3 適用于大功率并網(wǎng)應用的無源 EMI 濾波器

為了遵守旨在限制傳導發(fā)射水平的 EMC 法規(guī)，需要在開關穩(wěn)壓器和主輸入源之間插入一個低通 EMI 濾波器。圖 3-1 展示了千瓦級并網(wǎng)應用中單相（三線）和三相（四線）系統(tǒng)的典型濾波器布局。L、N 和 PE 分別指火線、零線和保護地線。如圖所示的多級濾波器可提供高滾降，常用于大功率交流線路應用，在這些應用中，CM 噪聲通常比差模 (DM) 噪聲更難以抑制。盡管圖 3-1 省略了用于浪涌脈沖保護和電阻放電的元件，但原理圖中實際包含了與輸入電源串聯(lián)以便能夠測量總 EMI 的線路阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡 (LISN)，包括 DM 和 CM 傳播元件。

從更高層次看，無源 EMI 濾波器是降低電力電子電路傳導發(fā)射的一種直觀、簡單且傳統(tǒng)的方法，但是無源器件的尺寸、重量和成本在某些應用中會造成嚴重限制。此類無源濾波器設計需要插入高阻抗串聯(lián)元件（DM 電感器、CM 扼流圈）和低阻抗分流元件（X 和 Y 電容器），因此會在 EMI 電流傳播路徑中產(chǎn)生阻抗不匹配問題。低階開關諧波通常根據(jù)所需的轉角頻率（或多級設計中的多個轉角頻率）來決定無功濾波器元件的尺寸。

以圖 3-1 中的單相原理圖為例，CM 扼流圈 L_CM1 和 L_CM2 以及 Y 型電容器 C_Y1 至 C_Y4（連接在交流電源線路和接地端之間）可提供 CM 衰減。來自開關穩(wěn)壓器的 CM 電流首先通過穩(wěn)壓器側 Y 電容器返回，然后通過位于 CM 扼流圈之間的 Y 電容器返回。其余 CM 電流的替代返回路徑會通過 LISN 設置的測量阻抗，而這顯然會損害 EMI 性能。

如簡介中所述，安全法規(guī)將總 Y 電容限制在相對較低的值（通常低于 10nF），為達到期望的轉角頻率，所需扼流圈的 CM 電感相對較高，在幾毫亨的范圍內，這使得扼流圈的體積大、笨重且昂貴。與 DM 衰減相反，X 電容器 C_X1 至 C_X3 的容值可能較大（通常為 2.2μH），從而使用 CM 扼流圈的漏電感實現(xiàn)低 DM 電感值。

實際上，CM 扼流圈決定了 EMI 濾波器的尺寸，如實際實現(xiàn)方案 [3]（圖 3-2）中所示，并會在 EMI 濾波器設計過程中帶來多項挑戰(zhàn)，包括體積大、熱管理問題、聲學噪聲、濾波器諧振以及元件之間的電磁耦合。此外，濾波器組件的寄生元件（尤其是 CM 扼流圈）會影響高頻性能和可實現(xiàn)的衰減。濾波器中使用的分立式元件來自不同制造商，具有不同的外形尺寸，并未進行優(yōu)化以使它們彼此匹配，因此會影響濾波器實現(xiàn)方案的空間設計和組裝。