關(guān)于變頻空調(diào)高頻電磁干擾問題的研究與分析

山宏剛，黃華，橐曉宇，范建波

（1.上海海關(guān)機電產(chǎn)品檢測技術(shù)中心，上海 200135； 2.珠海格力電器股份有限公司，珠海 519070）

引言

開關(guān)電源、變頻器使用的功率器件和高速電子電路工作所產(chǎn)生的電壓、電流的瞬變，是形成電磁騷擾的主要原因[1]。濾波器是電磁兼容設(shè)計的重要部分，它可以有效的解決大多數(shù)的電磁問題[2]。然而現(xiàn)有的單級濾波電路設(shè)計，使用傳統(tǒng)的電路參數(shù)搭配，抑制高頻電磁騷擾[3]的能力較差。產(chǎn)品一旦出現(xiàn)高頻電磁騷擾問題，往往使用多級濾波電路設(shè)計或其他高成本方案進行整改。因此，本文提出一種可抑制高頻電磁干擾的方法，可降低成本、高效抑制高頻電磁騷擾[4]。

1.變頻空調(diào)電路濾波原理

1.1 濾波器件

EMI電源濾波器[5]是由電感、電容等無源器件構(gòu)成。若對元件的參數(shù)特性掌握不夠，很難設(shè)計出符合要求的濾波器。特別是在抑制高頻噪聲時，濾波器的高頻濾波性能往往難以把握，所以有必要對濾波器進行深入地研究。

1.1.1 濾波電容

理想電容的阻抗特性是隨著頻率的上升而線性減小的，而實際電容的阻抗特性并非如此。圖1表示了理想的和實際電容的阻抗特性曲線，實際電容存在一個諧振頻率點，這是因為實際的電容含有寄生的等效串聯(lián)電阻（Equivalent Series Resistance，ESR）和等效串聯(lián)電感（Equivalent Series Inductance，ESL）。正是由于ESL的存在，與電容產(chǎn)生諧振，并在諧振頻率處電容的阻抗達到最小值。若不考慮電容的非線性因素，實際電容電路為ESR與電容和ESL的等效串聯(lián)電路。

圖1 實際電容與理想電容的阻抗特性

電容的阻抗公式為：

式中：

Rc—等效串聯(lián)電阻；

Ls—等效串聯(lián)電感。

在諧振頻率fr處，電容和等效電感發(fā)生串聯(lián)諧振，這時的電容阻抗等效于串聯(lián)電阻Rc，濾波效果最佳。在濾波電路中將電容器并聯(lián)在支路中為電磁噪聲提供低阻抗的通路，濾除噪聲信號。

1.1.2 電感器件

理想電感[6-8]的阻抗是隨著頻率的上升而線性增大的，而實際電感的阻抗特性并非如此。圖2表示了理想的和實際的電感的阻抗特性曲線，實際電感有一個諧振頻率，這是因為實際的電感含有寄生的等效串聯(lián)電阻（Equivalent Series Resistance，ESR）和并聯(lián)繞組電容Cw。并聯(lián)繞組電容Cw是電感線圈在繞制過程中產(chǎn)生的、分布在繞線與繞線之間的寄生電容。實際電感電路為電容并聯(lián)在ESR與電感串聯(lián)兩端的等效電路。

圖2 理想電感和實際電感的阻抗特性

電感的阻抗公式為：

式中：

RL—等效串聯(lián)電阻；

Cw—電感的并聯(lián)電容。

諧振頻率fr處，電感和并聯(lián)電容發(fā)生并聯(lián)諧振，電感表現(xiàn)為阻抗最大值。在低頻下，阻抗ZL由電感決定，在直流時它等于R。在標(biāo)記的頻率范圍內(nèi) （共振頻率ω0），電感L和電容 Cw產(chǎn)生并聯(lián)諧振，則此時阻抗ZL達到最大，抑制干擾效果最佳。隨著頻率的加大，由于寄生電容起主要作用，電感器的阻抗降低，對干擾衰減效果減弱。

1.2 常用單級濾波電路分析

電磁干擾可分為共模干擾和差模干擾。共模干擾電流在相線間大小相等、方向相同。差模干擾電流在相線間大小相同、方向相反。變頻空調(diào)外機常用濾波電路如圖3所示，使用1個共模扼流圈，2對Y電容，2個X電容，1個磁環(huán)。

圖3 常用單級濾波電路結(jié)構(gòu)

共模扼流圈與Y電容組成共模濾波電路，等效濾波電路如圖4，干擾信號首先流經(jīng)A點，并且在A點處分流，干路L處于高阻狀態(tài)，C3、C4為低阻，而并聯(lián)時電流的分配與兩者阻值的比值成反比，C3、C4起分流、濾波作用，把更多的干擾信號旁路到機殼地。一般減小C3、C4的阻抗值可以改善測試結(jié)果。干擾通過A點之后，共模扼流圈會消耗一部分干擾。當(dāng)干擾電流流至B點時，和C5、C6與磁環(huán)的效果是與C3、C4、L相同的，最終使接收機檢測到的干擾最小。

圖4 共模等效濾波電路

共模扼流圈與X電容組成差模、低通濾波器，分析方法與共模類似：源端的干擾信號流出后，首先經(jīng)過A點，XC1與后面的電路并聯(lián)，干路L（共模扼流圈）處于高阻狀態(tài)，XC1為低阻，而并聯(lián)時電流的分配與兩者阻值的比值成反比，XC1的阻抗值越小會有更多的干擾信號流向XC1，XC1起到分流、濾波的作用。干擾通過A點之后，共模扼流圈會消耗一部分干擾。當(dāng)干擾電流流至B點時，XC2與接收機并聯(lián)，并聯(lián)時電流的分配與兩者阻值的比值成反比，XC2的阻抗值越小會有更多的干擾信號流向XC2，XC2同樣起到分流、濾波的作用，最終使接收機檢測到的干擾最小。

1.3 高頻電磁干擾分析

在騷擾功率測試中，吸收鉗檢測除了空間電磁發(fā)射的干擾外，還有來自線纜的輻射干擾。外機連接線對內(nèi)的騷擾功率測試如圖5所示，因為控制器的熱地與外機的機殼地相連，連接線地線也接在機殼地，高頻時由于C3、C4的阻抗很小，干擾一部分通過電源線傳遞（i3），一部分從控制器熱地流向機殼地（i2），并通過連接線地線進行傳遞。但電源線有共模扼流圈和磁環(huán)對干擾進行衰減，而地線卻無措施，當(dāng)?shù)鼐€干擾較大時易造成測試不合格。

圖5 連接線騷擾功率測試示意圖

2 一種針對變頻空調(diào)高頻干擾抑制方法

2.1 抑制高頻電磁干擾原理

由1.3節(jié)可知，高頻電磁干擾通過后級Y電容向連接線地線進行傳遞，本質(zhì)原因是在高頻時電容的阻抗小，使得流經(jīng)地線的干擾大。因此猜想可在后級接地電路增加一個帶阻措施[9]，增大高頻時的接地阻抗，抑制干擾直接從地線傳出。由1.2節(jié)分析可知，在端子騷擾電壓測試中，后級的接地阻抗若增大會影響濾波效果，進而影響測試結(jié)果。因此不能直接去掉后級C3、C4電容（等效于接地電阻無限大），有必要深入研究帶阻措施。

2.2 高頻仿真電路驗證

為了驗證接地電阻對實驗測試的影響，利用仿真[10]軟件搭建一個簡易的高頻仿真電路進行效果對比。查閱共模扼流圈和磁環(huán)高頻阻抗特性，使用一個固定阻值的電阻近似替代，忽略電路的諧振影響，加入電容C3、C4、C5、C6等效電路模型，并在電容后面增加一對接地電阻。模擬施加一個干擾源，在地線放置一個負(fù)載，等效于吸收鉗接收干擾。通過在后級Y電容接入不同接地電阻的阻值，比較負(fù)載接收到的干擾大小。由圖6仿真結(jié)果看出，在電路中使用接地電阻的阻值越大，負(fù)載的插入損耗越大，說明通過負(fù)載的干擾越小，證明后級Y電容加接地電阻對高頻干擾有抑制作用。

圖6 搭建不同接地電阻的仿真電路及結(jié)果

3 實驗案例應(yīng)用

3.1 問題描述

某變頻空調(diào)測試端子騷擾電壓合格，但連接線對內(nèi)騷擾功率，在頻率點41.56 MHz AV值 -2.16 dB，在頻率點103.48 MHz AV值 -2.71 dB，裕量不滿足測試要求，測試曲線如圖7所示。

圖7 不合格測試曲線

3.2 問題分析

發(fā)現(xiàn)外機采用形如圖3的常用單級濾波電路，初步判斷干擾從外機控制器熱地傳出，并通過連接線地線進行傳遞。為驗證連接線的干擾主要來自于地線，利用F-52電流探頭測量連接線地線的干擾。F-52探頭測量與吸收鉗用途相似，主要用于分析線路的干擾。測量地線干擾結(jié)果看出，地線干擾大小、趨勢與吸收鉗測試結(jié)果相符，同時測量其余線路（火線、零線、通訊線），發(fā)現(xiàn)干擾比地線要低，證明干擾主要來自地線。

進一步驗證高頻干擾是控制器通過濾波電路的后級Y電容傳出，而非來源于機殼地。單獨將后級的Y電容去掉，截斷其干擾傳遞路徑，復(fù)測騷擾功率合格（圖8）。同時，復(fù)測端子騷擾電壓實驗，發(fā)現(xiàn)低頻測試不合格，符合猜想結(jié)果。

圖8 去掉后級Y電容騷擾功率和端子騷擾電壓測試結(jié)果

3.3 整改方案

選取36 Ω、68 Ω、120 Ω、220 Ω的貼片電阻分別裝在濾波電路的后級Y電容接地處，分別對比騷擾功率和端子騷擾電壓測試情況。由圖9測試結(jié)果中看出，加接地電阻能有效抑制高頻干擾通過后級Y電容的地傳到機殼上，所選取電阻的阻值越大，高頻抑制效果越好，同時低頻端子騷擾電壓測試受影響越明顯。

圖9 不同阻值測試結(jié)果對比

3.4 小結(jié)

本節(jié)通過某變頻空調(diào)測試不合格的實例，利用電流探頭分析干擾源的傳遞路徑，并驗證高頻干擾從控制器濾波后級Y電容向地線傳出。測試結(jié)果表明，在后級Y電容至接地位置，增加使用接地電阻，可以有效抑制高頻干擾傳出地線，并能保證端子騷擾電壓和騷擾功率測試合格。

4 結(jié)論

文章對傳統(tǒng)單級濾波電路的深入分析，指出電容在高頻時的低阻特性會為電磁干擾提供一個傳遞路徑，易