电力电子装置中吸收滤波器特性分析

摘 要 吸收式滤波器，俗称“磁珠”，通常采用铁氧体磁环绕有一定匝数线圈构成，经常将其套在电路连接线上，用于抑制电磁干扰及其影响。由于这种滤波方式简单实用，并具有良好的滤波特性，经常在一些电子线路中被采用。例如，用在电力电子驱动控制信号产生单元的电源输入端，抑制由电源输入的干扰对于驱动控制信号的影响；用在电力电子电路的开关元件连接线输出端，可以抑制开关噪声对外部的干扰等等。 吸收滤波器，是低通滤波器的一种，主要应用RF电路，PLL，振荡电路，含超高频存储器电路（DDR SDRAM，RAMBUS等），主要作用是将干扰信号，尤其是高频干扰信号的电磁能量转化为热能，消耗掉，进而达到滤波效果的电子装置。本毕业设计的主要任务与目的是：针对“磁珠”式吸收滤波器，在分析工作原理的基础上，建立仿真模型，仿真研究不同工况、不同铁芯材料的滤波效果及特性，为实际工程中正确选用与设计提供参考。 关键词：吸收式滤波器，磁珠，仿真 课题背景 通常设备对外连接的电源只有一种电压。但大部分设备的内部电路都需要不同的工作电压，因此需要将这个单一的电压转换为电力需要的不同工作电压。现在采用最多的就是利用开关电源，将电源电压转换为工作电压。 在目前的电源转换中，应用最多的是降压型DC/DC转换器。为提高转换效率，减小体积重量，以MAX系列电路为代表的产品，包括单片、双极性、开关型脉宽调制DC/DC转换器都有较好的动态特性和暂态响应特性。它们按照工作周期进行电流限制，防止过流故障和输出短路故障的发生。此外，它们的输入范围很宽，有较好的电压适应性，经过不同的分压比后产生不同的输出电压。 开关电源的工作原理如下：开关电源的输出电压经电感电容滤波后，采样电路对其进行采样，将采样电压送入开关电源的反馈管脚，与开关电源内部的基准电压进行比较；比较器的输出电压控制脉冲宽度调制逻辑电路；最后，脉冲宽度调制逻辑电路输出电压驱动开关三极管，并决定开关电源的输出。 由开关电源的工作原理可知，开关电源产生电磁干扰信号的原因主要有以下两种： 1．开关电源外围电路产生的电磁干扰 开关电源的输出端连接滤波电路和负载，为使输出电压的交流成分很小，一般用大容量的电感和电容对输出电压进行滤波，为负载提供工作电压。 滤波电容上的电压是不断变化的：在电压小于基准值时，开关电源的采样电压变小，开关电源闭合，对电容进行充电；当电容上的电压大于基准值时，采样电压变大，开关电路断开，电容放电。在不断的充电、放电过程中，电容两端的电压在不断变化，电源负载上的电压也在不断变化。 当开关电源的负载不变化时，电容两端的电压按一定周期变化。根据傅立叶变换，电容两端只产生与频率有关的信号及其多次谐波的信号。由于系统的工作状态不断变化，开关电源的负载也在不断变化。此时，电容的充放电周期会发生变化，电容两端会产生与频率相关的信号及其多次谐波的信号。这样，使开关电源的输出端频谱变得更加复杂，同时开关电源对设备的干扰也变得更强。 2．开关电源内部电路产生的电磁干扰 在开关电源的内部有一个产生100kHz频率的晶振。当开关电源导通时，振荡信号通过整流器后变成单向脉冲，此时电流已不再是单一频率的电流。根据傅立叶变换公式，此电流波可分解为一个直流分量和一系列不同频率的交流分量之和。开关电源内部电路产生的交流分量和开关电源外部电路产生的交流分量相结合，使开关电源输出频率成分更加复杂。 随着开关电源的备受青睐和对电子产品电磁兼容性(EMC)的日益重视，抑制开关电源的电磁干扰、提高电子产品的质量以符合有关电磁兼容性标准或产品规范，已成为电子产品特别是电源设计工程师必须考虑的问题。 开关电源作为能量的转换装置，其电压、电流的的变化范围很宽，产生的干扰强度也很大，同时开关电源产生的频率范围非常宽，从几十kHZ到上百MHZ。因此，如果对开关电源应用不当，开关电源本身就会变成一个干扰源。下面讨论开关电源的传导干扰和辐射干扰的抑制方法。 1.1 EMI电磁干扰的抑制技术发展现状 1．传导干扰的抑制方法 开关电源产生的电磁干扰以传导为主，而传导干扰又分为差模干扰和共模干扰两种：差模干扰是指存在于相线和中线之间的干扰信号，共模干扰是指各相线和中线和地之间的干扰信号。 解决开关电源的传导干扰可从三方面入手。第一，查找开关电源的干扰源，抑制干扰源产生的干扰频率；第二，找出干扰源和受干扰电路，切断干扰信号的传播途径；第三，找到受干扰电路，增强其抗干扰能力。在解决开关电源的电磁干扰问题时，可以综合运用上述三种方法，达到解决电磁干扰的目的。 抑制开关电源电磁干扰信号的措施有多种，除了正确选择半导体器件外，对开关电源电路采取屏蔽、滤波、接地的方法是行之有效的常用方法。任何电源线上的干扰信号，均可用差模信号和共模信号来表示。一般情况下，差模干扰幅度小、频率低、导致的干扰较小；共模干扰幅度大、频率高，还可以通过导线产生辐射，造成的干扰较大。因此，要削弱传导干扰，并将EMI信号控制在有关EMC标准规定的极限电平以下，最有效的方法就是在开关电源输入和输出电路中加装滤波器。 根据实测得知，开关电源的主频谱在100kHz～500kHz，很多EMC标准规定的传导干扰电平的极限值都是从10kHz算起。对开关电源产生的高频段干扰信号，只要选择适当的去耦电路或网络结构较为简单的滤波器，就能得到满意的效果。 在实际应用中，为有效抑制各种干扰信号，必须根据滤波器两端将要连接的干扰信号源阻抗和负载阻抗来选择该滤波器的网络结构和参数。电源的滤波电路模式确定后，再根据电源输出端阻抗和输出端电压纹波大小，确定输出端电容电感的充放电时间以及滤波电路的具体参数。输入端电容和电感不仅可用来滤除输入端电压的杂波，同时还能滤除、隔离输出端电压变化及开关电源内部振荡信号耦合到输入端的干扰。 开关电源产生的各种频率及其谐波(特别是高次谐波)会沿着电源线路进行传输、产生传导干扰和辐射干扰，一方面使电源输入、输出端电源线上的电压、电流波形发生畸变，另一方面产生的各种信号通过电源线产生射频干扰。 2．对辐射干扰的抑制 电磁辐射干扰也是通过电磁感应的方式，由带电体、电流回路及磁感应回路对外产生电磁辐射的。任何一根导体都可以看成是一根电磁感应天线，任何一个电流回路都可以看成是一个环形天线，电感线圈和滤波电容也是电磁感应辐射的重要器件。 在电路中，要完全抑制电磁干扰是不可能的，只能尽量减小电磁辐射。一般采用的抑制措施包括： (1)合理设计电路，或者采取部分屏蔽措施，可大大减轻电磁干扰的辐射 (2)尽量缩短电路引线的长度并减小电流回路的面积，是减小电磁辐射的有效方法 (3)正确使用储能滤波电容，并尽量将储能滤波电容安装在有源器件电源引线的两端 (4)每个有源器件独立供电，或单独用一个储能滤波电容供电，防止有源器件通过电源线和地线产生串扰 (5)把电源引线的地和信号源的地严格分开，或对信号引线采取双线并行对中交叉的方法，让干扰信号互相抵消，也是一种减小电磁辐射的有效方法 (6)敏感器件采用金属外壳是最好的屏蔽电磁干扰方法。 3．抑制电源电磁干扰的其它措施 在电源单元设计时，不仅要增加滤波、降低辐射干扰，还应在器件选择、结构设计、装配工艺等方面进行考虑。 滤波器必须良好屏蔽，输入滤波器应装在输入端，输出滤波器应装在输出端，并远离内部电磁辐射很强的电感器、功率开关等。滤波电路应选用高频特性好的电容器，滤波储能线圈的铁心最好采用罐型或环形，以最大程度地降低电磁场的泄漏。滤波器的输入、输出线不能交叉，一般选用低通滤波器。它具有功率大、有效抑制带宽高、体积小的特点。 1.3 论文结构 本论文主要对电力电子装置中吸收滤波器特性进行分析。 本论文第一章为引言，第二章磁珠式吸收滤波器工作原理及其优缺点。第三章建立“磁珠”式吸收滤波器仿真模型，仿真研究不同工况、不同铁芯材料的滤波效果及特性。第四章针对一种典型电力电子变换电路，进行不带与带有“磁珠”式吸收滤波器的仿真对比。