CN201682464U - 一种用于抑制传导电磁干扰的共模滤波器 - Google Patents

Abstract

一种用于抑制传导电磁干扰的共模滤波器，由至少三个火线插孔通过导线串联组成第一火线插孔排；由至少三个火线插孔通过导线串联组成第二火线插孔排；第一电感设置在第一火线插孔排负载侧的火线插孔与第二火线插孔排电网侧的火线插孔之间；由至少三个中线插孔通过导线串联组成第一中线插孔排；由至少三个中线插孔通过导线串联组成第二中线插孔排；第二电感设置在第一中线插孔排负载侧的火线插孔与第二中线插孔排电网侧的火线插孔之间；至少三个地线插孔通过导线串联组成地线插孔排。本实用新型针对未知噪声源所引起的传导电磁干扰共模噪声，避免反复焊接电路板导致的电路板损坏以及滤波效果不佳等问题。

Description

一种用于抑制传导电磁干扰的共模滤波器

技术领域

本实用新型涉及一种用于抑制传导电磁干扰的共模滤波器，尤其涉及对于未知噪声源所引起的传导电磁干扰噪声，需通过多次试验电感电容参数时的滤波器。

背景技术

用于抑制传导电磁干扰噪声的滤波器实际上是一种低通滤波器，它将直流或低频电源功率无衰减的传送到设备上去，但将经电源传播的电磁干扰信号大大衰减，保护设备不受干扰。同时，对于设备本身产生的电磁干扰信号也能进行抑制，防止它进入电源，污染电磁环境。通过滤波电路使电力电子装置产生的电磁噪声通过传导耦合产生的噪声电平减小到可以接受的水平，这类滤波器统称为EMI滤波器。

噪声源所引起的传导电磁干扰噪声根据其产生机理的不同，分为共模噪声和差模噪声。共模噪声是指在火线与地线之间、中线与地线之间的噪声；差模噪声是指火线与中线之间的噪声。共模电压U_CM、差模电压U_DM与火线对地电压U_L-G、中线对地电压U_N-G的关系为：

$U_{\mathrm{CM}}=\frac{(U_{L-G}+U_{N-G})}{2}$

U_DM＝U_L-G-U_N-G

因此，抑制电磁干扰噪声的滤波器根据传导电磁干扰噪声产生机理的不同，分为共模噪声滤波器和差模噪声滤波器，根据阻抗最大不匹配原则，使得由噪声源产生的噪声能够在滤波器上达到最大的衰减，以使得测量设备测量到的电磁干扰噪声最小。

目前市面上所出售的商用滤波器其结构通常是共模滤波器与差模滤波器集成在一起的，采用商用滤波器对传导电磁干扰进行滤波时，抑制效果往往不好。如：

1.商用滤波器设计结构单一，大多采用固定的设计结构，没有针对性，其滤波元件往往不能满足滤波器设计要求，特别是电感元件，因此无法有效地解决传导电磁干扰噪声问题。。

2.商用滤波器在设计的时候没有考虑到由于将共模差模滤波器集成起来所造成的噪声模态串扰的问题，因此影响了传导电磁干扰噪声的抑制效果。

3.商用滤波器由于集成了共模与差模滤波器，造成滤波器造价较高，对于产品的大批量生产造成了额外成本。

另外可利用噪声分离网络，在噪声诊断的基础上，自行设计更有针对性的滤波器，其设计方法如下：

采用噪声分离网络将干扰噪声分离为共模噪声和差模噪声。

确定共模、差模干扰源阻抗。干扰源阻抗与电力电子设备的拓扑结构有关，共模干扰源阻抗可以认为是开关管与散热器之间的寄生电容，差模干扰源阻抗主要依据电路拓扑而定。

确定负载阻抗。滤波器设计时，传导电磁干扰测试负载阻抗为LISN阻抗，对于差模而言其阻抗为100Ω，共模阻抗为25Ω。

分别确定差模干扰、共模干扰需要的衰减量。衰减量由下述公式确定，式中A_dm、A_cm分别为差模、共模干扰的衰减量，N_dm、N_cm分别为测量的差模、共模干扰，Limit为标准限值。由于传导干扰测试最终结果是差模、共模干扰之和，因此所需的衰减量应加上6dB的安全阈量。

A_dm(dB)＝N_dm(dB)-Limit(dB)+6(dB)

A_cm(dB)＝N_cm(dB)-Limit(dB)+6(dB)

分别确定差模、共模滤波器的转折频率及元件参数。在所需衰减量的第一个峰值点做一条斜率为20ndB/十倍频程的直线(n为滤波器阶数)，要保证所有频率下的衰减量都在直线下方。直线与频率轴交点即为转折频率，根据转折频率进而确定滤波器元件参数。

实验验证。如果滤波器达到干扰抑致要求，则设计过程结束；如果低频段不能满足要求，重新设计滤波器参数；如果滤波器高频段不能满足要求，要考虑滤波器寄生参数以及近场耦合的影响。

上述方法进行滤波器设计时，也会造成抑制效果不佳的问题。如：

1.确定总噪声中共模噪声分量和差模噪声分量时采用的是噪声分离器，由于其元器件寄生参数的限制，因而存在插入损耗和抑制比，从而导致测量不够准确，使滤波器设计参数存在误差，直接影响抑制效果。

2.在高频状态下电容和电感都会出现高频寄生参数。这些寄生参数将影响到滤波器抑制效果，上述设计方法无法消除这些寄生参数，从而使得滤波器设计过程中报废率较高，增加了滤波器设计成本。

3.在对于未知干扰源进行滤波时，往往需要多次试验滤波器参数，这样反复焊接电路板插拔元器件，可能会导致电路板损坏，从而使电磁干扰噪声抑制效果不佳。

发明内容

本实用新型目的是提供一种用于抑制传导电磁干扰的共模滤波器，其目的是针对未知噪声源所引起的传导电磁干扰共模噪声，避免反复焊接电路板导致的电路板损坏以及滤波效果不佳等问题。

为达到上述目的，本实用新型采用的技术方案是：一种用于抑制传导电磁干扰的共模滤波器，包括：

基板，该基板上设有至少六个火线插孔、至少六个中线插孔、至少三个地线插孔；

由至少三个火线插孔通过导线串联组成第一火线插孔排，该第一火线插孔排电网侧一个火线插孔作为电网火线连接端子；

由至少三个火线插孔通过导线串联组成第二火线插孔排，该第二火线插孔排负载侧一个火线插孔作为负载火线连接端子；

第一电感设置在第一火线插孔排负载侧的火线插孔与第二火线插孔排电网侧的火线插孔之间；

由至少三个中线插孔通过导线串联组成第一中线插孔排，该第一中线插孔排电网侧一个中线插孔作为电网中线连接端子；

由至少三个中线插孔通过导线串联组成第二中线插孔排，该第二中线插孔排负载侧一个中线插孔作为负载中线连接端子；

第二电感设置在第一中线插孔排负载侧的火线插孔与第二中线插孔排电网侧的火线插孔之间；

至少三个地线插孔通过导线串联组成地线插孔排；第一电容位于该地线插孔排电网侧一个地线插孔与第一火线插孔排电网侧一个火线插孔之间，第二电容位于该地线插孔排负载侧一个地线插孔与第二火线插孔排负载侧一个火线插孔之间；第三电容位于该地线插孔排中间一个地线插孔与第一中线插孔排中间一个中线插孔之间，第四电容位于该地线插孔排中间一个地线插孔与第二中线插孔排负载侧一个中线插孔之间。

由于上述技术方案运用，本实用新型与现有技术相比具有下列优点：

1、本实用新型中根据被测设备的传导电磁干扰噪声不同的产生机理，分别设计出针对共模和差模两种电磁干扰噪声机理的滤波器，是的滤波器设计更有针对性。

2、本实用新型中采用了噪声源内阻抗测定的方法对被测设备的传导电磁干扰噪声内阻抗和噪声源进行了测量，因此可以利用较为简单的电路原理对于滤波器进行设计，降低了滤波器设计难度。

3、本实用新型中采用的可插拔结构，当滤波器电容电感参数选择不当时，可任意插拔电容电感，并进行多次试验以达到最佳的滤波效果。第四，本实用新型在滤波器电感元器件选择方面采用电感最小原则以降低电感制作成本。

附图说明

附图说明

图1是本发明的主要结构示意图。

图2是本发明可插拔共模滤波器的结构示意图。

图3是DC-DC开关磁阻电机系统传导电磁干扰噪声测试系统的实验装置图。

图4是DC-DC开关磁阻电机加入滤波器之前所测得的传导电磁干扰共模噪声。

图5是DC-DC开关磁阻电机加入本实用新型可插拔滤波器后所测得的传导电磁干扰共模噪声。

以上附图中：1、基板；2、火线插孔；3、中线插孔；4、地线插孔；5、第一火线插孔排；6、第二火线插孔排；7、第一电感；8、第一中线插孔排；9、第二中线插孔排；10、地线插孔排；11、第二电感。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本实用新型作进一步描述：

实施例：一种用于抑制传导电磁干扰的共模滤波器，

包括：基板1，该基板1上设有至少六个火线插孔2、至少六个中线插孔3、至少三个地线插孔4；

由至少三个火线插孔2通过导线串联组成第一火线插孔排5，该第一火线插孔排5电网侧一个火线插孔作为电网火线连接端子；

由至少三个火线插孔通过导线串联组成第二火线插孔排6，该第二火线插孔排6负载侧一个火线插孔作为负载火线连接端子；

第一电感7设置在第一火线插孔排负载侧的火线插孔与第二火线插孔排电网侧的火线插孔之间；

由至少三个中线插孔通过导线串联组成第一中线插孔排8，该第一中线插孔排8电网侧一个中线插孔作为电网中线连接端子；

由至少三个中线插孔通过导线串联组成第二中线插孔排9，该第二中线插孔排9负载侧一个中线插孔作为负载中线连接端子；

第二电感11设置在第一中线插孔排8负载侧的火线插孔与第二中线插孔排9电网侧的火线插孔之间；

至少三个地线插孔通过导线串联组成地线插孔排10；第一电容C₁₁位于该地线插孔排电网侧一个地线插孔与第一火线插孔排5电网侧一个火线插孔之间，第二电容C₁₂位于该地线插孔排10负载侧一个地线插孔与第二火线插孔排6负载侧一个火线插孔之间；第三电容C₂₁位于该地线插孔排10中间一个地线插孔与第一中线插孔排8中间一个中线插孔之间，第四电容C₂₂位于该地线插孔排10中间一个地线插孔与第二中线插孔排9负载侧一个中线插孔之间。

本实施例上述内容具体解释如下。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括共模滤波器和差模滤波器主体设计部分和可插拔电路结构的设计。

1、对于滤波器主体设计部分：在传导电磁干扰试验测试系统中，将被测设备通过线性阻抗稳定网络与电源相连。同时，将线性阻抗稳定网络的射频输出端与噪声分离网络的输入端相连，然后，将噪声分离网络的共模输出端与频谱分析仪相连，差模输出端采用50Ω负载阻抗进行匹配，以获得被测设备的传导电磁干扰共模噪声；将噪声分离器的差模输出端与频谱分析仪相连，共模输出端采用50Ω的负载阻抗进行匹配，可以获得被测设备的传导电磁干扰差模噪声。

2、对于频谱仪获得的共模噪声进行分析，如被测设备的共模传导电磁干扰噪声超标，则应按照共模滤波器的方法进行设计，此时，线性阻抗稳定网络中用于提取传导共模噪声的提取电阻的阻抗为25Ω，测量该被测设备的共模传导电磁干扰噪声源的内阻抗(Z_CM)和噪声源(U_CM)的大小。按照阻抗最大不匹配原则以及最大衰减原则，选择合适的元器件组成共模滤波器，使得U_CM所具有的能量最大程度地消耗在设计的共模滤波器上，从而使得流经25Ω提取阻抗上的共模噪声可以达到标准要求。

3、对于频谱仪获得的差模噪声进行分析，如被测设备的差模传导电磁干扰噪声超标，则应按照差模滤波器的方法进行设计，此时，线性阻抗稳定网络中用于提取传导共模噪声的提取电阻的阻抗为100Ω，测量该被测设备的差模传导电磁干扰噪声源的内阻抗(Z_DM)和噪声源(U_DM)的大小。按照阻抗最大不匹配原则以及最大衰减原则，选择合适的元器件组成共模滤波器，使得U_DM所具有的能量最大程度地消耗在设计的差模滤波器上，从而使得流经100Ω提取阻抗上的共模噪声可以达到标准要求。

4、对于元器件优化设计部分，根据电容优先原则，首先确定电容元器件参数，考虑到电容元器件寄生参数的影响，将计算得到的电容值采用多个电容并联以达到计算电容值的大小，从而减小由于一个大电容所产生的电容寄生参数的影响。

5、对可插拔电路结构部分根据火线、中线、地线的三根线结构分别设计出一块有着三排有可插拔元件的插孔的电路板结构。代表地线的那一排插孔均由导线在电路板内部相连，而代表火线和中线的那两排插孔中，分别都有两个插孔相互不连接，并且这两排的插孔位置相同，方便设计共模滤波器时共模扼流圈的放置。

主要结构示意图如图1所示，本实用新型可插拔滤波器的外观为长方形，根据共模滤波器和差模滤波器的电路原理图连接而成的可插拔共模滤波器和差模滤波器如图2和图3所示。其中，可插拔共模滤波器的电容元器件部分为四个滤波电容并联而成，电感部分为一个共模扼流圈。可插拔差模滤波器则为两个滤波电容并联而成。

实施例中必须使用的其他设备包括，三相12/8结构的DC-DC开关磁阻电机一台，直流24V的蓄电池一组，控制与驱动电路一台，线性阻抗稳定网络(LISN)一台，传导电磁干扰噪声分离网络一台，频谱分析仪(噪声接受设备)一台，50Ω匹配阻抗若干，导线、射频传输线缆若干。

首先，在开关磁阻电机没有加载滤波器时，测试该设备的传导电磁干扰噪声，其实验装置连线图如图4所示。将开关磁阻电机系统(包括开关磁阻电机、蓄电池和控制与驱动电路)通过线性阻抗稳定网络与电网相连，线性阻抗稳定网络的射频输出端与传导电磁干扰分离网络的输入端相连，利用50Ω匹配阻抗匹配分离网络的差模输出端，分离网络的共模输出端与频谱分析仪相连，以获得该开关磁阻电机的共模传导电磁干扰噪声；然后，利用50Ω匹配阻抗匹配分离网络的共模输出端，分离器的差模输出端与频谱分析仪相连，以获得该开关磁阻电机的差模传导电磁干扰噪声。

分析频谱仪获得的共模噪声和差模噪声，并于GB9254所规定的标准相比较，可以看出其超标点的频率、幅值和各个模态所占超标点成分的大小，如图5所示。

为了确定本实用新型可插拔滤波器参数的大小，可通过内阻抗测定的方法确定噪声源内阻抗的大小，根据阻抗最大不匹配原则，选择合适的滤波器元器件参数，使得噪声源内阻抗与线性阻抗稳定网络中提取阻抗之间达到最大不匹配，从而使得噪声源U_CM，U_D4的能量可以最大程度地消耗在所设计的滤波器上。

共模滤波器主要由一个共模扼流圈和四个滤波电容所组成。其中，共模扼流圈接在火线与中线之间，当共模噪声电流流经共模扼流圈时，由于扼流圈中互感的作用，从而导致共模噪声电流相互抵消，以达到抑制共模噪声的作用；而其中两个电容则是连接在火线与地线之间，另外两个电容连接在中线与地线之间，利用电容的“通高频”的特性，使得共模噪声电流与地之间短路，从而达到抑制共模噪声的目的。差模滤波器主要由两个滤波电容所组成，两个滤波电容均连接在火线与中线之间，达到抑制差模噪声的目的。将设计好的滤波器接入开关磁阻电机系统中，再次测量电路中的共模噪声、差模噪声如图6所示。

对比加入本实用新型可插拔滤波器前后测量结果可以发现，在传导噪声规定的10KHz～30MHz的测量范围内，加入滤波器前共模噪声和差模噪声最高值均达到90dBuV，并且在整个频段内都会出现，该噪声严重超过FCC规定的A类标准值。而加入本实用新型可插拔滤波器后，共模噪声和差模噪声值均有大幅度的下降，其平均值降到不到60dBuV附近，而在低频段的频谱值虽然较高，但其大部分是直流分量的频谱，对于电路的正常工作没有影响。因此传导电磁干扰噪声得到明显抑制并且满足FCC标准。

上述实施例只为说明本实用新型的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本实用新型的内容并据以实施，并不能以此限制本实用新型的保护范围。凡根据本实用新型精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种用于抑制传导电磁干扰的共模滤波器，其特征在于：包括：

基板(1)，该基板(1)上设有至少六个火线插孔(2)、至少六个中线插孔(3)、至少三个地线插孔(4)；

由至少三个火线插孔(2)通过导线串联组成第一火线插孔排(5)，该第一火线插孔排(5)电网侧一个火线插孔作为电网火线连接端子；

由至少三个火线插孔通过导线串联组成第二火线插孔排(6)，该第二火线插孔排(6)负载侧一个火线插孔作为负载火线连接端子；

第一电感(7)设置在第一火线插孔排负载侧的火线插孔与第二火线插孔排电网侧的火线插孔之间；

由至少三个中线插孔通过导线串联组成第一中线插孔排(8)，该第一中线插孔排(8)电网侧一个中线插孔作为电网中线连接端子；

由至少三个中线插孔通过导线串联组成第二中线插孔排(9)，该第二中线插孔排(9)负载侧一个中线插孔作为负载中线连接端子；

第二电感(11)设置在第一中线插孔排(8)负载侧的火线插孔与第二中线插孔排(9)电网侧的火线插孔之间；

至少三个地线插孔通过导线串联组成地线插孔排(10)；第一电容(C₁₁)位于该地线插孔排电网侧一个地线插孔与第一火线插孔排(5)电网侧一个火线插孔之间，第二电容(C₁₂)位于该地线插孔排(10)负载侧一个地线插孔与第二火线插孔排(6)负载侧一个火线插孔之间；第三电容(C₂₁)位于该地线插孔排(10)中间一个地线插孔与第一中线插孔排(8)中间一个中线插孔之间，第四电容(C₂₂)位于该地线插孔排(10)中间一个地线插孔与第二中线插孔排(9)负载侧一个中线插孔之间。

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