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有源EMI滤波器的工作原理,有源EMI滤波技术对比分析

2020年11月13日 14:52 次阅读

本文介绍了有源EMI滤波器的工作原理,并对现有的有源EMI滤波技术进行了分析对比,结合具体样例,总结了各方案的优缺点,最后对有源EMI滤波器的设计难点和发展方向进行了说明。目前有源EMI滤波器的成本和稳定性问题,是限制其推广应用的主要原因。

随着电子信息产业的发展,以及各种新型用电设备的普及,如何给这些设备提供稳定、安全高效、干净的电能变得越来越重要。开关功率变换器由于重量小、体积轻、效率高,性能稳定等优点在电源中得到快速发展和广泛应用,但其高频开、关工作特性,会产生大量的电磁干扰(ElectromagneTIcinterference,EMI),严重污染周围电磁环境和电源系统,这不仅会使变换电路自身的可靠性降低,而且使电网及邻近设备运行质量受到影响。

EMI滤波技术是抑制传导电磁干扰最主要也是最有效的手段之一。目前,滤波器主要分为两类,即无源滤波器和有源滤波器。无源滤波器大多由分立的共模电感、差模电感和Cx,Cy电容等构成,设计相对简单,技术成熟、维护方便,但为了改善低频段的滤波效果,往往需要增大电感和电容,所以体积、重量和损耗等都比较大[1]。

除此之外,无源元件的寄生参数对高频段的滤波效果也有很大影响。有源滤波器因为采用有源消去技术,多采用半导体器件和电子电路[2],不需要靠增大电感和电容值来提高滤波效果,因此体积和重量都比较小。

当今开关功率变换器的发展趋势正日益高频化、小型化、高功率密度化,无源滤波器的体积和重量等缺点制约了其发展,因此,有必要开展对有源滤波器的进一步研究,以满足日益对EMI滤波器的更高要求。

本文介绍了有源滤波器工作原理,并对现有的有源EMI滤波技术进行了分析对比,总结了各方案的优缺点,最后,对有源EMI滤波器的设计难点和发展方向进行了说明。

1、有源滤波器的工作原理

有源滤波技术根据应用场合可以分为有源EMI滤波器(AcTIveelectromagneTIcfilter,AEF)和有源电力滤波器(AcTIvepowerfilter,APF)。AEF的工作原理是通过注入一个与原噪声电流大小相等,方向相反的补偿信号,以此来达到消去电路中的噪声电流的目的[3]。

APF的工作原理和AEF的相似,只是要消去的是电网中的谐波和无功电流。二者工作原理虽然类似,但是在工作频段、功率等级、受控源的实现方式上有很大不同[4]。

传导噪声可以分为共模(Commonmode,CM)噪声和差模(Differentialmode,DM)噪声,一般情况下,有源共模或者差模EMI滤波器是分开设计的,单个有源EMI滤波器的输出补偿都是有针对性的消除共模或者差模噪声信号,剩下的另外一种传导噪声是通过无源滤波器或者另一级有源EMI滤波器进行消除。

这里以一种基于电流采样,电流补偿的反馈型有源共模EMI滤波器为例进行工作原理分析,结构如图1所示。通过检测电源侧噪声电流is,反馈网络输出补偿电流ic,即电源侧噪声得到了抑制,其中in为噪声源侧噪声电流。

图1有源共模EMI滤波器结构

2、有源EMI滤波器的分类

有源EMI滤波器根据电路组成和结构的不同,可以从采样和补偿方式;采样和补偿位置;控制方案等方面进行分类。

2.1基于采样和补偿方式的分类

根据采样和补偿方式的不同,有源EMI滤波器可以分为:(a)电流采样电压补偿;(b)电流采样电流补偿;(c)电压采样电流补偿;(d)电压采样电压补偿四种类型[5],其拓扑结构如图2所示,其中Zs代表LISN网络的阻抗,in代表噪声电流,Zn代表噪声源的内阻抗。

图2有源EMI滤波器的四种拓扑结构

对于EMI滤波器,一般使用插入损耗(InsertionLoss,IL)来衡量其衰减性能。其定义为:

其中Vs0代表无滤波器时噪声源在负载侧建立的电压,Vs代表有滤波器时噪声源在负载侧建立的电压。

所以根据插入损耗的定义可以推导图2所示四种拓扑结构的插入损耗及最大插入损耗条件如表1所示,其中A为补偿网络的放大倍数。

表1四种AEF拓扑结构的插入损耗

电流采样方式,大多使用电流互感器(CurrentTransform,CT)。用CT采样的方式简单直观,通过改变绕组结构,还可以方便地分离共模噪声电流和差模噪声电流,但是对CT的设计要求比较高,其分布参数和高频寄生参数是限制采样带宽的重要因素。

而且,CT采样的下限截止频率和副边绕组匝数有关,为了保证采样带宽,副边绕组匝数不能太低,但是在主电路功率电流很大情况下,CT原边的线径较粗,考虑到体积的问题,又会限制原边绕组的匝数,这会使得在反馈型有源滤波器的设计中,难以在采样环节获得较高增益,从而加大了对于运放环节的放大倍数要求,影响高频滤波效果。

除此之外,对于低频AC输入的情况,因为差模噪声流动方向和主电路功率电流方向一致,而主电路功率电流一般比较大,频率又很低,容易引起磁芯饱和,因此在检测差模噪声信号时,CT的设计难度更大。

电压采样方式虽然省去了CT的设计过程,但是由于在实际电路中没有LISN网络,无法直接从LISN的两个50Ω电阻上引出电压进行处理,因此相比于CT采样而言比较繁琐,一般需要先增加一个电路网络,用来提取出输入线上的总噪声电压,再配合变压器进行处理,以此来分离差共模噪声,类似于图3所示结构。

该采样方式,一方面比较难保证在增加的电路网络上所检测噪声的准确性,另外一方面,仍然不可避免的需要考虑变压器杂散参数等因素的影响。

不论是电压补偿还是电流补偿方式,都有一定的适用范围和优缺点。分别比较了同样采样方式下,不同补偿方案对噪声抑制效果的影响,通过理论分析和实验验证得出结论:电流补偿方式更适用于消除噪声源高阻抗共模噪声,电压补偿方式有助于消除噪声源低阻抗差模噪声。

同时该文献还提出了一种检测差模噪声信号的方案,即提供一个类似于LISN的网络,通过检测该网络两端电阻上的电压,进行处理,得到差模噪声信号。其电路拓扑如图3所示。

在实际应用中,由于采样网络R1,R2,C1,C2寄生参数,公差等因素的影响,很难保证在频段150k~30MHz内,在增加的这个网络上所检测并处理的噪声即是LISN端测得的实际的差模噪声。

图3基于电压补偿的有源差模EMI滤波器方案

文献[7]提出了一种基于电压采样电流补偿的有源共模EMI滤波器方案,如图4所示,通过给噪声电流提供一个低阻抗回路,人为引导共模噪声的流通路径,达到抑制共模干扰的目的。

该滤波器性能和补偿电路的放大倍数有关,受运放增益和系统稳定性的限制,其高频性能不理想,同时该方案只是切断了其中一条路径上的共模电流,通过散热器对地电容回路的共模电流路径并没有切断,而且往往该回路是主要共模噪声回路。

图4基于电压采样电流补偿的有源共模EMI滤波器方案

2.2基于采样和补偿位置的分类

根据采样和补偿位置的不同,AEF可以分为前馈型和反馈型两种结构[8-10],如图5所示。由电路结构可以看出,前馈型AEF需要有稳定的单位增益,对增益的精度和相位要求比较高,由于磁件的非线性以及有源元件的不确定性,比较难以在一个较宽频段范围内保证滤波效果。

反馈型AEF,由于采样端靠近噪声负载侧,为了达到最优补偿效果,理论上其反馈增益G(s)需要无穷大,在实际应用中,只需保证增益尽量大即可,相比于前馈型AEF而言,对增益精度的要求比较低,但是增益太大,又容易造成系统的振荡,所以为了保证系统的稳定性,设计时需要在反馈增益上进行一定的程度的妥协。

图5基于不同采样和补偿位置的有源共模EMI滤波器方案

提出了一种前馈型有源EMI滤波器方案如图6所示,该滤波器采用了电压采样电压补偿的方式,实现了补偿端和主电路的隔离。同时,采用前馈型方式,不需要像反馈型AEF一样,通过增大共模变压器绕组匝比进一步提高补偿增益,从而增强滤波效果,减小了变压器高频寄生参数对滤波性能的影响。

图6前馈型有源共模EMI滤波器方案

2.3基于控制方式的分类

根据控制方式的不同,AEF可以分为模拟控制AEF和数字控制AEF。模拟控制AEF一般采用高速运放作为中间级,控制相对简单,但受补偿响应速度、增益带宽的限制,在抑制高频和强噪声电流方面的能力不足[12][13]。

数字控制AEF可以通过调整控制方案,弥补系统补偿滞后的不利影响,具有动态特性较好的优点,但是数字AEF,对于采样、数字控制芯片、优化算法的要求都比较高,成本较大,设计过程相对复杂[14]。

提出了一种数字控制AEF方案如图7所示,通过分析三相PWM逆变器的共模电压特点,构建了由一个单相逆变器和一个五绕组变压器组成的有源EMI滤波器,通过控制单相逆变器产生与共模电压大小相等,方向相反的补偿信号,利用五绕组变压器叠加到电机端中,来抑制电路中的共模噪声。该方案增加了桥臂,成本比较高,同时IGBT直接并联在直流母线两端,不适用于高电压场合。

图7数字有源共模EMI滤波器方案

2.4混合型EMI滤波器

无源滤波器结构简单,高频性能较好,如果要降低截止频率,则元件体积和重量都要加大。而有源滤波器低频性能好,高频性能较差,因此采用有源加无源的混合型EMI滤波器方式,能够综合两者优点,在保证滤波效果的前提下,减小滤波器的体积和重量,便于集成,更适应当前开关电源的发展趋势。

混合型EMI滤波器的结构一般如图8所示,噪声首先经过无源滤波器将高频噪声信号衰减,再由有源EMI滤波器将低频噪声信号消除。这种方式,不仅避免了有源滤波器直接处理高频噪声信号,影响补偿效果,同时,无源滤波器部分主要抑制的是高频噪声,因此体积和重量可以进一步减小。

图8混合型有源EMI滤波器结构

提出了一种混合型EMI共模滤波器方案,如图9所示。该滤波器由一个反馈型有源EMI滤波器串联一个共模电感组成。同时通过分析其简化等效电路,如图10所示,可以推得:一方面,有源滤波电路可以放大共模电感和噪声源阻抗,增大整个滤波器的总等效阻抗,进一步增强滤波效果;另一方面,无源和有源滤波器的相对位置对于滤波效果也有影响。

图9混合型有源EMI滤波器方案

图10等效电路

3、有源滤波器的设计难点和发展方向

3.1AEF的设计难点

影响有源滤波器性能的因素比较多,因此,相对于无源滤波器而言,有源滤波器的设计比较复杂。

(1)稳定性与补偿效果的预测和设计。有源滤波器因为采用有源消去技术,是通过注入补偿信号来抑制噪声的,这意味着如果设计不当,或者工作不稳定,反而可能会增加电路中的噪声。因此如何保证有源滤波器工作的稳定性和可靠性,是滤波器的设计重点,也是设计难点。

影响有源滤波器稳定性和补偿效果的影响因素很多,比如:噪声源内阻抗,补偿电路的放大倍数和响应速度,磁件的高频寄生参数,控制方案,与之组合的无源滤波器结构和取值等,也正是因为这些因素的影响,理论上具有通用性的滤波器,工作在不同的电子设备,或者工作在不同的操作条件时,可能无法达到理想的滤波效果。

(2)仿真模型的建立。仿真是辅助工程师进行电路设计的一个重要手段,这会大大缩短设计和调试电路的时间,尤其是对于有源滤波器而言,仿真对其稳定性和补偿效果的理论研究和设计具有很大的帮助。因此,如何建立高频仿真模型,辅助分析和设计,是有源滤波器研究的另外一个难点和热点,这点在电路结构复杂的设备中,尤其明显。

(3)噪声源阻抗的测量。通过表1所示各种拓扑结构最大插入损耗条件可知,噪声源阻抗对于滤波器的性能有影响。而现有的测量噪声源传导干扰等效内阻抗的方法,操作繁琐复杂,这给有源滤波器的设计和仿真增加了难度。

3.2有源EMI滤波技术的发展方向

国内外对于有源EMI滤波器已经做了大量的研究,但是受限于其成本和稳定性的限制,一直没有进行大范围的推广和应用。有源滤波器成本的降低,一是可以靠材料工艺水平的发展,从而降低器件本身的成本,二是通过合理的优化设计,尽量发挥器件的功能,从而增加器件的性价比,降低成本。

另一方面,由于元件的高频寄生参数,补偿响应速度,以及运放增益带宽积等因素的限制,有源EMI滤波器在高频段的性能往往不佳,因此在未来一段时间内,有源和无源结合的混合型滤波器仍将是主流选择。

除此之外,虽然当前数字控制型有源滤波器因为成本和设计复杂的问题应用较少,但是数字控制型AEF也有着模拟控制型AEF所没有的优点,例如调试便捷,可通过控制方案减小补偿滞后带来的问题等优点,因此数字控制型AEF,有很大的潜力可以挖掘。

4结论

近年来,开关功率变换器以及其他电力电子设备正朝着高频化,小型化,高功率密度化的方向发展,同时随着无人驾驶技术,电动汽车,以及其他精密电子产品的普及和应用,为了保证这些技术和产品的可靠性,势必会对EMI滤波器提出更高的要求。

无源滤波器由于体积和重量的限制,不适应当前的发展趋势。有源滤波器因采用有源消去技术,具有体积小,便于集成,动态特性好的优点,受到了广泛关注,但受限于成本和稳定性的限制,其在工业产品中的应用还不够普遍。随着材料工艺的上升和成本的降低,以及对于有源EMI滤波器稳定性的更深刻认识和研究,有源EMI滤波器必将具有更广阔的应用前景。
责任编辑人:CC

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基于DLP-650S的主动PFC设计

ADI推出了专为低EMI场景设计的Silent ...

Silent Switcher降压型稳压器设计在高开关频率(>2 MHz)下提供高效率、超低电磁干扰....
发表于 2020-09-15 10:51 369次阅读
ADI推出了专为低EMI场景设计的Silent ...

如何减少降压电源转换器设计中的EMI

现代消费者比以往任何时候都更热衷于追求和接受新鲜技术。随着对智能手机、智能手表、平板电脑和可穿戴健身....
发表于 2020-09-14 15:30 351次阅读
如何减少降压电源转换器设计中的EMI

一文知道EMC/EMI及EMS的区别和联系

EMC包括EMI(interference)和EMS(susceptibility),也就是电磁干扰....
发表于 2020-09-11 09:56 348次阅读
一文知道EMC/EMI及EMS的区别和联系

PC电源接口正确连接的教程说明

PC电源的课堂文章,我们已经做过好几期的内容了,有涉及到电源PFC电路、EMI电路、模组接口、80P....
发表于 2020-09-06 12:17 226次阅读
PC电源接口正确连接的教程说明

为什么主动式PFC电源能够成为主流电源

 在上世纪80年代,主动式PFC电源刚刚步入主流的时候,商家们一度大肆宣传“主动式就是比被动式好”,....
发表于 2020-09-06 11:27 190次阅读
为什么主动式PFC电源能够成为主流电源

利用RTO数字示波器在时域和频域解决EMI问题

罗德与施瓦茨公司推出的RTO数字示波器可以帮助开发工程师进行电子设计时在时域和频域来分析EMI问题,....
发表于 2020-09-05 12:31 184次阅读
利用RTO数字示波器在时域和频域解决EMI问题

混合信号设计需要避免的两种情况

要深入探讨数字信号对模拟信号的干扰必须先了解高频电流的特性。高频电流总是选择阻抗最小(电感最低),直....
发表于 2020-09-04 18:02 180次阅读
混合信号设计需要避免的两种情况

Qorvo是如何布局5G射频 持续整合的自屏蔽模...

5G 使得通信行业迎来重大变革,通信频段数量从 4G 时代开始就处于快速增长的状态,其中射频前端作为....
发表于 2020-09-03 15:51 1463次阅读
Qorvo是如何布局5G射频 持续整合的自屏蔽模...

为低EMI场景设计的SilentSwitcher...

对于汽车、通信以及测试与测量设备等广大系统制造商来说,技术的发展带来了终端功能与性能的大幅提升,其根....
发表于 2020-08-31 15:18 271次阅读
为低EMI场景设计的SilentSwitcher...

如何获得符合EMI标准的电源

在电源中很容易找到作为寄生元件的100fF电容器。所以必须明白,只有处理好它们才能获得符合EMI标准....
发表于 2020-08-31 15:13 344次阅读
如何获得符合EMI标准的电源

电源产品的PCB设计需要面临什么样的挑战

目前在科技产品飞速发展的趋势下,电源产品的PCB设计面临着更大的挑战,主要包括电源转换效率、热分析、....
发表于 2020-08-29 17:18 328次阅读
电源产品的PCB设计需要面临什么样的挑战