開關(guān)電源有源共模EMI濾波器研究及其應(yīng)用

　　1 引言

      傳統(tǒng)的開關(guān)電源大多使用由分立的共模電感、差模電感和X，Y電容等構(gòu)成單級(jí)或多級(jí)的無源濾波器，這些濾波器無一例外地均應(yīng)用了較多的無源元件，如濾波電感和電容。而且由于國(guó)際上對(duì)電磁兼容的標(biāo)準(zhǔn)越來越嚴(yán)格，許多時(shí)候一級(jí)濾波器不能滿足電磁兼容的要求，而必須使用兩級(jí)或者多級(jí)，這就增大了無源濾波器的體積，從而也增大了損耗。此外，由于無源組件的分布電容和引線電感等分布參數(shù)（如差、共模電感的繞組分布電容和濾波電容的串聯(lián)等效電感等）對(duì)濾波效果影響都很大，特別是在高頻區(qū)域段，這些分布參數(shù)的影響會(huì)更加嚴(yán)重，且難以控制，從而大大衰減了高頻濾波特性。作為共模和差模濾波電感的主要元件——磁芯，其電磁參數(shù)具有頻變特性，并且磁芯本身的性能也受到工藝水平及制作材料的限制，這給它的應(yīng)用帶來了諸多限制。因此，如何在提高開關(guān)電源的功率密度和開關(guān)頻率，實(shí)現(xiàn)開關(guān)電源模塊化和集成化的同時(shí)，解決由此引起的更加嚴(yán)重的電磁干擾則是電力電子技術(shù)研發(fā)人員面臨的關(guān)鍵問題。

      總體看，傳統(tǒng)的無源EMI濾波器存在下述不足：①體積大，造價(jià)高，因此不能滿足開關(guān)電源日益小型化、高密度化的需要；②無源濾波器的衰減頻帶較窄，在低頻段要靠增大電感和電容值來提高其插入損耗，而在高頻段由于分布參數(shù)的影響有可能引起不必要的振蕩而影響到濾波特性；③當(dāng)今要求開關(guān)電源成為體積小，重量輕，效率高，可靠性高，功率密度高的“綠色電源”，但由于作為開關(guān)電源重要組成部分的濾波器，體積的減小是有限度的，因此制約了開關(guān)電源的發(fā)展。

      無源濾波器的上述缺點(diǎn)注定它在電磁污染日益嚴(yán)重的今天不能滿足濾波技術(shù)的需要。而有源EMI濾波器，采用了有源消去技術(shù)，很好地抑制了EMI噪聲電流，并可對(duì)它進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償和調(diào)整，且不會(huì)對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性造成不利影響；此外，與無源濾波器相比，由于有源EMI濾波器采用了半導(dǎo)體器件和電子電路，因而可使體積變小，重量變輕，這有利于集成封裝，所以已成為業(yè)界對(duì)其進(jìn)行研究的一種新趨勢(shì)和發(fā)展方向[1-4]。
 
　　2、開關(guān)電源有源共模EMI濾波器

      2.1有源共模EMI濾波器基本原理

      有源EMI濾波技術(shù)的實(shí)質(zhì)是對(duì)噪聲信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償。這里提出的有源共模EMI濾波器（Active Common-mode Filter，簡(jiǎn)稱ACMF）基本原理是先采樣共模信號(hào)，然后通過反饋，動(dòng)態(tài)輸出一個(gè)與所采樣的噪聲電流（電壓）大小相等、方向相反的補(bǔ)償電流（電壓），其實(shí)質(zhì)是為共模電流提供一個(gè)極低阻抗的內(nèi)部回路。圖1示出其原理圖。其中，Path1指共模噪聲源S1通過分布電容CD流入地的共模電流路徑，在無濾波器時(shí)共模噪聲inoise將通過CP全部注入地。ACMF將產(chǎn)生一個(gè)補(bǔ)償電流，為inoise提供低阻抗分流支路Path2，從而使其盡量沿Path2路徑流過。理想時(shí)icomp=-inoise，可使流入地的共模電流為零，從而達(dá)到衰減共模電流的目的，以滿足電磁干擾的標(biāo)準(zhǔn)。

　　2.2 ACMF設(shè)計(jì)

      分析了傳統(tǒng)無源電磁干擾（Electromagnetic Interference，簡(jiǎn)稱EMl）濾波器的缺點(diǎn)，提出有源共模濾波器的設(shè)計(jì)思想，并分析了其工作原理。以一臺(tái)反激式開關(guān)電源為對(duì)象，研究上述開關(guān)電源ACMF的設(shè)計(jì)與應(yīng)用。圖2a示出ACMF在開關(guān)電源系統(tǒng)中的連接。圖中，用虛線連接于反激式電源變壓器初次級(jí)地之間的共模濾波電容Cy具有較好濾波效果，但因受漏電流安規(guī)要求的限制，其值不能太大。在此擬用提出的ACMF取代Cy，以增強(qiáng)對(duì)共模干擾的濾波效果。圖2b示出ACMF的具體電路。它由一個(gè)寬帶高速運(yùn)算放大器U為核心的器件構(gòu)成。

      由于ACMF網(wǎng)絡(luò)處理共模干擾信號(hào)的特殊性，所以對(duì)電路中一些元器件的選擇也存在一些特殊要求。ACMF電路中關(guān)鍵元器件的選取和設(shè)計(jì)如下：

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