CN111581902B - 可抑制谐振的电磁干扰滤波器设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可抑制谐振的电磁干扰滤波器设计方法，通过逆变器干扰源模型得到逆变器的差/共模干扰电压和干扰源内阻，计算得到系统所需插入损耗，然后选定滤波器拓扑，采用最优化算法提取差/共模滤波器的元件参数，在考虑滤波器件高频等效寄生参数的情况下仿真得到最优的滤波器元件值。本发明根据仿真得到的元件参数值进行滤波器制作和实验验证，分析其滤波效果，结合滤波器高频等效模型，找出滤波器自谐振频点，通过添加阻尼电阻的方法解决部分频点共模EMI超标的问题，降低了滤波器设计过程中的试错成本，实现了EMI滤波器的定量设计，通过分析系统高频等效模型，精确定位造成EMI超标的关键元器件，实现了滤波器的优化设计。
Description
技术领域
本发明属于滤波器设计技术领域，具体涉及一种可抑制谐振的电磁干扰滤波器设计方法。
背景技术
EMI(electromagnetic interference，电磁干扰)滤波器作为变流装置电磁兼容设计的重要一环，广泛应用于高频电力电子产品中。
滤波器的拓扑分为单级和多级结构，单级的滤波器有L型和π型两种，多级拓扑结构由多个单级滤波器级联而成。EMI滤波器的拓扑是根据干扰源内阻值和负载阻值来选定的，传统的设计方法往往将源阻抗和负载阻抗假定为50欧姆电阻，根据阻抗失配原则设计滤波器，使其达到最大的插入损耗。考虑到实际的逆变器中可能存在电感、变压器、X电容等元器件，系统的源阻抗一般并不是恒定的50欧姆且呈现阻性，而是呈现容性或者感性，即干扰源内阻随着频率的变化而变化，并不是恒定的50欧姆，如果仍然按照50欧姆电阻特性来假定干扰源内阻，进行滤波器设计，就会导致插入损耗无法满足要求。
早期的滤波器设计，通常在选定滤波器拓扑后，通过多次设计和测量滤波器的插损值，逐渐改进得到符合要求的元件参数，以尽可能地逼近系统所需要的插损，这种设计方法运算量较大，实现起来较为繁琐。在实际的滤波器设计中，多是通过滤波器的衰减曲线和理论上需要的插损值来确定滤波器的转折角频率，从而进行元件选型，但是这种方法在实际应用中也存在缺陷，由于对滤波器元件的高频特性考虑比较少，往往使得滤波器在高频段效果不佳。
为了在滤波器设计初期就能较准确地仿真计算得到元件值，有学者提出了确定滤波器高频特性的方法(如Ye S,Eberle W,Liu Y F.A Novel EMI Filter Design Methodfor Switching Power Supplies[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2004,19(6)(6):1668-1678)，这类方法包括建立电路模型对高频特性进行分析、利用有限元仿真软件提取寄生参数、通过PCB板结构结合耦合系数进行电磁兼容辅助设计等。在滤波器预设计阶段，充分考虑元器件的高频特性，可以更准确地计算得到符合要求的滤波器元件值。
综上所述，一个较为系统的滤波器设计方案应在预设计阶段充分考虑源阻抗的影响，同时分析滤波器件高频寄生参数对滤波效果的影响。但是通过上述方法计算得到滤波器元件在投入实际应用后，仍然会出现电路谐振导致部分频点EMI超标的问题，从而影响滤波效果。一方面，为了保证滤波器投入使用后能起到应有的滤波效果，工程师们往往在预设计时就给滤波器留出足够的裕量，来满足电磁兼容的要求，这就导致了滤波器的体积增大，设备重量增加，设计的成本大大提高；另一方面，在投入使用后，如果系统接入滤波器后仍然存在EMI超标的问题，一般需要重新对滤波器进行重新设计，耗费大量人力物力。
发明内容
鉴于上述，本发明提出了一种可抑制谐振的电磁干扰滤波器设计方法，该方法基于逆变器等效电磁干扰源内阻选定差/共模(差模或共模)滤波器拓扑，再利用最优化算法拟合得到滤波器元器件参数值，减少滤波器设计过程中的试错成本；接入滤波器后，通过分析系统高频等效模型，精确定位造成EMI超标的关键元器件，提出在滤波器中添加阻尼电阻的方法解决了部分频点EMI超标问题。
一种可抑制谐振的电磁干扰滤波器设计方法，包括如下步骤：
(1)建立逆变器干扰源等效模型并通过测量计算得到逆变器系统的等效差/共模干扰电压VDM,CM和差/共模干扰源内阻ZDM,CM，再根据EMC(electromagnetic compatibility，电磁兼容)标准电压限值计算得到逆变器系统所需要的差/共模滤波器插入损耗ILDM,CM；
(2)根据逆变器系统的差/共模干扰源内阻ZDM,CM和负载差/共模等效内阻Zload选定差/共模滤波器拓扑，并将滤波器拓扑接入逆变器系统中；
(3)设定优化目标采用最小二乘法确定滤波器中元器件的参数，并计算得到接入滤波器后逆变器系统的差/共模插入损耗ILfilter，进而判断所设计的滤波器是否符合要求：若不符合则执行步骤(4)，若符合则执行步骤(5)；
(4)根据超标频率点所在频段采取不同策略对滤波器拓扑及器件进行调整；
(5)根据确定的滤波器拓扑及其元器件参数进行滤波器制作，并测试接入滤波器后逆变器系统的差/共模电磁干扰，验证滤波器对EMI的抑制效果；
(6)当接入滤波器后测得逆变器系统的EMI频谱中存在部分频率点超标问题，建立滤波器的高频等效模型，分析各元器件发生谐振的路径和频率范围，在相应的谐振路径上串联阻尼电阻以抑制谐振点EMI超标问题。
进一步地，所述步骤(1)中通过以下公式计算差/共模滤波器插入损耗ILDM,CM；
ILDM,CM＝20log VDM,CM-20log VPK
其中：VPK为EMC标准电压限值。
进一步地，所述负载等效内阻Zload为逆变器系统进行电磁兼容标准测试时输出端所接LISN(LineImpedance StabilizationNetwork，线路阻抗稳定网络)的阻抗值，所述差/共模插入损耗ILfilter由ZDM,CM、Zload和滤波器中的电容及电感值共同决定。
进一步地，所述步骤(3)中的优化目标如下：
min(|ILfilter-ILDM,CM|)
进一步地，所述步骤(3)中判断所设计的滤波器是否符合要求的标准为：对于频率区间[150kHz,30MHz]范围内的任一频率点f，若该频率点f对应的差/共模插入损耗ILfilter(f)和差/共模滤波器插入损耗ILDM,CM(f)满足ILfilter(f)>ILDM,CM(f)，则判定滤波器符合要求；若存在ILfilter(f)<ILDM,CM(f)，则判定滤波器不符合要求。
进一步地，所述步骤(4)的具体实现方法为：对于超标频率点fb，即该频率点fb对应的差/共模插入损耗ILfilter(fb)和差/共模滤波器插入损耗ILDM,CM(fb)存在ILfilter(fb)<ILDM,CM(fb)；若fb∈[150kHz,1MHz]，则增加滤波器拓扑的阶数并返回执行步骤(3)；若fb∈[1MHz,30MHz]，则增加滤波器中元器件的高频寄生参数并返回执行步骤(3)。
进一步地，所述步骤(6)中阻尼电阻的阻值应大于各谐振频率点的滤波器阻抗值以起到较好的抑制效果，同时保证阻值不宜过大，否则滤波器的抑制作用将会受到影响。
本发明方法根据逆变器的干扰源模型进行滤波器的设计，该方法通过逆变器干扰源模型得到逆变器的差/共模干扰电压和干扰源内阻，计算得到系统所需插入损耗，然后选定滤波器拓扑，采用最优化算法提取差/共模滤波器的元件参数，在考虑滤波器件高频等效寄生参数的情况下仿真得到最优的滤波器元件值。本发明根据仿真得到的元件参数值进行滤波器制作和实验验证，分析其滤波效果，结合滤波器高频等效模型，找出滤波器自谐振频点，通过添加阻尼电阻的方法解决部分频点共模EMI超标的问题。
与现有的EMI滤波器设计方法相比，本发明通过最优化算法仿真得到元器件参数，降低了滤波器设计过程中的试错成本，实现了EMI滤波器的定量设计，通过分析系统高频等效模型，精确定位造成EMI超标的关键元器件，实现了滤波器的优化设计。
附图说明
图1为逆变器差/共模干扰电压波形示意图。
图2为逆变器差/共模干扰源阻抗和负载阻抗波形示意图。
图3为逆变器所需的差/共模滤波器插入损耗波形示意图。
图4为逆变器接入差模滤波器后的等效电路图。
图5为一阶π型差模滤波器的插损仿真结果示意图。
图6为接入差模滤波器后逆变器的差模EMI结果示意图。
图7为一阶π型共模滤波器的插损仿真结果示意图。
图8为逆变器接入二阶π型共模滤波器后的等效电路图。
图9为二阶π型共模滤波器的插损仿真结果示意图。
图10为接入二阶π型共模滤波器后逆变器的共模EMI结果示意图。
图11为二阶π型共模滤波器的高频等效电路图。
图12为二阶π型共模滤波器的电磁干扰等效回路图。
图13为滤波器接入不同阻尼电阻后逆变器的共模EMI比较结果示意图。
图14为逆变器的差/共模EMI结果示意图。
图15为逆变器L线和N线上的EMI结果示意图。
具体实施方式
为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。
本发明提出一种可抑制谐振的电磁干扰滤波器定量设计方法，根据已知的逆变器三端口电磁干扰等效模型得到端口干扰电压和干扰源内阻值，结合EMC标准限值和逆变器端口干扰源电压确定系统所需的滤波器插入损耗；根据逆变器干扰源内阻值和负载阻抗值选定滤波器拓扑，采用最优化算法提取差/共模滤波器的元件参数，在考虑滤波器件高频等效寄生参数的情况下仿真得到最优的滤波器元件选型方案；根据仿真得到的元件参数值进行滤波器制作和实验验证，分析其滤波效果，结合滤波器高频等效模型，找出滤波器自谐振频点，通过添加阻尼电阻的方法解决部分频点共模EMI超标的问题，具体包括如下步骤：
(1)根据已知的逆变器干扰源模型得到等效差/共模干扰电压VDM,CM和差/共模内阻值ZDM,CM，再根据EMC标准限值VPK，得到逆变器所需要的差/共模滤波器插入损耗ILDM,CM：
ILDM,CM＝20logVDM,CM-20logVPK
(2)根据差/共模干扰源内阻ZDM,CM与负载内阻Zload的数值选定差/共模滤波器拓扑，Zload为系统进行电磁兼容标准测试时输出端所接的LISN的阻抗值；根据具体的滤波器拓扑得到系统接入差/共模滤波器后的插入损耗ILfilter，具体表示为：
ILfilter＝f(ZDM,CM,Zload,C1,...Cn,L1,...Ln)
其中：C1,…Cn为滤波器中的电容值，L1,…Ln为滤波器中的电感值，n为滤波器的阶数。
(3)采用最小二乘法提取滤波器元器件的参数，设定算法的优化目标为：
min(|ILfilter-ILDM,CM|)
仿真得到的滤波器插入损耗，如仿真结果无法满足要求(存在f∈[150k,30M]，使得ILfilter(f)<ILDM,CM(f))，则进行步骤(4)，如仿真结果符合要求(对任意f∈[150k,30M]，ILfilter(f)>ILDM,CM(f))，则进行步骤(5)。
(4)如仿真得到的滤波器插入损耗在低频段(f<1MHZ)不满足要求，则增加滤波器阶数，进行步骤(3)；如在低频段满足要求，在高频段(f≥1MHZ)不满足要求，则考虑滤波器件的高频寄生参数，进行步骤(3)。
(5)根据仿真得到滤波器最优选型方案，进行滤波器制作，并测试接入滤波器后系统的差/共模电磁干扰，验证滤波器对EMI的抑制效果；如测得的EMI结果仍然不过标，则通过建立滤波器的高频等效模型，分析各元件发生谐振的路径和频率范围，具体地：Y电容的等效串联电感与其电容值发生串联谐振，串联谐振频率约为几十MHz；共模电感的等效并联电容与电感值发生并联谐振，谐振频率约为几MHz；Y电容与共模电感发生串联谐振，谐振频率约为几百KHz。在明确谐振路径后，通过在相应谐振路径上串联阻尼电阻Rdamp解决EMI超标问题。
下面将结合一款可抑制谐振的电磁干扰滤波器设计实例，对本发明具体实施方法进一步详细描述。
本实施方式中已知一款逆变器的差/共模干扰电压如图1所示，差/共模干扰源内阻和负载等效内阻如图2所示，产品采用EN55022 classA的电磁兼容标准，可得其所需要的差/共模滤波器的插入损耗如图3所示。
因为逆变器干扰源内阻幅值与LISN的阻抗幅值在一个量级，所以选定滤波器拓扑为π型结构。首先设计差模滤波器，接入一阶π型差模滤波器后的差模等效电路如图4所示，采用最小二乘法拟合滤波器元件参数值，设置仿真的初始值以及拟合得到的元件取值结果如表1所示：
表1
根据表1得到差模滤波器的插入损耗仿真结果如图5所示，根据仿真插入损耗的结果，选择差模滤波器元件具体值为：C1＝5uF，C2＝3uF，L1＝L2＝6uH，进行实验验证，得到接入差模滤波器后系统的差模EMI如图6所示，满足EN55022ClassA的标准。
同理，按上述方法设计共模滤波器，共模滤波器主要作用在高频范围，所以需要考虑其高频寄生参数，仿真一阶π型共模滤波器的元件参数值如表2所示：
表2
仿真得到滤波器的插入损耗如图7所示，由图7可得滤波器的低频插入损耗无法满足要求，于是选择二阶π型共模滤波器，接入二阶π型共模滤波器后系统的等效共模电路如图8所示，利用MATLAB最优化算法提取滤波元件的参数值如表3所示：
表3
仿真得到的滤波器插入损耗结果如图9所示，由图9可得，滤波器元件的仿真插入损耗满足要求，下面进行实验验证，二阶π型共模滤波器器件选型如表4所示：
表4
测试得到三种方案下的共模干扰如图10所示，由图10可得，系统的共模EMI存在几个超标频点，分别为200KHz、500KHz、10MHz。
下面分析系统接入二阶π型共模滤波器后系统的高频等效电路模型，如图11所示，电路中可能发生谐振的回路分别为：
(1)电容CY3的等效串联电感与其电容值发生串联谐振。
CY3的电容值为nF级别，一般Y电容的引脚电感值可以认为1mm长度为10nH，所以等效串联电感为nH级别，其串联谐振频率在10MHz附近；当频率大于10MHz，Y电容表现为感性，当频率小于10MHz，Y电容表现为容性。
(2)共模电感Lcm2的等效并联电容与电感值发生并联谐振。
共模电感值为mH级别，其等效并联电容为pF级别，所以其发生并联谐振的频率大概在1MHz附近；当频率小于1M，共模电感表现为感性，当频率大于1MHz，共模电感表现为容性。
(3)电容CY3与共模电感Lcm2发生串联谐振。
在频率小于1MHz的范围，CY3为容性，Lcm2为感性，其发生串联谐振的频率约为几百KHz。
经过上述分析，可以确定中EMI超标的几个频点分别是由共模电容、共模电感发生自谐振和互谐振引起的。为了抑制这几个谐振频点，在共模电容CY3上串联一个阻尼电阻，如图12所示，接入该电阻后，可以抑制两条回路的谐振，一条是Y电容的自谐振，一条是共模电容和共模电感的串联谐振。选择阻尼电阻分别为160Ω、400Ω和1kΩ，进行实验比较，得到系统的共模干扰如图13所示，由图13可得，阻尼电阻为160ohm和400ohm时，系统的几个超标频点可以得到较好的抑制，且全频段的共模EMI符合EN55022 classA的限值要求，其中阻尼电阻为400ohm时，高频段的EMI抑制效果更加明显；当加入阻抗值为1K欧姆时，在低频段(f<1MHz)，可得：
|Rdamp|＞＞|ZY3|≈100
此时二阶滤波器相当于一阶滤波器的效果，高频的抑制效果不明显；综上，可以选择400ohm作为阻尼电阻的阻值。
在逆变器输出端口接入差/共模滤波器，测得系统的差/共模干扰和L/N线上的EMI分别如图14和图15所示，在加入差/共模滤波器后，系统的差/共模EMI和两条输出线上的EMI均能符合EN55022 classA的标准，证明了本发明滤波器设计方法的有效性。
上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种可抑制谐振的电磁干扰滤波器设计方法，包括如下步骤：
(1)建立逆变器干扰源等效模型并通过测量计算得到逆变器系统的等效差/共模干扰电压VDM,CM和差/共模干扰源内阻ZDM,CM，再根据EMC标准电压限值计算得到逆变器系统所需要的差/共模滤波器插入损耗ILDM,CM；
(2)根据逆变器系统的差/共模干扰源内阻ZDM,CM和负载差/共模等效内阻Zload选定差/共模滤波器拓扑，并将滤波器拓扑接入逆变器系统中；
(3)设定优化目标采用最小二乘法确定滤波器中元器件的参数，并计算得到接入滤波器后逆变器系统的差/共模插入损耗ILfilter，进而判断所设计的滤波器是否符合要求：若不符合则执行步骤(4)，若符合则执行步骤(5)；所述优化目标如下：
min(|ILfilter-ILDM,CM|)
(4)根据超标频率点所在频段采取不同策略对滤波器拓扑及器件进行调整；
(5)根据确定的滤波器拓扑及其元器件参数进行滤波器制作，并测试接入滤波器后逆变器系统的差/共模电磁干扰，验证滤波器对EMI的抑制效果；
(6)当接入滤波器后测得逆变器系统的EMI频谱中存在部分频率点超标问题，建立滤波器的高频等效模型，分析各元器件发生谐振的路径和频率范围，在相应的谐振路径上串联阻尼电阻以抑制谐振点EMI超标问题。
2.根据权利要求1所述的电磁干扰滤波器设计方法，其特征在于：所述步骤(1)中通过以下公式计算差/共模滤波器插入损耗ILDM,CM；
ILDM,CM＝20lgVDM,CM-20lgVPK
其中：VPK为EMC标准电压限值。
3.根据权利要求1所述的电磁干扰滤波器设计方法，其特征在于：所述负载等效内阻Zload为逆变器系统进行电磁兼容标准测试时输出端所接LISN的阻抗值，所述差/共模插入损耗ILfilter由ZDM,CM、Zload和滤波器中的电容及电感值共同决定。
4.根据权利要求1所述的电磁干扰滤波器设计方法，其特征在于：所述步骤(3)中判断所设计的滤波器是否符合要求的标准为：对于频率区间[150kHz,30MHz]范围内的任一频率点f，若该频率点f对应的差/共模插入损耗ILfilter(f)和差/共模滤波器插入损耗ILDM,CM(f)满足ILfilter(f)>ILDM,CM(f)，则判定滤波器符合要求；若存在ILfilter(f)<ILDM,CM(f)，则判定滤波器不符合要求。
5.根据权利要求1所述的电磁干扰滤波器设计方法，其特征在于：所述步骤(4)的具体实现方法为：对于超标频率点fb，即该频率点fb对应的差/共模插入损耗ILfilter(fb)和差/共模滤波器插入损耗ILDM,CM(fb)存在ILfilter(fb)<ILDM,CM(fb)；若fb∈[150kHz,1MHz]，则增加滤波器拓扑的阶数并返回执行步骤(3)；若fb∈[1MHz,30MHz]，则增加滤波器中元器件的高频寄生参数并返回执行步骤(3)。
6.根据权利要求1所述的电磁干扰滤波器设计方法，其特征在于：所述步骤(6)中阻尼电阻的阻值应大于各谐振频率点的滤波器阻抗值以起到较好的抑制效果，同时保证阻值不宜过大，否则滤波器的抑制作用将会受到影响。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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