摘要:由于开关电源的高功率密度、高开关工作频率和紧凑结构,因此对其电磁兼容提出了更高的要求.分析了传统无源电磁干扰(Electromagnetic Interference,简称EMl)滤波器的缺点,提出有源共模滤波器的设计思想,并分析了其工作原理.以一台反激式开关电源为研究对象,具体设计出其有源共模滤波器.最后通过电路仿真和实验,验证了该方案的有效性和可行性.
关键词:滤波器;电磁兼容性/开关电源 来 1 引言
传统的开关电源大多使用由分立的共模电感、差模电感和X,Y电容等构成单级或多级的无源滤波器,这些滤波器无一例外地均应用了较多的无源元件,如滤波电感和电容.而且由于国际上对电磁兼容的标准越来越严格,许多时候一级滤波器不能满足电磁兼容的要求,而必须使用两级或者多级,这就增大了无源滤波器的体积,从而也增大了损耗.此外,由于无源组件的分布电容和引线电感等分布参数(如差、共模电感的绕组分布电容和滤波电容的串联等效电感等)对滤波效果影响都很大,特别是在高频区域段,这些分布参数的影响会更加严重,且难以控制,从而大大衰减了高频滤波特性.作为共模和差模滤波电感的主要元件——磁芯,其电磁参数具有频变特性,并且磁芯本身的性能也受到工艺水平及制作材料的限制,这给它的应用带来了诸多限制.因此,如何在提高开关电源的功率密度和开关频率,实现开关电源模块化和集成化的同时,解决由此引起的更加严重的电磁干扰则是电力电子技术研发人员面临的关键问题.
总体看,传统的无源EMI滤波器存在下述不足:①体积大,造价高,因此不能满足开关电源日益小型化、高密度化的需要;②无源滤波器的衰减频带较窄,在低频段要靠增大电感和电容值来提高其插入损耗,而在高频段由于分布参数的影响有可能引起不必要的振荡而影响到滤波特性;③当今要求开关电源成为体积小,重量轻,效率高,可靠性高,功率密度高的“绿色电源”,但由于作为开关电源重要组成部分的滤波器,体积的减小是有限度的,因此制约了开关电源的发展.
无源滤波器的上述缺点注定它在电磁污染日益严重的今天不能满足滤波技术的需要.而有源EMI滤波器,采用了有源消去技术,很好地抑制了EMI噪声电流,并可对它进行动态补偿和调整,且不会对系统的稳定性造成不利影响;此外,与无源滤波器相比,由于有源EMI滤波器采用了半导体器件和电子电路,因而可使体积变小,重量变轻,这有利于集成封装,所以已成为业界对其进行研究的一种新趋势和发展方向[1-4].
2开关电源有源共模EMI滤波器
2.1有源共模EMI滤波器基本原理
有源EMI滤波技术的实质是对噪声信号进行实时补偿.这里提出的有源共模EMI滤波器(Active Common-mode Filter,简称ACMF)基本原理是先采样共模信号,然后通过反馈,动态输出一个与所采样的噪声电流(电压)大小相等、方向相反的补偿电流(电压),其实质是为共模电流提供一个极低阻抗的内部回路.图1示出其原理图.其中,Path1指共模噪声源S1通过分布电容CD流入地的共模电流路径,在无滤波器时共模噪声inoise将通过CP全部注入地.ACMF将产生一个补偿电流,为inoise提供低阻抗分流支路Path2,从而使其尽量沿Path2路径流过.理想时icomp=-inoise,可使流入地的共模电流为零,从而达到衰减共模电流的目的,以满足电磁干扰的标准.
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