基于散射参数法的emi滤波器电磁噪声抑制效果预测-王世山.pdf
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1、2016 年 9 月 电 工 技 术 学 报 Vol.31 No. 18 第 31 卷第 18 期 TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY Sep. 2016 基于散射参数法的 EMI 滤波器 电磁噪声抑制效果预测 王世山 龚 敏 宋 峥 (江苏省新能源发电与电能变换重点实验室(南京航空航天大学) 南京 210016) 摘要 EMI滤波器是抑制传导噪声的重要手段之一,尤其是高性能的EMI滤波器的应用,对电力电子设备的干扰具有很好的抑制作用。基于传输线理论得到并联传输线的共模及差模参数,通过推导和测试得到噪声源阻抗、负载阻抗及其等效结构,求解
2、得到基于阻抗法的插入损耗(IL)。但是,在高频条件下,EMI滤波器及传输线不仅存在自寄生参数,还存在互寄生参数,这些互寄生参数很难通过阻抗法来等效。本文在传输线等效共模与差模参数频率特性的基础上,根据传输线理论得到噪声源阻抗及负载阻抗;以共模滤波器为例,基于阻抗法预测滤波器对噪声的衰减能力,并与实际测试值进行比较。然而,由于阻抗法不能很好地预测高频条件下的噪声衰减,本文以波的“入射与反射”为核心,进一步提出一种利用S参数来预测阻抗不匹配条件下噪声衰减的方法,研究表明,散射参数法由于考虑了元件间的互寄生参数,具有更好的高频性能。 关键词: EMI滤波器 差模噪声 共模噪声 阻抗不匹配 S参数 中
3、图分类号: TM93 Predicting the Suppression Effect of EMI Filter Based on the S-Parameter Method Wang Shishan Gong Min Song Zheng ( Jiangsu Key Laboratory of New Energy Generation and Power Conversion Nanjing University of Aeronautics and Astronautics Nanjing 210016 China) Abstract Electromagnetic interfe
4、rence (EMI) filter is an important component to suppress the conducted EMI noise, especially the EMI filter with high performance. Based on the transmission line theory, the common mode (CM) parameters and differential mode (DM) parameters of parallel transmission lines are obtained, and the source
5、and load impedances are received through calculation and test. Furthermore, the insertion loss (IL) can be calculated by the impedance method. However, in the high frequency, the parameters of EMI filter and transmission line involve not only the self-parasitic parameters but also the mutual parasit
6、ic parameters. These mutual parasitic parameters are very difficult to calculate or be equivalent by the impedance method. Therefore, the parameters of CM and DM filters with transmission line are explored. Then, according to the transmission line theory, the noise source and load impedance are calc
7、ulated. Taken CM filter as an example, the attenuation of noise is predicted by the impedance method, and is compared with the actual test value. However, the prediction on attenuation of noise is inaccurate at high frequency. Thus, this paper further presents a method (S parameter) to predict the a
8、ttenuation accurately under the conditions of impedance mismatch, where the key of this method is the incident and reflected waves. It is shown that due to the 国家自然科学基金( 51177071),台达环境与教育基金会电力电子科教发展计划( DREK2013004),江苏高校优势学科建设工程项目,南京航空航天大学研究生创新基地(实验室)开放基金( kfjj201412)和中央高校基本科研业务费专项资金资助项目。 收稿日期 2015-0
9、7-25 改稿日期 2016-05-07 万方数据 第 31 卷第 18 期 王世山等 基于散射参数法的 EMI 滤波器电磁噪声抑制效果预测 67 consideration of the interaction among the parasitic elements, the S-parameter method has better high-frequency performance. Keywords: EMI filter, differential noise, common noise, impedance mismatching, S-parameters 0 引言 根据国际
10、电磁兼容标准,所有的电力系统及电力电子设备的电磁干扰均需在所选标准线以下。在150kHz 30MHz 间主要是传导干扰为主, 而电磁干扰( Electromagnetic Interference, EMI)滤波器是抑制传导干扰的主要手段之一1,因此,设计合适的滤波器不仅有利于抑制噪声,使其满足抑制标准,还有利于减小滤波器的体积,防止过设计2。 迄今为止, EMI 滤波器的设计方法主要有以下几种:一种是假设源、负载阻抗均为 50,阻抗匹配条件下对 EMI 滤波器各参数值进行设计3;另一种是假设噪声源阻抗与频率呈函数关系,而负载阻抗为 LISN 端恒定阻抗,通过测试噪声源阻抗的最大值及最小值实现
11、最坏条件下的 EMI 滤波器设计4或最坏情况下的设计5。 然而,受测试要求及环境条件的影响, EMI 滤波器与 LISN 及待测实物间均存在功率传输线,噪声测试电路如图 1 所示,这些功率传输线使得噪声的源、负载阻抗值并不是保持特定值不变6,7,而是随着频率的变化而变化。且处于高频段时,衰减特性受到寄生参数的影响8,9。因此预测实际测试电路中 EMI 滤波器对噪声的抑制效果时,不仅要考虑滤波器本身及引线对噪声的衰减能力,在高频时还要考虑寄生参数影响。 图 1 噪声测试电路 Fig.1 Testing circuit of noise 文献 10提出了一种用于提高 EMI 滤波器特性的方法,均是
12、基于阻抗匹配情况,即在源、负载阻抗均为 50条件下对平面 EMI 滤波器进行设计,而当源、负载阻抗并非为 50时,该滤波器有时不仅不能抑制噪声,反而会放大噪声。文献 11着重研究了存在引线的条件下,谐振峰的变化及其与负载端引线长短的关系。文献 12提出了散射参数( S参数)的观点,但并未对存在传输线的情况进行详细推导与验证。文献 13,14较为全面地分析了 EMI滤波器的高频特性, 并对源、 负载阻抗为某一非 50定值时进行研究,但是实际中噪声源阻抗并非是一个定值,而是随着频率的改变而变化。因此,该方法并不具有的通用性。 总之,文献研究并未考虑传输线对源、负载阻抗的影响以及如果噪声的源、负载阻
13、抗同时变化对噪声衰减的影响。 鉴于以上原因, 本文以共模 EMI 滤波器为研究对象,对其抑制效果进行预测,尤其对散射参数法及传统方法进行深入探索,并将其预测结果进行比较,证明本文提出方法的有效性。 1 传输线对噪声负载阻抗的影响 在实际电路中, EMI 滤波器负载阻抗为 LISN的阻抗及传输线阻抗之和,其值随着频率的变化而变化。 根据传输线理论,假设传输线无损耗,其微单元的等效电路如图 2 所示15。图 2 中, l、 L、 C分别为传输线单元长度、单位长度电感、单位长度电容,且 l (能传输电波长) 。 图 2 传输线单位长度等效电路 Fig.2 Unit equivalent circui
14、t of transmission line 1.1 传输线的等效差模、共模等效参数 图 3 为传输线的等效电路。如图 3 中所示,当两个导线通入同向电流时,两导线间不存在电容,仅导线与地之间有电容,即共模电容;而当两导线通入差模电流时,不仅存在导线与地之间的电容,还存在导线与导线之间的电容,即差模电容。 两平行传输线布置如图 4 所示, 对于差模噪声,两连接线流入的噪声电流大小相同、方向相反,即 万方数据 68 电 工 技 术 学 报 2016 年 9 月 图 3 传输线的等效电容 Fig.3 Equivalent capacitance of transmission line 图 4 平
15、行传输线 Fig.4 Parallel transmission lines 两导线间的虚线为零电位面16;对于共模噪声,两连接线中的电流大小与方向均相同。 根据传输线理论,可以求得两条传输线间的共模、差模电容,从而差模、共模电感分别为 DM2DM1LCc= ( 1) CM2CM1LCc= ( 2) 式中, c 为电磁波真空中的传播速度, c=3108m/s。 因此,对于共模滤波器而言,其单根传输线与地之间的阻抗为 CM0CMCM CM1LZCCc= ( 3) 两根导线与地之间的阻抗为 0CM0CM2ZZ = ( 4) 对于差模滤波器,单根导线与地的阻抗为 DM0DMDM DM1LZCCc=
16、( 5) 两根导线间的阻抗为 0DM 0DM2ZZ = ( 6) 1.2 基于传输线理论的噪声负载阻抗分析 传输线的特征阻抗 Z0及传播常数 r 由其分布参数和频率参量决定,假设传输线损耗较小可以忽略不计,则其值分别为 11011jjLLZCC= ( 7) 11jjjrLC =+ = ( 8) 式中, L1为单位长度传输线电感; C1为单位长度传输线电容,当传输线损耗为 0,即 =0 时,则 r =j。 图 5 所示为存在传输线时的滤波器负载阻抗模型。由图 5 得到传输线上任意一处的电压和电流可以表示为 图 5 存在传输线时滤波器负载阻抗 Fig.5 Load impedance of EMI
17、 filter with transmission line 12eerZ rZVA A=+_( 9) ()1201eerZ rZIAAZ=_( 10) 同时,有 ( )012 G0G0VVAAEIZ=+=_ _( 11) ( )L1 2 LLeerl rlVl V A A IZ= + =_ _( 12) ()12000ZA AII=_( 13) ()()L1201eerl rlIl I A AZ= _( 14) 式中, l 为传输线的总长度,联立式( 11)和( 13)可得 01G2 G0GZ+ZZAAE =- ( 15) 式中,G0GG0Z ZZ Z=+。 同理, 联立式 ( 12) 和式
18、 ( 14) ,可得 万方数据 第 31 卷第 18 期 王世山等 基于散射参数法的 EMI 滤波器电磁噪声抑制效果预测 69 22L021L1L0eeZ+Zrl rlZZAAA= ( 16) 根据式( 15)及式( 16)可知 0G120GLG1+Z1erlZ EAZ=( 17) 20GL220GLGe+Z1erlrlZ EAZ=( 18) 将 A1、 A2代入式( 9) 、式( 10)可分别求出传输线上任意一处的电压与电流值,从而求得输入阻抗 Zin。 ()GLL20GLGeee+Z1erlrl rlrlEIZ=_( 19) ()()()()2LL0Lin 0 020LLL1ejtan()
19、jtan1erlrlZ ZrlVZl Z ZZ ZrlI+= =+_( 20) 1.3 差模、共模 EMI 滤波器噪声负载阻抗的测试 为了方便测试,特性阻抗为 0OCOS=Z ZZ ( 21) 式中, ZOC为开路传输线阻抗; ZOS为短路阻抗。对应式( 8)中, 为 OSOC()1arctan()Z llZl = ( 22) 以共模滤波器为例,根据测试得开路阻抗约为8 500,短路阻抗约为 0.1,计算得到 Z0约为100,由于传输线长为 1m,计算出 的值,从而可以计算出 Zin=50。 2 传输线对噪声源阻抗的影响 2.1 基于传输线理论的噪声源阻抗分析 对于噪声源阻抗 ZS而言, 由于
20、存在传输线阻抗ZC,因此,噪声源阻抗不仅包括噪声源自身阻抗,还包括传输线阻抗,其值随着频率的变化而变化。 阻抗的连接方式一般有两种: RLC 并联与 RLC串联。当 RLC 并联时,噪声源阻抗与电压可等效为并联结构;当 RLC 串联时,噪声源阻抗与电压可等效为串联结构如图 6 所示,对应特性见表 1。 共模噪声源阻抗多次测试结果如图 7 所示。测试显示,噪声源阻抗随着频率的增大,先减小,后 图 6 共模噪声源等效结构 Fig.6 Equivalent structure of source noise 增大,因此可等效为 RLC 串联电路,即阻抗与噪声电压串联电路, 且曲线在高频段存在一系列的
21、谐振,这是由于传输线存在电感与电容。 表 1 RLC 串、并联阻抗及特性曲线 Tab.1 Series and parallel impedance and their characteristic curves of RLC 方式 串联 并联 阻抗 Z=R+jL+1/(jC) Z=1/1/R+1/(jL)+jC 特性曲线图 7 共模噪声源阻抗测试值(多次) Fig.7 Source noise impedance of CM (repeatedly) 根据以上分析, 噪声源阻抗可等效为 RLC 串联结构,因此等效测试电路如图 8 所示, EMI 滤波器源、负载之间均存在传输线,因此噪声源阻抗
22、为传输线阻抗与负载阻抗之和,可通过阻抗分析仪Agilent 4395A 测试得出,即 ss1 C=Z ZZ+ ( 23) 2.2 差模( DM)滤波器噪声源阻抗 同样,采用以上方法多次测试差模噪声源阻抗 万方数据 70 电 工 技 术 学 报 2016 年 9 月 图 8 等效测试电路 Fig.8 Equivalent testing circuit 测试结果如图 9 所示, 曲线同样与 RLC 串联结构相似。为了方便等效,同样简化为噪声源与阻抗串联结构。因此,差模噪声源阻抗的测试电路亦如图 8所示。 其中, 高频段的一系列谐振也是由传输线引起。 图 9 差模噪声源阻抗值(多次) Fig.9
23、Source noise impedance of DM (repeatedly) 2.3 阻抗法条件下 EMI 滤波器衰减 设计的 EMI 滤波器电感为 220H, 共模电容为2.2pF,差模电容为 47nF,因此,实际条件下共模滤波器与差模滤波器的衰减和阻抗法预测的 EMI滤波器衰减如图 10 所示。 图 10a 表示共模滤波器的实际衰减与阻抗法预测曲线的比较,可见采用阻抗法来预测 EMI 滤波器的噪声时,在低频段吻合较好, 预测噪声曲线在实际噪声衰减曲线的中间位置,这是因为在低频段自寄生参数及互寄生参数的影响小。但是随着频率的升高,高频段拟合特性越来越差,由于寄生参数随频率的变化而变化,
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