空调电源EMI滤波器谐振分析及优化_龚飞黄.pdf

2023 1期空调电源 滤波器谐振分析及优化龚飞黄，陈磊，陈恒林（浙江大学电气工程学院，浙江 杭州 ）摘要：为解决滤波器的低频谐振问题，提高空调产品的电磁兼容性，分析了空调外机电源 滤波器谐振产生机理，提出滤波器优化方法。基于阻抗测量和曲线拟合提取了高频寄生参数，搭建了电源 滤波器全电路模型，并通过实验验证了模型的准确性。基于模型和谐振机理分析提出了滤波器谐振优化方法和差模插入损耗优化方法，经仿真和实验验证了优化方法的有效性。关键词：空调外机；电磁干扰；谐振分析；滤波器建模；滤波器优化中图分类号：，（，）：，：；收稿日期：作者简介：龚飞黄（），硕士研究生，从事电力电子、电磁兼容方面的研究工作；陈磊（），硕士研究生，从事电力电子、电磁兼容方面的研究工作；陈恒林（），副教授，博士生导师，从事电力电子、电磁兼容方面的研究工作。引言空调电磁干扰（）问题是空调开发要解决的重要问题。直流电机电磁干扰处理困难，导致电机开发、辅配进度缓慢，影响产品生产和正常工作。为了抑制电磁干扰，一种普遍使用的有效方法是使用电源 滤波器。空调电源 滤波器电路由电感和电容组成，在特定条件下会发生谐振。谐振不仅会使元件因实际工作条件超过额定条件而不能正常工作，如电容受到过电压被击穿、电感受到过电流发热，还会使电路阻抗在特定频段内变化，导致谐波增大，骚扰电压超标。为保障空调安全可靠运行，滤波器必须在抑制电机产生的电磁干扰的同时，避免因自身谐振产生干扰。为了分析滤波器产生谐振的原因，必须建立滤波器的模型。滤波器中关键元器件并不是理想器件，在 分析的高频范围内必须考虑其高频特性。在电源 滤波器建模方面，文献 对变频空调共模噪声进行了建模与分析，建立的模型可用于预测传导 发射水平和设计经济高效的 滤波器。文献 介绍了滤波器常用的磁性材料及其特性。对共模扼流圈的建模研究，通常将共模和差模等效模型分开考虑，分别提取其寄生参数。文献 对模型中的频变参数进行辨识提取，分析了元件的频变特性。对于安规电容和贴片磁珠，高频范围内由于引线电感等寄生参数的存在，不会呈现单一的电容和电感特性，因此需要考虑高频寄生参数。对于滤波器性能的优化，文献 提出了通过消除关键耦合来提高 滤波器性能的方法，并验证了该方法的有效性。针对一种变频挂机空调室外交流输入电源 滤波器，本文分析了低频谐振产生机理及谐振的影响因素；基于阻抗测量和曲线拟合提取关键元器件高频寄生参数，建立在 范围内的电源 滤波器全电路高频模型，并与实际测试结果对比，验证模型的准确性；基于模型和谐振分析提出滤波器的谐振优化和差模插入损耗优化方法，通过样机测试证明优化方法的有效性。电源 滤波器谐振分析电源 滤波器主要包括共模扼流圈、安规电容和理论研究电工技术中国电工网贴片磁珠，电路结构如图所示。图 1 电源 EMI 滤波器结构示意图CX1共模扼流圈CY1CY2CX2贴片磁珠变频挂机空调室外交流输入滤波电路在一些特定情况下产生的谐振会导致开关频率谐波基波或低次谐波增大，从而使电感电流较大而发热超标。从正常工况下测得的共模扼流圈的电压频谱中可确认 及其倍频的共模谐波簇和 及其倍频的差模谐波簇。由于共模电流很小，不足以提供发热所需的功率，因此主要关注差模 谐波簇。挂机外机前端电路包括电网、电源线缆、磁环、滤波器、回路等部分。为研究差模干扰下的共模扼流圈，将电网、电源线缆、磁环统一为负载等效阻抗和，回路考虑桥后电容与 电感，建立电源 滤波器低频谐振模型及谐振回路，如图所示。其中，外并联谐振导致扼流圈流过较大电流，谐振支路存在两个电感（两级），即存在两个谐振点；内并联谐振导致扼流圈被断路；串联谐振导致扼流圈被短路，扼流圈流经的电流即主电路的电流，不会产生过电流，因此串联谐振下的电流远小于并联谐振下的电流。RLLL外并联谐振内并联谐振串联谐振LdCX2CX1CPFC噪声源LPFCCY1CY2图 2 电源 EMI 滤波器谐振回路为便于观察电路谐振情况，将电阻阻值统一调为，共模扼流圈电流频率响应如图所示，其中有两个电流谐振峰。电流频率响应/dB806040200-20-40-60频率/Hz10k100k图 3 共模扼流圈电流频率响应对于外并联谐振的情况，谐振频率满足：（）（）根据式（）可得两个谐振频率与仿真结果吻合，因此可判断两个谐振点由并联谐振引起，其中差模干扰谐波是关键，因此后续分析建模主要关注滤波器的差模传输特性和谐波优化。滤波器高频阻抗模型 共模扼流圈高频模型共模扼流圈是 滤波器关键元件，其本质上是一个互感线圈，参数包括单侧电感和互感；电感本身的铜损，等效为与串联的电阻；由高频电流引发的磁损耗，等效为与并联的电阻；匝间电容和绕组间电容、。采用互感线圈模型建立共模扼流圈的等效电路，如图所示。P1P2CdRwLRoRoRwLMC1CdP3C2P4图 4 共模扼流圈高频等效模型通过阻抗测试提取模型的参数；通过开路端口测试、短路端口测试和螺旋测试获得差模参数；通过双端口测试和单端口测试获得共模参数。由各项测试中的感性阻抗峰值，计算得到磁损等效阻抗。选择短路端口测试分析大小对各频段波形的影响。采用试错法，对低频段和几个谐振频率点处应取的进行了测试，选用指数函数拟合，获得铜损与频率的关系式。由于谐振主要受差模回路影响，因此对共模扼流圈模型的差模传输特性进行仿真验证。仿真结果如图所示，与测试结果吻合，证明了模型的正确性和参数的准确性。频率/Hz100k1M10M100M0-10-20-30-40-50-60插入损耗/dB图 5 共模扼流圈差模传输特性曲线对比 电源滤波器全电路模型安规电容的寄生参数包括等效串联电感 和串联等效电阻 ，随频率微弱变化，可视作固定参数。贴片磁珠高频等效模型为频变电感与频变电阻的串联，频变电感电工技术理论研究2023 1期选择频率不取对数进行拟合，频变电阻选择频率取对数进行拟合。安规电容、共模扼流圈等元件的密集摆放，不可避免地会产生近场耦合。由于滤波器电流回路面积较小，近场耦合主要为磁场耦合，体现为各元件引线电感之间的互感，主要为电容引线间的互感，电容引线与扼流圈漏感间的互感，电容引线间的互感。综上所述，考虑耦合参数，建立的电源滤波器全电路高频模型如图所示。图 6 电源 EMI 滤波器全电路高频等效模型在软件中搭建电源 滤波器全电路等效模型，将仿真得到的滤波器差模插入损耗曲线，并与实测曲线对比以验证模型和参数的准确性。仿真和实测结果如图所示，曲线拟合较好。插入损耗/dB100k1M10M100M频率/Hz图 7 滤波器传输特性仿真和测试结果 电源 滤波器优化 谐振优化由式（）可知，谐振与负载等效阻抗、，滤波器参数、，漏感均有关联，因此分别研究各因素对谐振的影响。当改变负载电阻时，共模扼流圈电流频率响应如图所示。较小时，的增大会抑制谐振峰值，如图中灰色实线所示；较大时，支路对外不再呈现感性，谐振机理变化，出现新的谐振峰值，如黑色虚线所示。因此可通过合理控制阻尼来增加系统稳定性。频率/Hz电流频率响应/dB40200-20-4010k100k图 8 改变RL时共模扼流圈电流频率响应曲线电容对低频谐振的影响如图所示。增大使谐振频率降低，导致电感支路等效阻抗减小，而电感支路阻尼不变，因此谐振峰更容易受到阻尼衰减。较小时，存在两个谐振峰，如图（）中两条虚线所示；较大时，存在一个谐振峰，如图（）中三条实线所示。可适当选择使电路仅有一个谐振峰值，且峰值较低。图 9 X 电容改变时共模扼流圈电流频率响应曲线电流频率响应/dB频率/Hz10k100k20100-10-20-30-40电流频率响应/dB频率/Hz10k100k1M40200-20-40-60（a）改变 CX2（b）改变 CX1漏感增大时，谐振点的扼流圈阻抗增大，支路阻尼的效果变弱，谐振峰随之增加；但漏感本身较小时，谐振频率很高，谐振电流流经电容而非负载等效阻抗，因此支路阻尼的效果变弱，谐振峰很大，此时增加漏感反而会降低谐振峰。为此，适当选择较小的电容、较大的电容，并适当选择漏感使外并联谐振频率处于开关频率附近。改进前后扼流圈频率响应对比如图 所示。改进后，在 频率附近，电流有明显衰减，新峰值也明显低于原峰值，证明优化有效。图 10 改进前后共模扼流圈电流频率响应曲线 差模插入损耗优化通过研究扼流圈高频等效模型发现，扼流圈和电容存在近场耦合，这对滤波器的插入损耗有一定影响，因此可通过修正高频参数来优化滤波器差模插入损耗。电容与扼流圈绕组之间存在等效为互感的电磁耦合，如图（）所示。对于左侧电容，互感、共同增大回路磁通，体现为 增大，导致 电容自谐振点提前，差模插入损耗劣化。此时电容等效电感为：（）对于右侧电容，互感、共同减小回路磁通，体现为 减小。此时 电容等效电感为：（）（）当 大于时，差模 插 入 损 耗 得 到 了 优 化。当 小于时，电容自谐振点消失，电容的阻抗性质体现为一个随频率增大而阻抗增大的电容，插入损耗依旧会随频率增大而逐渐劣化。扼流圈磁芯磁导率高，且电容与扼流圈距离很近，理论研究电工技术 中国电工网通常 小于。可通过将 电容沿轴旋转 安置，或将扼流圈沿轴旋转 安置来减小互感，实现插入损耗性能优化，如图 所示。旋转后 电容受扼流圈耦合的磁通更少且耦合到 电容的磁通方向相反，互相抵消。与旋转 电容的方法相比，旋转扼流圈的方法则是为了让同一个绕组的耦合相互抵消。（c）扼流圈绕组旋转 90（b）X 电容旋转 90（a）正常安置互感耦合示意图M1M3M2M4图 11 X 电容和扼流圈摆放示意图针对这两种方法，分别在样机上进行测试。旋转电容测试结果如图 所示，旋转扼流圈测试结果如图 所示，其中灰线为正常摆放时测试的差模骚扰电压，黑线为改进后的差模骚扰电压。旋转电容后在 频段、旋转扼流圈后在 频段内差模骚扰电压均获得了最大 的衰减，证明了优化方法有效。图 12 X 电容旋转前后的差模电压测试对比结语本文针对空调电源 滤波器，分析了单级滤波器低频谐振产生机理和谐振的主要影响因素，给出了抑制谐振的方法。基于阻抗测量和曲线拟合，提取了滤波器关键图 13 扼流圈旋转前后的差模电压测试对比元器件高频参数，考虑器件耦合参数，建立了 滤波器全电路宽频带等效模型。仿真结果和测试结果吻合，证明了模型的准确性。基于模型和谐振分析，提出了通过旋转 电容和扼流圈优化滤波器性能的方法。实际测试结果证明旋转 电容后在中低频频段、旋转扼流圈后在中高频段内滤波器对差模干扰电压的抑制效果均得到了优化。参考文献 ，（）：赵隆冬，毛军磁性材料在 滤波器中的应用电子元器件应用，（）：，陈恒林，陈玮，冯利民，等基于阻抗测量的共模扼流圈高频建模电工技术学报，（）：张羽枭，杜明星，王颖丽基于差模阻抗频变特性的共模扼流圈宽频建模电子元件与材料，（）：陈浩，胡耀威，王磊，等基于共模扼流圈高频模型的 的 滤波器设计机电工程，（）：，刘胜，张玉廷，于大泳基于频变参数辨识的共模扼流圈集中参数模型中国电机工程学报，（）：罗广孝，黄珊，陈文颖，等考虑电感频变特性的共模扼流圈全电路建 模 及 参 数 提 取 中国电机工程学报，（）：，（）：（上接第页）窦一平，郭有光，朱建国 软磁复合材料在电机中的应用电工技术学报，（）：，（）：，（）：，（），：电工技术理论研究