中心議題：
- 城市軌道交通控制系統(tǒng)和電源系統(tǒng)需要加裝濾波器
- 介紹電源濾波器的基本概念、參數(shù)選取以及安裝原則等幾個(gè)方面
- 分析電源濾波器得出相關(guān)結(jié)論
解決方案：
- 安裝無源EMI濾波器，減少干擾和衰減
- 采用橫截面積較大的磁芯繞制成多匝線圈，得到共模電感，減小差模電感
- 串聯(lián)電感和并聯(lián)的濾波電容不能選擇太大
- 正確安裝濾波器，獲得預(yù)期的衰減特性
引 言
為了符合國(guó)際電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)的要求，使用高頻開關(guān)器件的電源電子電路必須安裝合適的電磁干擾濾波器(以下簡(jiǎn)稱EMI濾波器)，以阻止頻率范圍為150kHz～30MHz的傳導(dǎo)干擾侵入電源網(wǎng)絡(luò)。由于城市軌道交通的特殊性，其共模和差模干擾很容易引起車載設(shè)備傳導(dǎo)和輻射干擾升高，使其無法達(dá)到電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)的要求。為此，必須在導(dǎo)線和電子設(shè)備之間的供電部分安裝一個(gè)合適的無源EMI濾波器，將干擾衰減到所要求的程度。
常用設(shè)計(jì)濾波器的公式和圖表是在其源阻抗和負(fù)載阻抗匹配情況下得出的。而EMI濾波器存在阻抗失配問題，因此在這種濾波器的實(shí)際設(shè)計(jì)中通常采用試探法。但采用試探法時(shí)，由于高頻時(shí)寄生參數(shù)起主導(dǎo)作用以及對(duì)噪聲源的內(nèi)阻抗不了解，使得選擇正確的設(shè)計(jì)參數(shù)值變得非常困難。對(duì)于共模干擾尤其如此，因?yàn)槠浯笮≡诤艽蟪潭壬暇腿Q于電路的布置和電路的寄生參數(shù)。
本文結(jié)合研究和設(shè)計(jì)電源濾波器的實(shí)踐，在簡(jiǎn)化電源濾波器設(shè)計(jì)過程的同時(shí)，仍能滿足實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合的需要。
電源濾波器中共模扼流圈內(nèi)磁通的分析
電源濾波器中共模扼流圈的作用，一般采用以下論述：“共模扼流圈管芯兩側(cè)的磁場(chǎng)相互抵消，因此不存在磁通使管芯飽和”。盡管這種論述對(duì)共模扼流圈作用的直覺敘述具體化了，但實(shí)質(zhì)并非如此。因?yàn)楦鶕?jù)電磁場(chǎng)理論中的麥克斯韋方程，可以得到以下結(jié)果：
假設(shè)電流密度J產(chǎn)生磁場(chǎng)H，則附近的另一個(gè)電流不會(huì)抵消或阻止磁場(chǎng)或由此而產(chǎn)生的電場(chǎng)；
同樣一個(gè)相鄰的電流可以導(dǎo)致磁場(chǎng)路徑的改變；
在環(huán)形共模電感的特殊場(chǎng)合中，每條引線中的差模電流密度可假定是相等的，且方向相反。由此而產(chǎn)生的磁場(chǎng)必定在環(huán)形磁芯周邊上的總和為零，而在其外部的總和則不為零。
磁芯的作用就好像它在線圈繞組的間隙處裂為兩半時(shí)所表現(xiàn)出來的效果一樣。每個(gè)繞組在環(huán)形線圈一半的區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生磁場(chǎng)，意指穿過空氣的磁場(chǎng)必定會(huì)形成自封閉回路。圖1是環(huán)形磁芯和差模電流磁路的示意圖。
為了得到共模電感，同時(shí)使差模電感最小，設(shè)計(jì)時(shí)最好采用橫截面積較大的磁芯繞制成多匝線圈。采用較大的螺旋管磁芯(并非一定要采用這樣的磁芯)可在共模扼流圈內(nèi)并入有效的差模電感。由于差模磁通是遠(yuǎn)離磁芯(環(huán)形結(jié)構(gòu))的，因此可能會(huì)產(chǎn)生極強(qiáng)的輻射，尤其是濾波器安裝在印刷電路板( PCB)上時(shí)，這種輻射可以耦合到電源線，使傳導(dǎo)發(fā)射增強(qiáng)。當(dāng)磁性材料被帶到場(chǎng)內(nèi)時(shí)(例如環(huán)形磁芯放置在鐵殼里)，差模磁導(dǎo)率就會(huì)顯著地增加，從而由于差模電流導(dǎo)致磁芯的飽和。
為了實(shí)現(xiàn)有效的濾波器設(shè)計(jì)，必須解決磁通離開磁芯引起的輻射問題。具體解決辦法有兩種：或?qū)⒉钅４磐ㄏ拗圃诖判越Y(jié)構(gòu)物體中(壺形鐵芯)，或?yàn)椴钅４磐?E形鐵芯)提供一條高磁導(dǎo)率的路徑。
電源濾波器設(shè)計(jì)參數(shù)的選取
由于電源濾波器接主電源線，因此在設(shè)計(jì)中除了要考慮源阻抗和負(fù)載阻抗不匹配的因素之外，還必須考慮其對(duì)串聯(lián)電感的電感量和并聯(lián)電容的電容量的嚴(yán)格限制。濾波器中所采用的串聯(lián)電感受到電源頻率下允許電壓降的限制，不能選擇太大；并聯(lián)的濾波電容受到允許接地漏電流的限制，也不能選擇太大。由于以上限制，往往很難同時(shí)滿足對(duì)濾波器插入損耗的要求。
電源EMI濾波器允許的最大串聯(lián)電感
設(shè)濾波器中串聯(lián)電感器的電感量為L(zhǎng)，等效電阻為R，電網(wǎng)頻率為ωm，網(wǎng)側(cè)額定工作電流為Im。在電網(wǎng)頻率下，電感器上的壓降為：
考慮到電網(wǎng)中可能產(chǎn)生的浪涌電流的影響，通常ΔU被限制在額定工作電壓的10%以內(nèi)。若忽略R上的電壓降，設(shè)允許電感器上的電壓降為ΔUmax，則允許的最大串接電感值為：
電源EMI濾波器允許的最大濾波電容
電源EMI濾波器中的濾波電容器通常接在相線與大地之間。該電容容量過大時(shí)將造成漏電流過大，從而危及人身安全。其漏電流值為：
由式(3)可得到在電源EMI濾波器中允許采用的濾波電容為：
式中：Um為電網(wǎng)電壓，V；fm為電網(wǎng)頻率，Hz；Ig為允許的接地漏電流，mA。
基于以上分析，對(duì)電源濾波器中串聯(lián)電感及并聯(lián)電容最大值的限制，可以得到LC乘積的最大值為：
對(duì)于小功率的電子設(shè)備而言，LmaxCy，max的值通常為100μHμF，這是一個(gè)非常小的數(shù)值。以單級(jí)LC濾波器為例，為簡(jiǎn)化分析，用電壓衰減來代替插入損耗，可得此時(shí)插入損耗為：
若取LmaxCymax值為100μHμF，頻率為150kHz，則插入損耗為：
電源濾波器的安裝
電源濾波器的安裝質(zhì)量對(duì)衰減特性影響很大，只有將濾波器正確地安裝在設(shè)備上，才能獲得預(yù)期的衰減特性。
濾波器的安裝應(yīng)遵循以下幾個(gè)原則：
(1)電源供電線路的電源濾波器應(yīng)安裝在設(shè)備或屏蔽殼體的電源入口處，并對(duì)濾波器加以屏蔽，屏蔽體應(yīng)與設(shè)備殼體良好搭接；
(2)對(duì)于城市軌道交通等載運(yùn)工具，電動(dòng)機(jī)以及各種電器開關(guān)裝置等干擾源應(yīng)與其電源濾波器安裝在同一屏蔽箱體內(nèi)，濾波器裝在電源入口處，電源輸入線不應(yīng)在箱體內(nèi)裸露；
(3)濾波器中電容器引線應(yīng)盡可能短，以避免感抗與容抗在較低頻率上發(fā)生諧振，電容應(yīng)與其它元件正交安裝，減小相互間耦合；
(4)濾波器的接地導(dǎo)線上有很大短路電流通過，會(huì)造成有害電磁輻射，因此濾波器抑制元件自身要進(jìn)行良好的電磁屏蔽和接地處理；
5)濾波器的輸入和輸出引線不能交叉，在輸入引線和輸出引線之間應(yīng)有屏蔽層，否則會(huì)降低濾波器的濾波特性。
結(jié) 論
(1)電源濾波器中共模扼流圈內(nèi)既存在共模磁通也存在差模磁通。為了得到共模電感，同時(shí)使差模電感最小，設(shè)計(jì)時(shí)最好采用橫截面積較大的磁芯繞制成多匝線圈，另外必須解決磁通離開磁芯引起的輻射問題。
(2)在電源濾波器設(shè)計(jì)中除了要考慮源阻抗和負(fù)載阻抗不匹配的因素之外，還必須考慮其對(duì)串聯(lián)電感的電感量及并聯(lián)電容的電容量的嚴(yán)格限制，以滿足對(duì)濾波器插入損耗的要求。
(3)電源濾波器的安裝質(zhì)量對(duì)其衰減特性影響很大，必須遵循相關(guān)原則將濾波器正確安裝在設(shè)備上，以獲得預(yù)期的衰減特性。
(4)由于城市軌道交通的控制系統(tǒng)和電源系統(tǒng)所處的電磁環(huán)境非常惡劣，為減少由于電磁干擾引起的車載設(shè)備誤動(dòng)作，保證人身安全，必須針對(duì)其電源及傳輸線加裝濾波器。
