有源EMI濾波器的工作原理，有源EMI濾波技術(shù)對(duì)比分析

本文介紹了有源EMI濾波器的工作原理，并對(duì)現(xiàn)有的有源EMI濾波技術(shù)進(jìn)行了分析對(duì)比，結(jié)合具體樣例，總結(jié)了各方案的優(yōu)缺點(diǎn)，最后對(duì)有源EMI濾波器的設(shè)計(jì)難點(diǎn)和發(fā)展方向進(jìn)行了說(shuō)明。目前有源EMI濾波器的成本和穩(wěn)定性問(wèn)題，是限制其推廣應(yīng)用的主要原因。

隨著電子信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，以及各種新型用電設(shè)備的普及，如何給這些設(shè)備提供穩(wěn)定、安全高效、干凈的電能變得越來(lái)越重要。開(kāi)關(guān)功率變換器由于重量小、體積輕、效率高，性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)在電源中得到快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，但其高頻開(kāi)、關(guān)工作特性，會(huì)產(chǎn)生大量的電磁干擾（Electromagneticinterference，EMI），嚴(yán)重污染周?chē)姶怒h(huán)境和電源系統(tǒng)，這不僅會(huì)使變換電路自身的可靠性降低，而且使電網(wǎng)及鄰近設(shè)備運(yùn)行質(zhì)量受到影響。

EMI濾波技術(shù)是抑制傳導(dǎo)電磁干擾最主要也是最有效的手段之一。目前，濾波器主要分為兩類(lèi)，即無(wú)源濾波器和有源濾波器。無(wú)源濾波器大多由分立的共模電感、差模電感和Cx，Cy電容等構(gòu)成，設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單，技術(shù)成熟、維護(hù)方便，但為了改善低頻段的濾波效果，往往需要增大電感和電容，所以體積、重量和損耗等都比較大［1］。

除此之外，無(wú)源元件的寄生參數(shù)對(duì)高頻段的濾波效果也有很大影響。有源濾波器因?yàn)椴捎糜性聪ゼ夹g(shù)，多采用半導(dǎo)體器件和電子電路［2］，不需要靠增大電感和電容值來(lái)提高濾波效果，因此體積和重量都比較小。

當(dāng)今開(kāi)關(guān)功率變換器的發(fā)展趨勢(shì)正日益高頻化、小型化、高功率密度化，無(wú)源濾波器的體積和重量等缺點(diǎn)制約了其發(fā)展，因此，有必要開(kāi)展對(duì)有源濾波器的進(jìn)一步研究，以滿足日益對(duì)EMI濾波器的更高要求。

本文介紹了有源濾波器工作原理，并對(duì)現(xiàn)有的有源EMI濾波技術(shù)進(jìn)行了分析對(duì)比，總結(jié)了各方案的優(yōu)缺點(diǎn)，最后，對(duì)有源EMI濾波器的設(shè)計(jì)難點(diǎn)和發(fā)展方向進(jìn)行了說(shuō)明。

1、有源濾波器的工作原理

有源濾波技術(shù)根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合可以分為有源EMI濾波器（Activeelectromagneticfilter，AEF）和有源電力濾波器（Activepowerfilter，APF）。AEF的工作原理是通過(guò)注入一個(gè)與原噪聲電流大小相等，方向相反的補(bǔ)償信號(hào)，以此來(lái)達(dá)到消去電路中的噪聲電流的目的［3］。

APF的工作原理和AEF的相似，只是要消去的是電網(wǎng)中的諧波和無(wú)功電流。二者工作原理雖然類(lèi)似，但是在工作頻段、功率等級(jí)、受控源的實(shí)現(xiàn)方式上有很大不同［4］。

傳導(dǎo)噪聲可以分為共模（Commonmode，CM）噪聲和差模（Differentialmode，DM）噪聲，一般情況下，有源共?；蛘卟钅MI濾波器是分開(kāi)設(shè)計(jì)的，單個(gè)有源EMI濾波器的輸出補(bǔ)償都是有針對(duì)性的消除共?；蛘卟钅Ｔ肼曅盘?hào)，剩下的另外一種傳導(dǎo)噪聲是通過(guò)無(wú)源濾波器或者另一級(jí)有源EMI濾波器進(jìn)行消除。

這里以一種基于電流采樣，電流補(bǔ)償?shù)姆答佇陀性垂材MI濾波器為例進(jìn)行工作原理分析，結(jié)構(gòu)如圖1所示。通過(guò)檢測(cè)電源側(cè)噪聲電流is，反饋網(wǎng)絡(luò)輸出補(bǔ)償電流ic，即電源側(cè)噪聲得到了抑制，其中in為噪聲源側(cè)噪聲電流。

圖1有源共模EMI濾波器結(jié)構(gòu)

2、有源EMI濾波器的分類(lèi)

有源EMI濾波器根據(jù)電路組成和結(jié)構(gòu)的不同，可以從采樣和補(bǔ)償方式；采樣和補(bǔ)償位置；控制方案等方面進(jìn)行分類(lèi)。

2.1基于采樣和補(bǔ)償方式的分類(lèi)

根據(jù)采樣和補(bǔ)償方式的不同，有源EMI濾波器可以分為：（a）電流采樣電壓補(bǔ)償；（b）電流采樣電流補(bǔ)償；（c）電壓采樣電流補(bǔ)償；（d）電壓采樣電壓補(bǔ)償四種類(lèi)型［5］，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示，其中Zs代表LISN網(wǎng)絡(luò)的阻抗，in代表噪聲電流，Zn代表噪聲源的內(nèi)阻抗。

圖2有源EMI濾波器的四種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

對(duì)于EMI濾波器，一般使用插入損耗（InsertionLoss，IL）來(lái)衡量其衰減性能。其定義為：

其中Vs0代表無(wú)濾波器時(shí)噪聲源在負(fù)載側(cè)建立的電壓，Vs代表有濾波器時(shí)噪聲源在負(fù)載側(cè)建立的電壓。

所以根據(jù)插入損耗的定義可以推導(dǎo)圖2所示四種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的插入損耗及最大插入損耗條件如表1所示，其中A為補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的放大倍數(shù)。

表1四種AEF拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的插入損耗

電流采樣方式，大多使用電流互感器（CurrentTransform，CT）。用CT采樣的方式簡(jiǎn)單直觀，通過(guò)改變繞組結(jié)構(gòu)，還可以方便地分離共模噪聲電流和差模噪聲電流，但是對(duì)CT的設(shè)計(jì)要求比較高，其分布參數(shù)和高頻寄生參數(shù)是限制采樣帶寬的重要因素。

而且，CT采樣的下限截止頻率和副邊繞組匝數(shù)有關(guān)，為了保證采樣帶寬，副邊繞組匝數(shù)不能太低，但是在主電路功率電流很大情況下，CT原邊的線徑較粗，考慮到體積的問(wèn)題，又會(huì)限制原邊繞組的匝數(shù)，這會(huì)使得在反饋型有源濾波器的設(shè)計(jì)中，難以在采樣環(huán)節(jié)獲得較高增益，從而加大了對(duì)于運(yùn)放環(huán)節(jié)的放大倍數(shù)要求，影響高頻濾波效果。

除此之外，對(duì)于低頻AC輸入的情況，因?yàn)椴钅Ｔ肼暳鲃?dòng)方向和主電路功率電流方向一致，而主電路功率電流一般比較大，頻率又很低，容易引起磁芯飽和，因此在檢測(cè)差模噪聲信號(hào)時(shí)，CT的設(shè)計(jì)難度更大。

電壓采樣方式雖然省去了CT的設(shè)計(jì)過(guò)程，但是由于在實(shí)際電路中沒(méi)有LISN網(wǎng)絡(luò)，無(wú)法直接從LISN的兩個(gè)50Ω電阻上引出電壓進(jìn)行處理，因此相比于CT采樣而言比較繁瑣，一般需要先增加一個(gè)電路網(wǎng)絡(luò)，用來(lái)提取出輸入線上的總噪聲電壓，再配合變壓器進(jìn)行處理，以此來(lái)分離差共模噪聲，類(lèi)似于圖3所示結(jié)構(gòu)。

該采樣方式，一方面比較難保證在增加的電路網(wǎng)絡(luò)上所檢測(cè)噪聲的準(zhǔn)確性，另外一方面，仍然不可避免的需要考慮變壓器雜散參數(shù)等因素的影響。

不論是電壓補(bǔ)償還是電流補(bǔ)償方式，都有一定的適用范圍和優(yōu)缺點(diǎn)。分別比較了同樣采樣方式下，不同補(bǔ)償方案對(duì)噪聲抑制效果的影響，通過(guò)理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證得出結(jié)論：電流補(bǔ)償方式更適用于消除噪聲源高阻抗共模噪聲，電壓補(bǔ)償方式有助于消除噪聲源低阻抗差模噪聲。

同時(shí)該文獻(xiàn)還提出了一種檢測(cè)差模噪聲信號(hào)的方案，即提供一個(gè)類(lèi)似于LISN的網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)檢測(cè)該網(wǎng)絡(luò)兩端電阻上的電壓，進(jìn)行處理，得到差模噪聲信號(hào)。其電路拓?fù)淙鐖D3所示。

在實(shí)際應(yīng)用中，由于采樣網(wǎng)絡(luò)R1，R2，C1，C2寄生參數(shù)，公差等因素的影響，很難保證在頻段150k~30MHz內(nèi)，在增加的這個(gè)網(wǎng)絡(luò)上所檢測(cè)并處理的噪聲即是LISN端測(cè)得的實(shí)際的差模噪聲。

圖3基于電壓補(bǔ)償?shù)挠性床钅MI濾波器方案

文獻(xiàn)［7］提出了一種基于電壓采樣電流補(bǔ)償?shù)挠性垂材MI濾波器方案，如圖4所示，通過(guò)給噪聲電流提供一個(gè)低阻抗回路，人為引導(dǎo)共模噪聲的流通路徑，達(dá)到抑制共模干擾的目的。

該濾波器性能和補(bǔ)償電路的放大倍數(shù)有關(guān)，受運(yùn)放增益和系統(tǒng)穩(wěn)定性的限制，其高頻性能不理想，同時(shí)該方案只是切斷了其中一條路徑上的共模電流，通過(guò)散熱器對(duì)地電容回路的共模電流路徑并沒(méi)有切斷，而且往往該回路是主要共模噪聲回路。

圖4基于電壓采樣電流補(bǔ)償?shù)挠性垂材MI濾波器方案

2.2基于采樣和補(bǔ)償位置的分類(lèi)

根據(jù)采樣和補(bǔ)償位置的不同，AEF可以分為前饋型和反饋型兩種結(jié)構(gòu)［8-10］，如圖5所示。由電路結(jié)構(gòu)可以看出，前饋型AEF需要有穩(wěn)定的單位增益，對(duì)增益的精度和相位要求比較高，由于磁件的非線性以及有源元件的不確定性，比較難以在一個(gè)較寬頻段范圍內(nèi)保證濾波效果。

反饋型AEF，由于采樣端靠近噪聲負(fù)載側(cè)，為了達(dá)到最優(yōu)補(bǔ)償效果，理論上其反饋增益G（s）需要無(wú)窮大，在實(shí)際應(yīng)用中，只需保證增益盡量大即可，相比于前饋型AEF而言，對(duì)增益精度的要求比較低，但是增益太大，又容易造成系統(tǒng)的振蕩，所以為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)時(shí)需要在反饋增益上進(jìn)行一定的程度的妥協(xié)。

圖5基于不同采樣和補(bǔ)償位置的有源共模EMI濾波器方案

提出了一種前饋型有源EMI濾波器方案如圖6所示，該濾波器采用了電壓采樣電壓補(bǔ)償?shù)姆绞?，?shí)現(xiàn)了補(bǔ)償端和主電路的隔離。同時(shí)，采用前饋型方式，不需要像反饋型AEF一樣，通過(guò)增大共模變壓器繞組匝比進(jìn)一步提高補(bǔ)償增益，從而增強(qiáng)濾波效果，減小了變壓器高頻寄生參數(shù)對(duì)濾波性能的影響。

圖6前饋型有源共模EMI濾波器方案

2.3基于控制方式的分類(lèi)

根據(jù)控制方式的不同，AEF可以分為模擬控制AEF和數(shù)字控制AEF。模擬控制AEF一般采用高速運(yùn)放作為中間級(jí)，控制相對(duì)簡(jiǎn)單，但受補(bǔ)償響應(yīng)速度、增益帶寬的限制，在抑制高頻和強(qiáng)噪聲電流方面的能力不足［12］［13］。

數(shù)字控制AEF可以通過(guò)調(diào)整控制方案，彌補(bǔ)系統(tǒng)補(bǔ)償滯后的不利影響，具有動(dòng)態(tài)特性較好的優(yōu)點(diǎn)，但是數(shù)字AEF，對(duì)于采樣、數(shù)字控制芯片、優(yōu)化算法的要求都比較高，成本較大，設(shè)計(jì)過(guò)程相對(duì)復(fù)雜［14］。

提出了一種數(shù)字控制AEF方案如圖7所示，通過(guò)分析三相PWM逆變器的共模電壓特點(diǎn)，構(gòu)建了由一個(gè)單相逆變器和一個(gè)五繞組變壓器組成的有源EMI濾波器，通過(guò)控制單相逆變器產(chǎn)生與共模電壓大小相等，方向相反的補(bǔ)償信號(hào)，利用五繞組變壓器疊加到電機(jī)端中，來(lái)抑制電路中的共模噪聲。該方案增加了橋臂，成本比較高，同時(shí)IGBT直接并聯(lián)在直流母線兩端，不適用于高電壓場(chǎng)合。

圖7數(shù)字有源共模EMI濾波器方案

2.4混合型EMI濾波器

無(wú)源濾波器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，高頻性能較好，如果要降低截止頻率，則元件體積和重量都要加大。而有源濾波器低頻性能好，高頻性能較差，因此采用有源加無(wú)源的混合型EMI濾波器方式，能夠綜合兩者優(yōu)點(diǎn)，在保證濾波效果的前提下，減小濾波器的體積和重量，便于集成，更適應(yīng)當(dāng)前開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展趨勢(shì)。

混合型EMI濾波器的結(jié)構(gòu)一般如圖8所示，噪聲首先經(jīng)過(guò)無(wú)源濾波器將高頻噪聲信號(hào)衰減，再由有源EMI濾波器將低頻噪聲信號(hào)消除。這種方式，不僅避免了有源濾波器直接處理高頻噪聲信號(hào)，影響補(bǔ)償效果，同時(shí)，無(wú)源濾波器部分主要抑制的是高頻噪聲，因此體積和重量可以進(jìn)一步減小。

圖8混合型有源EMI濾波器結(jié)構(gòu)

提出了一種混合型EMI共模濾波器方案，如圖9所示。該濾波器由一個(gè)反饋型有源EMI濾波器串聯(lián)一個(gè)共模電感組成。同時(shí)通過(guò)分析其簡(jiǎn)化等效電路，如圖10所示，可以推得：一方面，有源濾波電路可以放大共模電感和噪聲源阻抗，增大整個(gè)濾波器的總等效阻抗，進(jìn)一步增強(qiáng)濾波效果；另一方面，無(wú)源和有源濾波器的相對(duì)位置對(duì)于濾波效果也有影響。

圖9混合型有源EMI濾波器方案

圖10等效電路

3、有源濾波器的設(shè)計(jì)難點(diǎn)和發(fā)展方向

3.1AEF的設(shè)計(jì)難點(diǎn)

影響有源濾波器性能的因素比較多，因此，相對(duì)于無(wú)源濾波器而言，有源濾波器的設(shè)計(jì)比較復(fù)雜。

（1）穩(wěn)定性與補(bǔ)償效果的預(yù)測(cè)和設(shè)計(jì)。有源濾波器因?yàn)椴捎糜性聪ゼ夹g(shù)，是通過(guò)注入補(bǔ)償信號(hào)來(lái)抑制噪聲的，這意味著如果設(shè)計(jì)不當(dāng)，或者工作不穩(wěn)定，反而可能會(huì)增加電路中的噪聲。因此如何保證有源濾波器工作的穩(wěn)定性和可靠性，是濾波器的設(shè)計(jì)重點(diǎn)，也是設(shè)計(jì)難點(diǎn)。

影響有源濾波器穩(wěn)定性和補(bǔ)償效果的影響因素很多，比如：噪聲源內(nèi)阻抗，補(bǔ)償電路的放大倍數(shù)和響應(yīng)速度，磁件的高頻寄生參數(shù)，控制方案，與之組合的無(wú)源濾波器結(jié)構(gòu)和取值等，也正是因?yàn)檫@些因素的影響，理論上具有通用性的濾波器，工作在不同的電子設(shè)備，或者工作在不同的操作條件時(shí)，可能無(wú)法達(dá)到理想的濾波效果。

（2）仿真模型的建立。仿真是輔助工程師進(jìn)行電路設(shè)計(jì)的一個(gè)重要手段，這會(huì)大大縮短設(shè)計(jì)和調(diào)試電路的時(shí)間，尤其是對(duì)于有源濾波器而言，仿真對(duì)其穩(wěn)定性和補(bǔ)償效果的理論研究和設(shè)計(jì)具有很大的幫助。因此，如何建立高頻仿真模型，輔助分析和設(shè)計(jì)，是有源濾波器研究的另外一個(gè)難點(diǎn)和熱點(diǎn)，這點(diǎn)在電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜的設(shè)備中，尤其明顯。

（3）噪聲源阻抗的測(cè)量。通過(guò)表1所示各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)最大插入損耗條件可知，噪聲源阻抗對(duì)于濾波器的性能有影響。而現(xiàn)有的測(cè)量噪聲源傳導(dǎo)干擾等效內(nèi)阻抗的方法，操作繁瑣復(fù)雜，這給有源濾波器的設(shè)計(jì)和仿真增加了難度。

3.2有源EMI濾波技術(shù)的發(fā)展方向

國(guó)內(nèi)外對(duì)于有源EMI濾波器已經(jīng)做了大量的研究，但是受限于其成本和穩(wěn)定性的限制，一直沒(méi)有進(jìn)行大范圍的推廣和應(yīng)用。有源濾波器成本的降低，一是可以靠材料工藝水平的發(fā)展，從而降低器件本身的成本，二是通過(guò)合理的優(yōu)化設(shè)計(jì)，盡量發(fā)揮器件的功能，從而增加器件的性價(jià)比，降低成本。

另一方面，由于元件的高頻寄生參數(shù)，補(bǔ)償響應(yīng)速度，以及運(yùn)放增益帶寬積等因素的限制，有源EMI濾波器在高頻段的性能往往不佳，因此在未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)，有源和無(wú)源結(jié)合的混合型濾波器仍將是主流選擇。

除此之外，雖然當(dāng)前數(shù)字控制型有源濾波器因?yàn)槌杀竞驮O(shè)計(jì)復(fù)雜的問(wèn)題應(yīng)用較少，但是數(shù)字控制型AEF也有著模擬控制型AEF所沒(méi)有的優(yōu)點(diǎn)，例如調(diào)試便捷，可通過(guò)控制方案減小補(bǔ)償滯后帶來(lái)的問(wèn)題等優(yōu)點(diǎn)，因此數(shù)字控制型AEF，有很大的潛力可以挖掘。

4結(jié)論

近年來(lái)，開(kāi)關(guān)功率變換器以及其他電力電子設(shè)備正朝著高頻化，小型化，高功率密度化的方向發(fā)展，同時(shí)隨著無(wú)人駕駛技術(shù)，電動(dòng)汽車(chē)，以及其他精密電子產(chǎn)品的普及和應(yīng)用，為了保證這些技術(shù)和產(chǎn)品的可靠性，勢(shì)必會(huì)對(duì)EMI濾波器提出更高的要求。

無(wú)源濾波器由于體積和重量的限制，不適應(yīng)當(dāng)前的發(fā)展趨勢(shì)。有源濾波器因采用有源消去技術(shù)，具有體積小，便于集成，動(dòng)態(tài)特性好的優(yōu)點(diǎn)，受到了廣泛關(guān)注，但受限于成本和穩(wěn)定性的限制，其在工業(yè)產(chǎn)品中的應(yīng)用還不夠普遍。隨著材料工藝的上升和成本的降低，以及對(duì)于有源EMI濾波器穩(wěn)定性的更深刻認(rèn)識(shí)和研究，有源EMI濾波器必將具有更廣闊的應(yīng)用前景。
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