电源输入正母线按供电电流方向与电流传感器正方向一致，并穿过电流传感器检测孔与差模电压抑制电容一连接，负母线按供电电流方向与电流传感器正方向相反，并穿过电流传感器检测孔与差模电压抑制电容一连接，再通过频谱分析仪获取共模电流的频谱；

(1.2.2)获取差模电流测量和频率：二次电源输入正母线按供电电流方向与电流传感器正方向一致，并穿过电流传感器检测孔与差模电压抑制电容一连接，负母线按供电电流方向与电流传感器正方向一致，并穿过电流传感器检测孔与差模电压抑制电容一连接，再通过频谱分析仪获取差模电流的频谱。

所述步骤(1.4)分为以下步骤：

(1.4.1)根据差模滤波器截止频率和差模电压抑制电容二的容量C₂，计算出差模电感值L_d；

(1.4.2)制作电感值为L_d1和L_d2的扁铜线差模电感一和扁铜线差模电感二，其中L_d1和L_d2的值为L_d/2。

所述步骤(1.6)分为以下步骤：

(1.6.1)用仪表检测输入负母线与机壳间的电容值C_gn，取共模电压抑制电容C_Y为30倍的C_gn；

(1.6.2)当C_Y>0.1μF时，取C_Y＝0.1μF，正负母线分别经两个1kV耐压、容值为C_Y的瓷介电容串联与机壳连接。

所述步骤(1.7)分为以下步骤：

(1.7.1)根据共模滤波器截止频率和共模电压抑制电容的容量C_Y，计算出对应的共模电感值L_c；

(1.7.2)制作共模电感为L_c的双磁芯共模电感，双磁芯采用一个磁导率为2000～3000的锰锌铁氧体和一个磁导率为100的镍锌铁氧体磁环并联，然后绕制线圈而成。

进一步地，以上所需元器件的值都可通过物理公式计算得出。

实施例

如上所述，一种高压直流输入电源的输入EMC滤波器及制作方法，双磁芯共模电感由一个电感量为200μH的锰锌铁氧体和一个电感量为3.7μH的镍锌铁氧体磁环并联，然后绕制七匝线圈而成；差模电压抑制电容二由三个电容器并联组成，分别为第一电容、第二电容和第三电容，第一电容的电容大小为20nF，第二电容的电容大小为0.2μF，第三电容的电容大小为10μF；差模电压抑制电容一只有一个电容器，电容的大小为20μF；共模电压抑制电容由四个电容器串联组成，分别为第一电容、第二电容、第三电容和第四电容，在第二电容和第四电容之间设置一根导线接地，四个电容器的电容均为0.22μF；扁铜线差模电感一、扁铜线差模电感二中的电感值为10μH，阻感消振网络一、阻感消振网络二分别由一个电阻和一个电感串联组成，电阻的大小均为1Ω，电感的大小均为22μH，电阻和电感串联后与扁铜线差模电感一、扁铜线差模电感二中的电感连接；限压TVS管中的电压值为400V，如图6所示。

当输入直流源由零快速上升到额定电压时，因存在扁铜线差模电感一、扁铜线差模电感二和差模电压抑制电容一构成的二阶滤波器，会在二次电源输入端出现两倍额定电压的最恶劣电压尖峰，本发明通过阻感消振网络一和阻感消振网络二增大了滤滤器的阻尼，使电压尖峰的数值降低，并通过限压TVS管将电压尖峰限制到安全区域，如图2和图3所示，为4kW电源在不添加EMC滤波器情况下的输入纹波电流波形图和频谱图，如图4和图5所示，为4kW电源添加EMC滤波器情况下的输入纹波电流波形图和频谱图，经过对比可知，本发明有效的抑制了纹波电流，并使4kW电源符合CE-102的要求。

Claims (6)

1.一种高压直流输入电源的输入EMC滤波器的制作方法，该滤波器包括输入直流源、二次电源和输入EMC滤波器，所述输入直流源、输入EMC滤波器和二次电源依次连接；

所述输入EMC滤波器包括双磁芯共模电感、共模电压抑制电容、差模电压抑制电容一、差模电压抑制电容二、阻感消振网络一、阻感消振网络二、扁铜线差模电感一、扁铜线差模电感二和限压TVS管；

所述输入直流源与双磁芯共模电感连接，双磁芯共模电感输出正极经扁铜线差模电感一与二次电源正极连接，双磁芯共模电感输出负极经扁铜线差模电感二与二次电源负极连接，双磁芯共模电感输出正极和负极经共模电压抑制电容与机壳连接，共模电压抑制电容的另一端接地，差模电压抑制电容二两端分别与双磁芯共模电感输出正极和负极连接，差模电压抑制电容二与共模电压抑制电容并联，差模电压抑制电容一两端分别与二次电源的输入正极和负极连接，限压TVS管的阴极和阳极分别与二次电源的输入正极和负极连接，限压TVS管与差模电压抑制电容一并联，阻感消振网络一与扁铜线差模电感一并联，阻感消振网络二与扁铜线差模电感二并联；

其特征在于：该滤波器的制作方法包括以下步骤：

①制作电子元器件：制作所需电子元器件，包括差模电压抑制电容一、差模电压抑制电容二、扁铜线差模电感一、扁铜线差模电感二、共模电压抑制电容、双磁芯共模电感、阻感消振网络一和阻感消振网络二；

②检查电子元器件：检查各个电子元器件的外观是否有损坏，其整体是否完整，接触部分有无损坏、变形、松动、氧化或失去弹性，再用万用表检查其绝缘性能是否良好；

③连接电子元器件：连接各个元器件，完成电路连接；

其中，所述步骤①分为以下步骤：

(1.1)制作差模电压抑制电容一：根据二次电源工作频率，工作电流，制作差模电压抑制电容一；

(1.2)获取共模电流和差模电流波形及频谱：在只添加差模电压抑制电容一，不添加EMC滤波器其它部分时，通过示波器和频谱分析仪获取电流波形及频谱；

(1.3)确定共模滤波器和差模滤波器的截止频率：根据共模电流和差模电流频谱，对照需要实现的传导电流频谱指标，确定共模滤波器和差模滤波器的截止频率；

(1.4)制作扁铜线差模电感一和扁铜线差模电感二：根据差模滤波器截止频率和差模电压抑制电容二的容量制作扁铜线差模电感一和扁铜线差模电感二；

(1.5)制作差模电压抑制电容二：差模电压抑制电容二的容量与差模电压抑制电容一的容量相等；

(1.6)制作共模电压抑制电容：用仪表检测输入负母线与机壳间的电容值，制作共模电压抑制电容；

(1.7)制作双磁芯共模电感：根据共模滤波器截止频率和共模电压抑制电容的容量，制作双磁芯共模电感；

(1.8)制作阻感消振网络一和阻感消振网络二中的电感和电阻：根据扁铜线差模电感一和扁铜线差模电感二的电感来制作阻感消振网络一和阻感消振网络二的电感和电阻。

2.如权利要求1所述的高压直流输入电源的输入EMC滤波器的制作方法，其特征在于：所述步骤(1.1)分为以下步骤：

(1.1.1)测量二次电源的工作频率和电流；

(1.1.2)根据二次电源工作频率和电流，确定差模电压抑制电容一的容量C₁，取电容值为C₁的二类瓷介电容、1/30C₁的二类瓷介电容和1/1000C₁的一类瓷介电容并联作为差模电压抑制电容一。

3.如权利要求1所述的高压直流输入电源的输入EMC滤波器的制作方法，其特征在于：所述步骤(1.2)分为以下步骤：

(1.2.1)获取共模电流测量和频谱：二次电源输入正母线按供电电流方向与电流传感器正方向一致，并穿过电流传感器检测孔与差模电压抑制电容一连接，负母线按供电电流方向与电流传感器正方向相反，并穿过电流传感器检测孔与差模电压抑制电容一连接，再通过频谱分析仪获取共模电流的频谱；

(1.2.2)获取差模电流测量和频率：二次电源输入正母线按供电电流方向与电流传感器正方向一致，并穿过电流传感器检测孔与差模电压抑制电容一连接，负母线按供电电流方向与电流传感器正方向一致，并穿过电流传感器检测孔与差模电压抑制电容一连接，再通过频谱分析仪获取差模电流的频谱。

4.如权利要求1所述的高压直流输入电源的输入EMC滤波器的制作方法，其特征在于：所述步骤(1.4)分为以下步骤：

(1.4.1)根据差模滤波器截止频率和差模电压抑制电容二的容量C₂，计算出差模电感值L_d；

(1.4.2)制作电感值为L_d1和L_d2的扁铜线差模电感一和扁铜线差模电感二，其中L_d1和L_d2的值为L_d/2。

5.如权利要求1所述的高压直流输入电源的输入EMC滤波器的制作方法，其特征在于：所述步骤(1.6)分为以下步骤：

(1.6.1)用仪表检测输入负母线与机壳间的电容值C_gn，取共模电压抑制电容C_Y为30倍的C_gn；

(1.6.2)当C_Y>0.1μF时，取C_Y＝0.1μF，正负母线分别经两个1kV耐压、容值为C_Y的瓷介电容串联与机壳连接。

6.如权利要求1所述的高压直流输入电源的输入EMC滤波器的制作方法，其特征在于：所述步骤(1.7)分为以下步骤：

(1.7.1)根据共模滤波器截止频率和共模电压抑制电容的容量C_Y，计算出对应的共模电感值L_c；

(1.7.2)制作共模电感为L_c的双磁芯共模电感，双磁芯采用一个磁导率为2000～3000的锰锌铁氧体和一个磁导率为100的镍锌铁氧体磁环并联，然后绕制线圈而成。