有源EMI濾波器研究現(xiàn)狀綜述

陳曉威 董紀(jì)清

（福州大學(xué)電氣工程與自動化學(xué)院，福州 350116）

有源EMI濾波器研究現(xiàn)狀綜述

陳曉威 董紀(jì)清

（福州大學(xué)電氣工程與自動化學(xué)院，福州 350116）

隨著開關(guān)功率變換器朝著小型化、高頻化、高功率密度化方向的發(fā)展，人們對濾波器的體積和性能提出了更高要求。有源EMI濾波器可以有效減小濾波器的體積和重量，是符合電力電子設(shè)備發(fā)展趨勢的選擇。本文介紹了有源EMI濾波器的工作原理，并對現(xiàn)有的有源EMI濾波技術(shù)進(jìn)行了分析對比，結(jié)合具體實例，總結(jié)了各方案的優(yōu)缺點(diǎn)，最后對有源EMI濾波器的設(shè)計難點(diǎn)和發(fā)展方向進(jìn)行了說明。目前有源EMI濾波器的成本和穩(wěn)定性問題，是限制其推廣應(yīng)用的主要因素。

開關(guān)功率變換器；EMI；無源濾波器；有源EMI濾波器

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越重要。開關(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、關(guān)工作特性，會產(chǎn)生大量的電磁干擾（electromagnetic interference,EMI），嚴(yán)重污染周圍電磁環(huán)境和電源系統(tǒng)，這不僅降低變換電路自身的可靠性，而且會使電網(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，即無源濾波器和有源濾波器。無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)計相對簡單，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，故體積、重量和損耗等都比較大[1]。除此之外，無源元件的寄生參數(shù)對高頻段的濾波效果也有很大影響。有源濾波器因為采用有源消去技術(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提高濾波效果，所以體積和重量都比較小。當(dāng)今開關(guān)功率變換器的發(fā)展趨勢正日益高頻化、小型化、高功率密度化，無源濾波器的體積和重量等缺點(diǎn)制約了其發(fā)展，因此，有必要開展對有源濾波器的進(jìn)一步研究，以滿足日益對EMI濾波器的更高要求。

本文介紹有源濾波器工作原理，并對現(xiàn)有的有源EMI濾波技術(shù)進(jìn)行分析對比，總結(jié)各方案的優(yōu)缺點(diǎn)，最后，對有源EMI濾波器的設(shè)計難點(diǎn)和發(fā)展方向進(jìn)行說明。

1 有源濾波器的工作原理

根據(jù)有源濾波技術(shù)的應(yīng)用場合，可以將其分為有源EMI濾波器（active electromagnetic filter,AEF）和有源電力濾波器（active power filter,APF）。AEF的工作原理是通過注入一個與原噪聲電流大小相等、方向相反的補(bǔ)償信號，以此來達(dá)到消去電路中的噪聲電流的目的[3]。APF的工作原理與AEF的相似，只是要消去的是電網(wǎng)中的諧波和無功電流。二者工作原理雖然類似，但是在工作頻段、功率等級、受控源的實現(xiàn)方式上有很大不同[4]。

傳導(dǎo)噪聲可以被分為共模（common mode,CM）噪聲和差模（differential mode,DM）噪聲，一般情況下，有源共模或者差模EMI濾波器是分開設(shè)計的，單個有源EMI濾波器的輸出補(bǔ)償都是有針對性的消除共模或者差模噪聲信號，剩下的另外一種傳導(dǎo)噪聲是通過無源濾波器或者另一級有源EMI濾波器進(jìn)行消除。下面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，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。通過檢測電源側(cè)噪聲電流is和反饋網(wǎng)絡(luò)輸出補(bǔ)償電流ic，若有ic≈in，則is=in?ic≈ 0，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

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

2.1 基于采樣和補(bǔ)償方式的分類

根據(jù)采樣和補(bǔ)償方式的不同，可將有源EMI濾波器分為：①電流采樣電壓補(bǔ)償；②電流采樣電流補(bǔ)償；③電壓采樣電流補(bǔ)償；④電壓采樣電壓補(bǔ)償4種類型[5]，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖 2所示。圖中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。

對于EMI濾波器，一般使用插入損耗（insertion loss,IL）來衡量其衰減性能。其定義為

式中，Vs0為無濾波器時噪聲源在負(fù)載側(cè)建立的電壓；Vs為有濾波器時噪聲源在負(fù)載側(cè)建立的電壓。

根據(jù)插入損耗的定義，可以推導(dǎo)圖2所示4種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的插入損耗及最大插入損耗條件，見表1。其中A為補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的放大倍數(shù)。

圖2 有源EMI濾波器的4種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

表1 四種AEF拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的插入損耗

對于電流采樣方式，大多使用電流互感器（current transform,CT）。用CT采樣的方式簡單直觀，通過改變繞組結(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 CT的設(shè)計要求比較高，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與副邊繞組匝數(shù)有關(guān)。為了保證采樣帶寬，副邊繞組匝數(shù)不能太低，而在主電路功率電流很大情況下，CT原邊的線徑較粗。考慮到體積的問題，又會限制原邊繞組的匝數(shù)，這會使得在反饋型有源濾波器的設(shè)計中，難以在采樣環(huán)節(jié)獲得較高增益，從而加大了對于運(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，對于低頻 AC輸入的情況，因為差模噪聲流動方向與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，容易引起磁心飽和，所以在檢測差模噪聲信號時，對 CT的設(shè)計難度更大。

電壓采樣方式雖然省去了 CT的設(shè)計過程，但是由于在實際電路中沒有 LISN網(wǎng)絡(luò)，無法直接從LISN的兩個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電路網(wǎng)絡(luò)，用來提取出輸入線上的總噪聲電壓，再配合變壓器進(jìn)行處理，以此來分離差共模噪聲，類似于圖3所示的結(jié)構(gòu)。對于該采樣方式，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。

圖3 基于電壓補(bǔ)償?shù)挠性床钅MI濾波器方案

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)。文獻(xiàn)[6]分別比較了同樣采樣方式下，不同補(bǔ)償方案對噪聲抑制效果的影響，通過理論分析和實驗驗證得出結(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。同時該文獻(xiàn)還提出了一種檢測差模噪聲信號的方案，即提供一個類似于 LISN的網(wǎng)絡(luò)，通過檢測該網(wǎng)絡(luò)兩端電阻上的電壓進(jìn)行處理，得到差模噪聲信號。其電路拓?fù)淙鐖D3所示。在實際應(yīng)用中，由于采樣網(wǎng)絡(luò)R1、R2、C1、C2寄生參數(shù)以及公差等因素的影響，很難保證在頻段 150kHz～30MHz內(nèi)，在增加的這個網(wǎng)絡(luò)上所檢測并處理的噪聲即是 LISN端測得的實際的差模噪聲。

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，通過給噪聲電流提供一個低阻抗回路，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。該濾波器性能與補(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，同時該方案只是切斷了其中一條路徑上的共模電流，通過散熱器對地電容回路的共模電流路徑并沒有被切斷，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

根據(jù)采樣和補(bǔ)償位置的不同，可以將AEF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，對增益的精度和相位要求比較高，鑒于磁件的非線性以及有源元件的不確定性[11]，比較難以在一個較寬頻段范圍內(nèi)保證濾波效果。對于反饋型AEF，在采樣端靠近噪聲負(fù)載側(cè)，為了達(dá)到最優(yōu)補(bǔ)償效果，即is≈0，，理論上其反饋增益G(s)需要無窮大，而在實際應(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，故為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，設(shè)計時需要在反饋增益上進(jìn)行一定程度的妥協(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

文獻(xiàn)[9]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)姆绞剑瑢崿F(xiàn)了補(bǔ)償端與主電路的隔離。同時，采用前饋型方式，不需要像反饋型AEF一樣，通過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)了濾波效果，減小了變壓器高頻寄生參數(shù)對濾波性能的影響。

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

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，控制相對簡單，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，具有動態(tài)特性較好的優(yōu)點(diǎn)，但是數(shù)字AEF，對于采樣、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)計過程相對復(fù)雜[14]。

文獻(xiàn)[15]提出了一種數(shù)字控制AEF方案，如圖7所示，通過分析三相 PWM逆變器的共模電壓特點(diǎn)，構(gòu)建了由一個單相逆變器和一個五繞組變壓器組成的有源EMI濾波器，通過控制單相逆變器產(chǎn)生與共模電壓大小相等、方向相反的補(bǔ)償信號，利用五繞組變壓器疊加到電機(jī)端中，來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IGBT直接并聯(lián)在直流母線兩端，不適用于高電壓場合。

圖7 數(shù)字有源共模EMI濾波器方案

2.4 混合型EMI濾波器

無源濾波器結(jié)構(gòu)簡單，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[16]，因此采用有源加無源的混合型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)前開關(guān)電源的發(fā)展趨勢。

混合型EMI濾波器的結(jié)構(gòu)一般如圖8所示[16]。噪聲首先經(jīng)過無源濾波器將高頻噪聲信號衰減，再由有源EMI濾波器將低頻噪聲信號消除。這種方式避免了有源濾波器直接處理高頻噪聲信號影響補(bǔ)償效果的缺陷，同時，由于無源濾波器部分主要抑制的是高頻噪聲，因此可使其體積和重量進(jìn)一步減小[13]。

圖8 混合型有源EMI濾波器結(jié)構(gòu)

文獻(xiàn)[17]提出了一種混合型EMI共模濾波器方案，如圖9所示。該濾波器由一個反饋型有源EMI濾波器串聯(lián)一個共模電感組成。同時通過分析其簡化等效電路（如圖10所示），可以推得：①有源濾波電路可以放大共模電感和噪聲源阻抗，增大整個濾波器的總等效阻抗，進(jìn)一步增強(qiáng)濾波效果；②無源和有源濾波器的相對位置對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)計難點(diǎn)和發(fā)展方向

3.1 AEF的設(shè)計難點(diǎn)

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

1）穩(wěn)定性與補(bǔ)償效果的預(yù)測和設(shè)計。有源濾波器因為采用有源消去技術(shù)，是通過注入補(bǔ)償信號來抑制噪聲的，這意味著如果設(shè)計不當(dāng)或者工作不穩(wěn)定，可能就會增加電路中的噪聲，所以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)計重點(diǎn)，也是設(shè)計難點(diǎn)[18]。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、與之組合的無源濾波器結(jié)構(gòu)和取值等，也正是受這些因素的影響，理論上具有通用性的濾波器，當(dāng)工作在不同的電子設(shè)備上或者工作在不同的操作條件下時，可能無法達(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)計的一個重要手段，這會大大縮短設(shè)計和調(diào)試電路的時間，尤其是對于有源濾波器而言，仿真對其穩(wěn)定性和補(bǔ)償效果的理論研究和設(shè)計具有很大的幫助。因此，如何建立高頻仿真模型、輔助分析和設(shè)計，是有源濾波器研究的另外一個難點(diǎn)和熱點(diǎn)，這在電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜的設(shè)備中，尤其明顯。

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

3.2 有源EMI濾波技術(shù)的發(fā)展方向

國內(nèi)外對于有源EMI濾波器已經(jīng)做了大量的研究，但是受其成本和穩(wěn)定性的限制，一直沒有進(jìn)行大范圍的推廣和應(yīng)用。對于降低有源濾波器的成本而言，可從以下兩方面來考：①提高材料的工藝水平，從而降低器件本身的成本；②通過合理的優(yōu)化設(shè)計，盡量發(fā)揮器件的功能，從而增加器件的性價比，降低成本。

另一方面，由于受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，因此在未來一段時間內(nèi)，有源和無源結(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存在成本和設(shè)計復(fù)雜的問題而應(yīng)用較少，但是數(shù)字控制型AEF也具有模擬控制型AEF所沒有的優(yōu)點(diǎn)（例如調(diào)試便捷），可通過控制方案來解決補(bǔ)償滯后帶來的問題，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，開關(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，同時隨著無人駕駛技術(shù)、電動汽車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，勢必會對EMI濾波器提出更高的要求。無源濾波器受體積和重量的限制，不適應(yīng)當(dāng)前的發(fā)展趨勢。有源濾波器因采用有源消去技術(shù)，具有體積小、便于集成、動態(tài)特性好的優(yōu)點(diǎn)，受到了廣泛關(guān)注，但受成本和穩(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，以及對于有源EMI濾波器穩(wěn)定性的更深刻認(rèn)識和研究，有源EMI濾波器必將具有更廣闊的應(yīng)用前景。

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The Current State of Active EMI filter were Reviewed

Chen Xiaowei Dong Jiqing
(College of Electrical Engineering and Automation of Fuzhou University,Fuzhou 350116)

As the switching power converter develops toward the direction of miniaturization,high frequency and high power density,higher requirements in size and performance of the filter are proposed.Active EMI filter,which can effectively reduce the volume and weight of the filter,is a good choice to cater the development trend of power electronic equipment.This paper introduced the working principle of active EMI filter,and the existing active EMI filter technology were analyzed and compared,the advantages and disadvantages of each scheme were also summarized.Finally,the design difficulties and development direction of the active EMI filter were described.At present,the cost and stability of the active EMI filter are the main reasons restrict its wide application.

switching power converter;EMI;passive filter;active EMI filter

陳曉威（1992-），男，福建龍巖人，碩士研究生，主要研究方向為電磁兼容技術(shù)、電力電子高頻磁技術(shù)。