1、毕业设计(论文)任务书学生姓名 专业班级 指导老师 工作单位 自动化学院 设计(论文)题目： 通信用 DC/DC 变换器 EMI 滤波器的研究及设计 设计(论文)主要内容： 归纳通信用 DC/DC 变换器的要求，如电话衡重杂音、峰峰值杂音、宽频杂音、离散杂音输出纹波、THD、绝缘强度等参数要求及影响因素，设计变换器的输入滤波器和输出滤波器，确定系统控制方案，完成电路设计，建立数学模型并进行仿真分析。要求完成的主要任务：（1）熟悉通信用 DC/DC 变换器的工作原理及滤波要求，DC/DC 变换器输入2672V，输出 48V，功率 5KW；（2）设计输入滤波器和输出滤波器，使得电话衡重杂音电压值2
2、mv ，峰- 峰值杂音电压值100mv，离散杂音电压值5mv，宽频杂音电压值20mv；（3）熟悉 MATLAB 原理及编程方法，完成 MATLAB 仿真分析；（4）完成电路设计与调试；（5）撰写毕业设计论文，字数 15000 左右；（6）翻译外文文献 20000 字符。参考资料1 张厚.电磁兼容原理 .西北工业大学出版社,2009,4.2 强生泽,杨贵恒,李龙,钱希森.现代通信电源系统原理与设计.北京:中国电力出版社,2009.3 郝晓冬,乔恩明 .电源系统电磁兼容设计与应用.中国电力出版社,2007.4 黄小军,黄济青编著 .通信用高频开关电源.北京:机械工业出版社,2004.5 李爱文.现
3、代通信基础开关电源的原理和设计.北京:科学出版社,2001,7.指导教师签名 系主任签名 院长签名(章) 武汉理工大学本科学生毕业设计（论文）开题报告1、设计目的及意义（含国内外的研究现状分析）通信电源是构成各种通信手段必不可少的组成部分，对确保通信质量具有十分重要的影响。随着通信技术的快速发展和通信设备的不断更新，现代通信网络对电源系统供电质量的要求越来越高。而要通信电源产品能达到高效率、高功率密度等要求，这就要求通信电源设备对电能变换的高频化。在新型功率器件不断涌现和“软开关”技术迅猛发展的背景下，高频开关电源在通信设备中得到了广泛的使用，DC/DC 变换器是高频开关电源中的一个重要组成部
4、分，该单元由高频功率开关与变压器、高频整流器组成，将直流变换成高频交流，经变压器隔离、降压整流变成直流，其控制由脉冲宽度调制专用集成控制器担任。国外用于通信设备的机架电源的 DC/DC 变换器其变换频率一般在 500KHz 以下，更高频率的 DC/DC 变换器尚处于实验阶段。由于频率高，势必产生很强的 EMI，继而影响到通信质量，这就需要在这方面研究以解决该问题。同时随着国际电磁兼容法规的日益严格，产品的电磁兼容性能指标要求越来越高。为了减小电气电子设备间的相互干扰，营造良好的电磁工作环境，世界各国都制定了各自的电磁兼容标准，以利于设备相互间的工作协调，如国际电工委员会的 IEC61000 及
5、 CISPR 系列标准、欧共体的EN 系列标准、美国联邦通信委员会的 FCC 系列标准、北美标准等等，未达到电磁兼容标准的产品不准进入市场。因此，对通信用 DC/DC 变换器 EMI 滤波器的研究是很有必要的。一般来说，电磁兼容性(Electromagnetic Compatibility ,EMC)是指设备或系统在其电磁环境中能正常工作且不对该环境中的任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力。具体包括以下两方面的含义:(l)电子设备或系统内部(包括部件和子系统)在自己所产生的电磁环境及在它们所处的外界电磁环境中，能按原设计要求正常运行。(2)设备或系统自己产生的电磁噪声必须限制在一定的电平，电磁
6、干扰不对周围的电磁环境造成严重的污染和影响其它设备或系统的正常运行。电磁干扰(Electromagnetic Interference，EMI)的构成有三个要素:干扰源、噪声的藕合路径及被干扰设备。因此，电磁兼容要解决的主要问题是:削弱干扰源的能量，隔离或减弱噪声祸合途径及提高设备对电磁干扰的抵抗能力。电磁干扰能量主要通过辐射性祸合和传导性祸合进行传输。屏蔽、滤波和接地是最常用的电磁兼容控制技术。屏蔽用于切断空间的辐射发射途径，滤波用于切断通过导线的传导发射途径，而接地的好坏则直接影响到设备内部和外部的电磁兼容性。本文从电磁兼容的角度出发，旨在通过设计输入滤波器和输出滤波器来使开关电源达到电磁
7、兼容标准。通过分析通信用 DC/DC 变换器的入网标准及其电磁干扰信号特点，提出了滤波器性能指标，然后根据这些指标来设计变换器的输入滤波器和输出滤波器，并建立数学模型，用 MATLAB 进行仿真分析。2、基本内容和技术方案基本内容：归纳通信用 DC/DC 变换器的要求，如电话衡重杂音、峰峰值杂音、宽频杂音、离散杂音输出纹波、THD、绝缘强度等参数要求及影响因素，设计变换器的输入滤波器和输出滤波器，并建立数学模型进行仿真分析。技术方案：(1) 熟悉通信用 DC/DC 变换器的工作原理及其滤波要求，分析电磁干扰的产生及其影响，探讨研究设计的意义；(2) 根据通信用 DC/DC 变换器的入网标准来设
8、计输入滤波器和输出滤波器，通过分析选择滤波器基本结构；考虑电源滤波器为达到最佳消除噪声的能力，不光要依靠滤波器电路的滤波功能，而且还要依靠电路阻抗不匹配原理(阻抗不匹配就会产生反射，这样就能反射噪声，使之不能通过滤波器，进而达到最佳滤波效果)。而且商用产品为了覆盖大多数的应用范围，故采用比较保险的 型滤波结构；(3) 详细设计整个 EMI 电源滤波器的结构，并进行滤波电感、电容的计算与型号选择；(4) 熟悉 MATLAB 原理及编程方法，建立滤波器的高频等效电路模型并用 MATLAB 进行仿真分析，修正滤波器元器件参数。3、进度安排第 12 周： 毕业实习，撰写毕业实习报告；第 34 周： 翻
9、译外文资料，初步确定方案，完成开题报告；第 5 周： 确定最终方案，并进行可行性分析；第 68 周： 硬件设计及程序代码编制；第 9 周： 中期检查；第 1011 周： 综合调试，根据结果完善系统；第 1214 周： 完成论文撰写；第 15 周： 论文答辩；第 16 周： 论文装订。报告人签字： 年 月 日4、指导教师意见同学调研比较充分，研究内容充实，技术方案明确可行，现已经具备开始毕业设计的条件。该生能达到预期的目标，同意进入设计阶段。指导教师签名： 年 月 日目录摘要 IAbstract.II1 绪论 11.1 研究背景及意义 11.2 国内外研究现状 21.3 主要研究内容 32 通信
10、电源原理及行业标准分析 42.1 降压式 Buck 变换器的工作原理 .42.2 通信用 DC/DC 变换器指标及其测量 53 EMI 滤波器的设计 93.1 EMI 滤波器设计步骤 93.2 滤波电路的选择 93.2.1 阻抗失配原则 93.2.2 电路结构选择 93.3 输入滤波器设计 .113.3.1 共模干扰滤波器设计 .113.3.2 差模干扰滤波器设计 .123.3.3 输入滤波器滤波电路 .133.4 输出滤波器设计 .133.5 滤波器元件的选取 .153.5.1 滤波电感的选取 .153.5.2 滤波电容的选取 .193.6 EMI 滤波器的正确安装 .214 滤波器的 MA
11、TLAB 仿真分析 224.1 滤波器模型的建立 .224.2 未加滤波器的电路仿真分析 .234.3 添加滤波器的电路仿真分析 .24结束语 .26致谢 .27参考文献 .28武汉理工大学毕业设计(论文)I摘要随着开关电源类产品的日益增多，电磁兼容设计成为开关电源开发过程中至关重要的一个环节，相应的电磁兼容标准也成为开关电源类产品必须满足的性能指标。高频开关电源是严重的电磁干扰源，很多情况下需对其安装 EMI 电源滤波器。本文针对通信领域中开关电源的 DC/DC 变换模块研究与设计 EMI 滤波器。本文以通信用 DC/DC 变换器为对象，设计 EMI 电源滤波器。在阐述开关电源电磁干扰基本特
12、点的基础上，提出了利用 型滤波电路结构滤除电路中存在的干扰。文中阐述了EMI 滤波器的基本原理、拓扑结构、设计原则和滤波器件的高频特性，简要介绍了通信用的 DC/DC 变换器的工作原理和指标参数。通过了解开关电源需要满足的电磁兼容标准，测试分析其电磁干扰信号特点，提出滤波器性能指标。通过相关的国家标准和指标参数，计算出滤波器元件的参数值。在确定了滤波器结构和元件参数后，利用 MATLAB 的Simulink 平台进行仿真，观察电路中各个部分产生的干扰和添加滤波器前后电路运行的情况。通过比较，可以证明设计的正确性。关键词：EMI 滤波器；DC/DC 变换器；开关电源；MATLAB武汉理工大学毕业
13、设计(论文)IIAbstractWith expanding switch power product，electromagnetic compatibility (EMC)design has been one of the most important parts during the research and development process of switch power. Corresponding standards of EMC have been required which switch power should satisfy. Switch power of hig
14、h frequency is serious electromagnetic interference(EMI)source，so EMI source filter usually should be added in switch power. In the dissertation the research and design of EMI filter is limited in DC to DC converter of the switch power in the field of telecommunication.EMI filter is designed on the
15、basis of DC to DC converter. An idea that using the -shaped circuit to filter the interference in the circuit is proposed based on the analysis of primary character of EMI. Basic theory of EMI source filter，topological structure，principle of design and high frequency performance of filtering compone
16、nts are illustrated and the principle and parameters of DC to DC converter are introduced briefly in this dissertation. By knowing EMC standards that switch power should satisfy, characteristics of EMI signal are tested and analyzed and Performance indexes of filter are presented. The values of the
17、filtering components are calculated based on the national standards. And then ,after constructing the simulation model，this dissertation simulates the circuit on the Simulink platform in MATLAB. By comparing the waves before and after the filter is added into the circuit, the correction of the desig
18、n can be verified.KEYWORDS: EMI filter; DC to DC converter; switch power; MATLAB武汉理工大学毕业设计(论文)11 绪论1.1 研究背景及意义高频开关电源由于其在体积、重量、功率密度、效率等方面的诸多优点，已经被广泛地应用于工业、国防、家电产品等各个领域。然而，随着开关电源类数字电路的普及和发展，电气电子设备辐射和泄漏的电磁波严重干扰了其他电气电子设备的正常工作，成为一种无形的污染。同时随着国际电磁兼容法规的日益严格，产品的电磁兼容性能指标要求越来越高。为了减小电气电子设备间的相互干扰，营造良好的电磁工作环境，世界各
19、国都制定了各自的电磁兼容标准，以利于设备相互间的工作协调，如国际电工委员会的 IEC61000 及 CISPR 系列标准、欧共体的 EN 系列标准、美国联邦通信委员会的 FCC系列标准、北美标准等等。我国现行的 GBfr13926 系列电磁兼容标准主要是参照 CISPR修订的。因此，开关电源电磁兼容问题的研究是十分必要的。在开关电源应用于交流电网的场合，整流电路往往导致输入电流的断续，这除了大大降低输入功率因数外，还增加了大量高次谐波。同时，开关电源中功率开关管的高速开关动作( 从几十千赫兹到数兆赫兹)形成了 EMI 干扰源，其交变电压和电流会通过电路中的元器件产生很强的尖峰干扰和谐振干扰。在
20、开关电源中重要存在的干扰形式是传导干扰和进场辐射干扰，传导干扰还会注入电网，这些干扰严重地污染电网，影响领进电子仪器及设备的正常工作。同时由于这一缺点，开关电源无法应用于一些精密的电子仪器中。开关电源产生 EMI 最根本的原因是其在工作过程中产生的高 di/dt 和高 ，它dtv们产生的浪涌电流和尖峰电压形成了干扰源。工频整流滤波使用的大电容充电放电、开关管高频工作时的电压切换、输出整流二极管的反向恢复都可以产生这类干扰源。开关电源种的电压、电流波形大多为接近矩形的周期波，比如开关管的驱动波形、MOSFET的漏源波形等。对于矩形波，周期的倒数决定了波形的基波频率；两倍脉冲边缘上升时间或下降时间
21、的倒数决定了这些边缘引起的频率分量的频率值，而它的谐波频率就更高了。这些高频信号都对开关电源基本信号，尤其是控制电流的信号造成干扰。通信用的开关电源开关频率达到了 30MHz,所有对其的 EMI 研究是必要的。一般来说，电磁兼容性(Electromagnetic Compatibility ,EMC)是指设备或系统在其电磁环境中能正常工作且不对该环境中的任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力 1。具体包括以下两方面的含义:(l)电子设备或系统内部 (包括部件和子系统 )在自己所产生的电磁环境及在它们所处的外界电磁环境中，能按原设计要求正常运行。(2)设备或系统自己产生的电磁噪声必须限制在一定的电
22、平，电磁干扰不对周围的电磁环境造成严重的污染和影响其它设备或系统的正常运行。电磁干扰(Electromagnetic Interference，EMI)的构成有三个要素:干扰源、噪声的祸合武汉理工大学毕业设计(论文)2路径及被干扰设备 2。因此，电磁兼容要解决的主要问题是: 削弱干扰源的能量，隔离或减弱噪声祸合途径及提高设备对电磁干扰的抵抗能力。电磁干扰能量主要通过辐射性藕合和传导性藕合进行传输。屏蔽、滤波和接地是最常用的电磁兼容控制技术。屏蔽用于切断空间的辐射发射途径，滤波用于切断通过导线的传导发射途径，而接地的好坏则直接影响到设备内部和外部的电磁兼容性。1.2 国内外研究现状在电磁兼容性设
23、计方面欧美等国家起步较早，发展很快。早在上世纪 40 年代就已经提出了电磁兼容概念，60 年代，出现了电磁兼容的计算机辅助分析，80 年代以后，电磁兼容的分析预测性设计逐渐发展并且得到应用，研制了大量不同规模的电磁兼容分析预测软件，同时建立了相应的电磁兼容标准和规范，形成了一整套完整的电磁兼容体系。我国由于过去经济基础比较薄弱，电磁兼容的矛盾不突出，所以起步较晚、水平较低，大多停留在被动的或半主动的解决电磁干扰问题阶段。在 70 年代，国内一些单位特别是军品单位在实际工作中遇到了电磁兼容问题，开始引起重视。80 年代成立了全国无线电干扰标准化技术委员会，研究和制定了一些电磁兼容标准。随着电磁兼
24、容热的迅速升温，国内的一些科研单位、大学也逐渐建立了电磁兼容实验室，进行电磁兼容的检测和认证及电磁环境的测试和评估工作。我国在电磁兼容分析预测方面也作了不少努力，一些系统内、系统间的小规模针对性的电磁兼容分析预测软件己研制出来，如航天部开发的BHEMCAP 软件。目前电磁兼容在军用产品中应用相当广泛，在民用产品中也越来越受到重视。在此期间，滤波技术作为电磁兼容控制的关键技术，也得到了迅速的发展。EMI 滤波器作为滤波技术的载体之一，在国内外研究人员的努力下，其设计理论不断发展。ShifinanJ.C.在 1965 年提出一种图表方法，通过事先绘制成的滤波器插入损耗分析列线图设计单级 L 型或
25、型 EMI 滤波器 3。1994 年，Laszio Tihan 外在其专著中发展了这一方法，考虑滤波器件高频特性对列线表的影响，并且这一方法不再局限于单级滤波器 4。Richard Lee Ozenbaugh 提出了另一种方法，根据设计阻抗和插入损耗要求选取滤波网络，估算元件参数，然后不断的校核分析滤波器插入损耗，修正元件参数 5。这些设计方法分析过程繁杂，校核运算量都很大。在上述理论设计方法的指导下，近年来又出现了一些新的设计方法。文献6提供了一种滤波元件数值的计算方法，它以输入阻抗、输出阻抗、电磁兼容标准、正常工作时流过滤波器的电流等作为初始条件，引入滤波器设计阻抗和截止频率的概念，根据截
26、止频率、电磁兼容标准及选取的滤波器电路形式计算得出滤波元件值。这种设计方法简单快捷，但是没有考虑到元器件的高频特性及共模电感磁芯的性质，实际制作通常达不到预期的目标。文献7提出一种连续正交阵列(consecutive Orthogonal Array)方法，无需分离共模和差模噪声信号，直接设计整个 EMI 滤波器，而且能够保证较高的功率因数(Power Factor)。但是如果滤波器的拓扑结构复杂一些，其运算量相当大。文献8 采用平面电磁综合技术 (Planar Electromagnetic Integration Technology)，通过减小武汉理工大学毕业设计(论文)3等效串联电感和
27、等效并联电容，提高滤波器高频特性，最后利用 Maxwell 二维有限元(FEA)软件验证滤波器结构。1.3 主要研究内容根据对 EMI 滤波器的设计要求，本文主要做了以下几个方面的研究：(1)概述电磁兼容的定义、电磁兼容研究的意义和目前国内外电磁兼容设计的研究情况。(2)介绍通信用 DC/DC 变换器的工作原理，讨论其指标参数，及其参数的测量方法。(3)讨论 EMI 滤波器的特点，选定滤波器电路结构。建立滤波器的共模及差模等效电路模型，讨论通信用 DC/DC 变换器整流前所加滤波器和在整流后加的滤波电路，分析滤波电感、滤波电容的高频电路模型及高频特性，区别单相和三相情况下共模、差模电感的绕制方
28、向及滤波原理，分析滤波器的工程安装问题。(4)根据通信用 DC/DC 变换器的原理电路图设计 MATLAB 仿真模型，并仿真观察未加滤波器时电路运行情况，以及仿真添加了滤波器后电路的运行情况。通过实际测试，验证 EMI 电源滤波器的性能，对仿真分析结果与实际测试结果进行对比分析，验证等效电路模型和滤波器设计方法的合理性。武汉理工大学毕业设计(论文)42 通信电源原理及行业标准分析通信电源站的基础电源为-48V,而通信设备还需要 等直流电源。这12V54、 、些不同类的直流电源要由 DC-DC 变换器来提供；另外，开关整流器的主要组成部分是DC-DC 变换器。因为它是转换的核心，涉及效率、可靠性
29、及整个技术指标，因此 DC-DC变换器既是通信电源站单独的重要设备，又是开关整流器的重要组成部分。DC-DC 高频变换器的功率级电路分类如下：在通信电源站及开关整流器中，采用的 DC-DC 变换器主要有非隔离型的升压变化器，隔离型的单端正激变换器及双端半桥、全桥变换器。2.1 降压式 Buck变换器的工作原理由于通信用 DC-DC 变换器种类很多，工作原理亦各不相同。在此选非隔离型降压式Buck 变换器为例来说明变换器的原理。图 2-1 是降压式 Buck 变换器的主电路和它的有关波形 9。它是由全控型期间IGBT、储能电感 L 和续流二极管 VD 所组成的。为在 IGBT 关断时给负载中的电
30、感电流提供通道，设置了续流二极管 VD。由图 2-1(b)IGBT 的栅极电压 uGE 波形可知，在 t=0 时刻驱动 IGBT 导通，电源 E 向负载供电，负载电压 u0=E，负载电流按指数上升。当控制IGBT 关断，负载电流经二极管 VD 续流，负载电压 u0 近似为零，负载电流呈指数曲线下降。为使负载电流连续且脉动小，通常串接 L 值较大的电感。至一个周期 T 结束，再驱动 IGBT 导通，重复上一个周期的过程。当电路工作于稳态时，负载电流在一个中期的初值和终值相等。负载电压的平均值为(2-1)0ononfttUET式中， 为 IGBT 处于通态的时间； 为 IGBT 处于断态的时间；
31、T 为开关周期；ont oft为导通占空比。武汉理工大学毕业设计(论文)5由此式知，输出到负载的电压平均值 最大为 E，若减小占空比 ，则 随之减小。0U0U图 2-1 Buck 变换器的主电路及其相关波形2.2 通信用 DC/DC变换器指标及其测量开关电源整流模块是通信基础开关电源系统的主要组成部分，系统的性能指标都是由整流模块决定的。所以，原邮电部专门制定了关于整流模块的设计制造标准，即“YD/T731”， “入网检验实施细则”对整流模块的性能也做了详细的规定，在设计制造开关电源整流模块时，必须使各项指标达到或超过它们的要求。在此要考虑的是输出电压的杂音、THD、绝缘强度。现代通信设备都要
32、求基础开关电源系统能够输出一个非差稳定的直流电压，但是，在开关电源整流模块输出的直流电压上都会存在多种频率的交流成分，这些交流成分统称为输出电压杂音。杂音的频率主要有工频成分、开关频率成分和高频成分。整流模块直流输出电压的杂音包括电话衡重杂音、宽频杂音、离散杂音、和峰-峰值杂音。(1)衡重杂音衡重杂音考核的是电压杂音对电话的通话质量的影响程度 10。根据 YD/T 637-2006标准，电话衡重杂音电压值不大于 2mV。这种杂音是根据人耳对不同频率信号的敏感程度，将各种频率的杂音进行加权后，再取均方根得到的，因此又称为电话衡重杂音。具武汉理工大学毕业设计(论文)6体地说，人耳的可闻频率范围大约
33、是 16Hz 20kHz，而人耳敏感的频率范围是 300Hz 3400Hz，所以衡重杂音考核的是这个频率范围的电压杂音。在这个频率范围中，人最敏感的频率范围是 8001200Hz，所以在考核电话衡重杂音时，对 8001200Hz 范围内的电压杂音加权最重，加权系数都不小于 1。典型频率的电压杂音的加权系数可见表 2.1。表 2.1 典型频率的电压杂音的加权系数频率（Hz）300 400 500 600 800 1000 1200 1500 2000 2500 3000dB 数 -10.6 -6.3 -3.6 -2.0 0 1 0 -1.3 -3.0 -4.2 -5.6系数 0.295 0.48
34、4 0.661 0.794 1.0 1.122 1.0 0.861 0.708 0.617 0.525衡重电压杂音的测量，应采用专业仪表“QZY11 高低频杂音测试仪” 。按图 2-2 接线，QZY11 置于电话加权挡，电平置于-50dB(3mV)挡，仪表输入可置于挡，即可直接读出衡重电压杂音的毫伏值 10。图 2-2 电压杂音的测量电路(2)宽频杂音所谓宽频，是相对于衡重电压杂音的频段来说的，衡重杂音考核 3400Hz 以下的电压杂音，而宽频杂音则考核 3400Hz 以上，直到 30MHz 的电压杂音，并且分两段考核，即3.4kHz150kHz 和 0.15MHz30MHz。每一个频段都是将
35、各个频率的电压杂音不加权地取均方根值 10。根据 YD/T 637-2006，宽频杂音电压值在 3.4kHz30MHz 频率范围内杂音电压值不大于 20mV。宽频杂音的测量，也是采用专用仪表“QZY11 高低频杂音测试仪” 。按图 2-2 接线，QZY11 高低频杂音测试仪输入可置于高阻抗挡，若频段选择置于 II 挡，可以直接读出3.4kHz150kHz 段宽频电压杂音的毫伏值；若频段选择置于 III 挡，可直接读出0.15MHz30MHz 段宽频电压杂音的毫伏值。(3)离散杂音离散杂音是指无线电干扰杂音或射频干扰杂音，考核的是个别频率的电压杂音 10。离散杂音分为四个频段进行考核，即 3.4
36、kHz150kHz，150kHz200kHz ，200kHz500kHz和 0.15MHz30MHz。根据 YD/T 637-2006 标准,离散杂音电压限值如表 2.2。武汉理工大学毕业设计(论文)7表 2.2 离散频率杂音电压限值频带 离散频率杂音电压(mV)3.4kHz150kHz 5150kHz200kHz 3200kHz500kHz 20.15MHz30MHz 1离散杂音用选频表来测量，前三个频段的离散杂音可以用国产 620kHz 的选频表来直接测量，最高频段的离散杂音可以用国产 30MHz 的选频表来直接测量。进口数字式综合谐波分析仪可直接测量每个频段的离散杂音。离散杂音的测量电路
37、仍然是图 2-2 所示，只是杂音计改用选频表而已。(4)峰-峰值杂音峰-峰值杂音是指叠加在直流输出电压上的、020MHz 频率范围内的所有交流电压成分的最高峰-峰值 10。根据 YD/T 637-2006 标准, 峰 -峰值杂音电压限值如表 2.3。峰-峰值杂音电压需要用 30MHz60MHz 的示波器来测量，测量电路仍然是如图 2-2所示。测量时，示波器的 Y 轴应置于 10mV/div50 mV/div 的范围内。表 2.3 峰-峰值杂音电压限值额定输出电压(V) 杂音电压值(mV)24 10048 200(5) 绝缘强度绝缘强度也叫介电强度，或者简称“耐压” 。 “YD/T731”标准和
38、“入网检验实施细则”对绝缘强度的要求：交流部分对地，以及交流部分对直流部分应能承受 50Hz,1500V 交流电压 1 分钟而无击穿、无飞弧现象，漏电流不大于 30mA;直流部分对地应能承受50Hz、500V 交流电压 1 分钟而无击穿、无飞弧现象，漏电流不大于 30mA。在设计开关电源时，只要解决好以下几个问题，就能保证其绝缘强度满足要求:选择合格的元、器件，如断路开关、半导体开关管、风机、接线端子等的耐压都非常重要;合理设计电气间隙和爬电距离;合理选择逆变变压器和铁芯电抗器的绝缘材料 ;加工、制作、装焊、调试和运输过程中，都要保证不损坏有关的元器件。(6)总谐波畸变率 (Total Ham
39、onic Distortion,THD)周期性交流量中的谐波含量的方均根值与其基波分量的方均根值之比(用百分数表示)。电压总谐波畸变率以THD u表示，电流总谐波畸变率以THD i表示。武汉理工大学毕业设计(论文)8根 据 傅 立 叶 分 析 的 理 论 ， 任 何 周 期 信 号 可 以 视 为 一 系 列 不 同 频 率 、 幅 值 和 相 位 的正 弦 信 号 的 叠 加 ， 包 括 和 原 始 信 号 同 周 期 的 信 号 （ 基 波 ） 和 更 高 频 率 的 正 弦 信 号 （ 谐波 ） 。 以 电 流 信 号 为 例 ， 如 基 波 电 流 的 有 效 值 为 I1， 二 次
40、谐 波 电 流 的 有 效 值 为I2， ， 一 般 地 ， 可 以 记 n次 谐 波 的 有 效 值 为 In。定义总谐波畸变率(THD)(2-2)2222341THD(II)n 式中， 分别为电流基波分量，二次谐波，n次谐波电流的有效值 11。12II， ， ，谐波电流严重有很大的危害，主要表现在：污染电网，干扰其它用电设备；输入电流有效值大，增加了线路和断路器、熔断器的规格；供电容量增加，浪费了电能，也加大了前级设备的定额；增加了中线上的负荷，降低了供电的安全性和可靠性。因此总谐波畸变率越小越好。武汉理工大学毕业设计(论文)93 EMI滤波器的设计3.1 EMI 滤波器设计步骤在经过接地
41、、屏蔽、布局、布线等电磁干扰的抑制措施之后，电力电子装置的干扰频谱必然还会超过 EMC 标准极限发射值，此时就需要采用 EMI 滤波器来减小干扰发射值，EMI 滤波器的设计大致可以分为以下几个步骤12：(1)预估或者测量干扰的噪声频谱值，包括差模和共模干扰各自的频谱值。测量差模干扰时，可以把机壳与参考地的连接线断开；共模干扰则可以测量两根输入线电缆的干扰电流频谱。(2)确定所设计滤波器的共模插入损耗和差模插入损耗。由共模、差模传导干扰的测量结果与标准限值，加上适当的裕量可得到滤波器的插入损耗。(3)根据噪声源阻抗和噪声的负载阻抗特性及“阻抗失配”原则，选择滤波器结构。(4)根据插入损耗确定 E
42、MI 滤波器元件的参数。包括共模滤波器元件参数的确定和差模滤波器元件参数的确定。(5)调整 EMI 滤波器的高频参数，这是因为滤波器的高频寄生参数会在一定程度上腐化滤波器的高频性能，导致绝大多数 EMI 滤波器的设计在实际中不能完全满足高频衰减要求。3.2 滤波电路的选择3.2.1 阻抗失配原则当滤波器的输出阻抗 Z0 和与之端接的负载阻抗 ZL 不相等时，在该端口上会产生 EMI噪声反射，反射系数 定义为(3-1)0=LZ0 和 ZL 相差越大， 越大，端口产生的 EMI 噪声反射也越大， EMI 滤波器的输出阻抗与噪声源阻抗失配就越严重，滤波器性能就越好，这就是滤波器结构选取的“阻抗失配”
43、原则。3.2.2 电路结构选择对于电磁干扰信号，电感是高阻抗的，电容是低阻抗的，因此根据上一节介绍的“阻抗失配”原则，在进行 EMI 滤波器电路结构的设计时应遵循下列原则:如果源内阻和负载是阻性或感性的，与之端接的滤波器接口就应该是容性的；如果源内阻和负载是容性的，与之端接的滤波器接口就应该是感性的。根据上述要求，参照图 3-1 所示的源阻抗和负载阻抗在各自的阻抗值变化时所选择的滤波器的结构形式，得到常用的滤波器电路模型如表 3.1 所示。例如，当源阻抗和负载阻抗都很高时，EMI 滤波器可以选择 型 13。武汉理工大学毕业设计(论文)10滤波器主要由电容和电感等无源元件组成，因为干扰是双向的，
44、故加装的滤波器也应考虑双向抑制，它既要抑制外部干扰，又要防止设备自身运行时对外部产生干扰，而且要能同时抑制差模干扰和共模干扰。实际电路中，EMI 滤波器为达到最佳消除噪声的能力，不光要依靠滤波器电路的滤波功能，而且还要依靠电路阻抗不匹配原理，因为阻抗不匹配就会产生反射，这样就能反射噪声，使之不能通过滤波器，进而达到最佳滤波效果。噪声源E M I滤波器噪声源内阻 N负载阻抗 G图 3-1 源阻抗和负载阻抗表 3.1 EMI 滤波器的端接方式源阻抗 N 负载阻抗 G 滤波器形式低 低低 高高 低高 高以 型滤波结构为例，可以看到， 型滤波器的输入端口是电容，那么在高频下这个滤波电路的输入阻抗是低阻
45、抗；同样输出端口也是电容，那么输出阻抗也是低阻抗。而这个电路要求源和负载阻抗是高阻抗就十分容易理解了：高的源阻抗与低的滤波器输入阻抗产生阻抗不匹配，高的负载阻抗与低的滤波器输出阻抗同样也会产生阻抗不匹配。因为不匹配，那么噪声在输入和输出端口上都会被反射，那么这种阻抗不匹配，导致噪声更加不易通过滤波器。武汉理工大学毕业设计(论文)113.3 输入滤波器设计3.3.1 共模干扰滤波器设计考虑到三相电路里共模干扰是存在于每一相与大地之间的，而一般电源在输送到用户的时候，都已经在每一相和地线之间添加了滤波电容，所以实际上三相电路的共模滤波电路都是选择图 3-2 所示的结构。如图 3-2 所示，L 为六
46、抽头共模电感，跨接在三相电源之间，C Y1、C Y2、C Y3 并接在相线和地线之间。当共模干扰电流通过共模线圈时，磁环中的磁通相互叠加，产生的高感抗对共模电流起到抑制作用。共模噪声是从电源线 A、B 、C 三相对地 E 加入的干扰信号，以 A 相为例，当干扰信号进入电磁干扰滤波器时，信号通过共模电感线圈 L1 时，因产生的磁场方向相同而受到急剧的衰减，然后经 CY1 入地。ABCLE整流桥CY 1CY 2CY 3图 3-2 共模滤波电路确定电路结构后，对 CY 电容量进行限制，从而达到控制在规定频率电压作用下，流过它的电流（即漏电流）的大小达到安全标准。根据 YD/T 731-2002 中规
47、定，有地线漏电流 Ig30mA ，而(3-2)6my210()gIUfCmA式中： 为电网电压， 为电网频率，Ig 为允许的接地漏电流。故可以得到 电容mUmf YC(3-3)(1026nFfICmgy因此，受漏电流的限制，交流电源中， 一般取 22004700PF，再求共模电感 。受Y CML到电源频率下允许电压降的限制，共模电感不能选得太大。在电网频率下，电感器上的压降为(3-4)22)(LfRZUmmf 式中 为电感器的电感量； 为等效电阻； 为电网频率； 为网侧额定工作电流。考LRI虑到电网中可能产生的浪涌电流的影响，通常 只允许限制在额定工作电压的百分之几，武汉理工大学毕业设计(论文
48、)12如果忽略电感器内阻 R 上的电压降，假设允许电感器上的电压降等于 ，则允许串接maxU电感 的数值（也就是共模电感 的最大取值）为maxLCML(3-5)mfU2axax电感的取值，首先磁芯材料的频率范围较宽，要保证最高频率在 1GHz，即有较稳定的磁导率，磁芯材料一般是铁氧体。电感量的估算应该考虑阻抗和频率，共模扼流圈取值 1.5mH5mH。3.3.2 差模干扰滤波器设计根据前面讨论的滤波电路的结构选型原则，差模滤波电路的设计见图 3-3。ABCL整流桥CX 1CX 2CX 3CX 4CX 5CX 6图 3-3 差模滤波电路如图 3-3 所示，C X1、 CX2、C X3、C X4、C
49、 X5、C X6 作为前后两组电容，并接在交流电源进线每两相间。以 A 相为例，当差模噪声经电源线 A 相进入电磁干扰滤波器，按图示通路分别经 CX1 和 L1、C X4，并得到衰减。表 3.2 电容的安全等级X等级X用于设备的峰值电压 PU应用场合 在电强度实验期间所加 PUUp=4kV0.3CF11.2kVP出现高的峰值电压Up=4 kV.(0.3)Ce2X1.2kVPU一般场合 Up=1.4kVCX 电容大小限制是指当该电容失效后，不会导致工作人员遭到电击、不危及人身安全。在实际应用中，C X 接在电源线 L 和中线 N 之间，它上面除加有额定电压外，还会叠加上 L 和 N 之间存在的电磁干扰信号峰值电压，例如因接通或断开电子设备的电源，会在其上叠加不大于 1200V 的峰值电
