用于三相负载的电磁线路滤波器

符合法规要求的线路滤波器

电磁合规性（或EMC）是指为确保电子设备不会相互产生不利影响而制定的规则和法规。这种相互作用可能是由于不必要的电磁波辐射或通过公共电源线上的噪声。后者 - 称为传导发射 - 对于所有由交流电源供电的电器都起着重要作用。

为了确保交流供电的设备和平共处，EMC要求两种噪声不会反馈到电源线中：差分和共模。差分噪声在电源相位本身之间表示，而共模噪声在所有电源相位上相对于接地相同。每种类型的噪声都可以通过特定的低通滤波器设计来抑制。通过正确设计这些滤波器并级联它们，可以将传导噪声抑制到不会干扰任何上游设备的水平。

下图显示了单相EMC滤波器设计示例，其中左侧LCx滤波器消除差分噪声，右侧LCy滤波器处理共模噪声。

图1 - 用于单相EMC的两级线路滤波器

根据负载设备的特性（例如，带有高速SiC FET的开关电源或简单的交流电机），正确选择滤波器组件对于满足EMC要求至关重要。

三阶段的挑战

大功率工业设备通常需要比单相交流电源所能提供的更多的功率。因此，它通常由三相交流电源供电。示例包括大型工业机器人、电机驱动器和大型医疗设备，如 MRI 扫描仪。就像他们的单相设备一样，三相设备需要滤波以符合电磁兼容性，但需要应对额外的通道。这种额外的通道以及与此类设备相关的更高电流负载使三相滤波器设计成倍复杂。下图显示了代表性的原理图。

图2 - 三相线路滤波器原理图

共模噪声仍使用Cy电容进行滤波，而差分噪声则由专用Cx电容和公共磁芯上的复数三绕组电感在每个相位组合上滤除。即使只有一个额外的相，元件数量也是单相解决方案的三倍。在优化空间和成本的同时实现高质量滤波是一项非常艰巨的挑战。

线路滤波器要求

根据负载设备的电气特性，必须根据某些性能规格指定线路滤波器才能正确实现EMC。输入电压和平均/峰值负载电流是开始定义滤波器结构的两个基本特性。次要要求通常包括峰值耐受电压、绝缘电阻和漏电流。最后，必须考虑环境和物理约束，包括工作温度范围、物理形状和重量。KEMET 的线路滤波器规格示例GTX 三相滤波器如下表所示。

表1 - 线路滤波器规格表

滤波器供应商通常会提供将三个单独的线路滤波器集成到单个外壳中的单元，作为三相滤波器，以提供节省空间的解决方案。这些设计可以完全定制，也可以是现成的配置。例如，许多供应商为特定滤波器提供多种选择，包括选择单个电容器值。

空间优化线路滤波器

物理尺寸是线路滤波器选择的最重要考虑因素之一。它直接影响最终产品的外形尺寸，在某些应用中，可能会对性能产生不利影响。决定滤波器尺寸的主要元件之一是共模和差分扼流圈的电感磁芯。可以使用多种芯材，但最新的技术进步利用了纳米晶体非晶金属。这些核心是通过快速冷却熔融金属，然后对其进行热处理以产生非常小的晶体颗粒而产生的。结果是磁芯具有更高的饱和磁通密度和磁导率以及出色的温度特性。因此，与传统技术相比，内核的尺寸和重量可以减小，以获得相同的整体性能。下图显示了一个示例，其中显示了纳米晶体扼流圈与两个标准扼流圈相比的频率衰减。

图3 - 标准（黑色）与纳米晶体（绿色）共模扼流圈

纳米晶电感器技术使 KEMET 能够生产 GTX 三相系列 24 个现成的三相滤波器，为电源设计人员提供广泛的节省空间选项。GTX 三相系列提供额定电流或 30、40、50 和 60 A。每个额定电流进一步分为 6 个 Y 电容器组合。与相同性能的传统滤波器相比，GTX三相系列体积缩小68%，重量减轻28%。每种电容器选项的衰减特性如下图所示。

图 4 – 6 种不同电容器选项的 GTX 三相衰减特性

结论

交流线路滤波器是衰减共模和差模噪声的要求。虽然原则上很简单，但它们不容易设计，通常需要专家的投入。此外，在三相电源应用中，设计复杂性急剧增加。通常，适当的过滤性能会导致较大的物理卷。

纳米晶芯技术减轻扼流圈组件的尺寸限制 KEMET 的 GTX 三相系列结合了三相集成和纳米晶技术，可在小尺寸内提供所需的频率响应。这种方法克服了将设计人员推向定制解决方案的限制，从而有助于简化和加速他们的项目。

审核编辑：郭婷