EMI滤波器的寄生效应分析

宛野 万里

摘要：EMI滤波器作为减少系统对外部设备产生电磁干扰的重要设备，在工业生产中得到了广泛应用。但寄生效应会对EMI滤波器的高频特性产生影响，从而影响EMI滤波器的滤波效果。现建立了EMI滤波器的高频模型，并提出了消除共模电感寄生电容的办法。

关键词：EMI滤波器;寄生效应;共模电感;寄生电容

0    引言

对于电气设备而言，电磁环境污染已经成为了很重要的问题，任何电气电子设备对周围的环境而言都是潜在的噪声源，高幅度的扰动会导致位于共同环境的电气电子设备功能失效，只有电气电子设备在同一环境与其他设备可以相互容忍，此时才可认为做到了电磁兼容。

为了实现电磁兼容，应降低设备或系统的电磁发射水平或者是提高设备的电磁抗干扰度。实践证明，滤波是一种很好的降低骚扰发射传导的办法。EMI滤波器在电磁兼容设计中起到了很大的作用，但在实践中EMI滤波器并不能很好地抑制传导，从其结构分析，很可能是因为滤波器本身的寄生参数对其性能产生了影响，因此对EMI滤波器的寄生效应进行分析变得很重要。

1    寄生效应对EMI滤波器性能的影响

從原理和结构上来看，EMI滤波器应当是一种简单高效抑制传导的设备，但从实际上来看，很多EMI滤波器并没有表现出很好的抑制传导的特性。其原因很多，例如最初的滤波器参数设计不合适，或者插入损耗的测试方式与实际不符等。

如图1所示，从结构上分析，EMI滤波器是一个由大量的电感和电容组合起来的设备，而如果存在电感和电容就一定会产生寄生效应。寄生效应一般分两类：（1）绕组寄生电容与绕组电感、电容器的引线电感与电容器之间的自谐振对滤波器性能所产生的影响;（2）由于布局和封装产生的寄生效应。在此文中主要分析第一类寄生效应对EMI滤波器性能的影响。那么寄生参数对EMI滤波器究竟产生了何种影响？

文献[1]通过一个简单的实验，对应用于1 kW开关电源的EMI滤波器进行了具体分析，如图2所示。

根据该EMI滤波器的设计参数，在其理想状态下（不考虑寄生参数），源阻抗为50 Ω，通过PSPICE仿真，可以得到共模电流衰减的幅频特性图。但是实际上由于寄生参数的影响，滤波器的实际特性与理想值存在着很大的差别。可以通过HP4395A网络/频谱/阻抗测试仪，测出该EMI滤波器实际共模衰减的幅频特性。

从实测结果来看，寄生效应导致EMI滤波器的阻抗在高频段产生了一个突变。为了能够更好地去分析寄生效应，我们对EMI滤波器进行了建模。

2    该EMI滤波器的高频模型

首先对共模电感进行建模。对于共模电感而言，其绕组两端存在着寄生电容。除此之外，其对于高频模型而言，还存在着绕组漏感。这使得共模电感的高频模型变得更加复杂。假定共模电感的两个绕组具有完全相同的电磁参数和完全对称的结构，可以得出共模电感的等效电路，如图3所示。

对于共模阻抗的测量可以选择HP4395A网络/频谱/阻抗测试仪，频率范围选定为9 kHz～30 MHz。

阻抗测量的方法是将P1和P2相连，P3和P4相连，测P1和P3端口的等效阻抗，从而可以得到共模电感的实际等效阻抗的幅频特性。从共模电感阻抗的幅频特性上看，在低频段共模电感表现为感性，在9 kHz的阻抗值为：

共模电感在高频段则表现为容性，共模电感在30 MHz的阻抗值为：

然后对电容进行建模，由于电容有引线电感的存在，因此电容存在一个自谐振频率。在自谐振频率以下电容表现为容性，在自谐振频率以上电容变现为感性。因此可以得出该滤波器的等效模型，如图4所示。

从所建立的等效模型来看，影响EMI滤波器性能的寄生参数主要就是共模电感的绕组寄生电容和电容器的引线电感。从抑制共模电流的角度来看，共模电感应在尽可能宽的频带上表现为感性，如果共模电感的寄生电容被消除了，那么EMI滤波器的性能将会得到很大提高。

3    消除共模电感寄生电容的办法

如要消除共模电感的寄生电容，首先应当知道共模电感的寄生电容是如何产生的。寄生电容一共分为三类，一类是闸间电容Ca，一类是闸芯电容Cb，还有一类是绕组与绕组之间的电容Cc。其中Ca与一部分的Cb构成了等效的寄生电容，Cc与一部分的Cb构成了跨接在两绕组的电容CN。则可以得到等效的共模电感电路，如图5所示。

有了该耦合的共模电感等效电路，便可以对寄生电容EPC进行消去了。方法为将共模电感两绕组的中心抽头分别连上对地电容，如图6所示。

在保证每个绕组的两个半绕组耦合系数为1时，对于图6去耦合，然后运用电路理论里的T形到Π形的网络变换可以得到图7所示等效电路。

通过去耦合和等效变换可以得到Ze的值：

从上式可以分析出当C1=4EPC时，寄生电容可以完全被消除，便可得到图8所示等效电路。

4    结语

此办法已经成功应用于具有平面结构的集成型共模电感，因为平面结构很容易使两个半绕组具有高耦合性。但对于传统的非集成共模电感而言，由于耦合系数不高，因此消除寄生电容的效果并不好。

所以该办法存在的问题便是很难保证单个绕组内部两个半绕组之间有接近1的磁耦合系数，如果该耦合系数不高，EPC的抑制效果会很差。

[参考文献]

[1] LIU D H，JIANG J G.High frequency characteristic analysis of EMI filter in switch mode power supply（SMPS）[C]//Proceedings of Power Electronics Speci-alists Conference，2002：2039-2043.

[2] NEUGEBAUER T C，PHINNEY J W，PERREAULT D J.Filters and components with inductance cancellation[J].IEEE Transactions on Industry Applications，2004，40（2）：483-491.

[3] WANG SHUO，LEE F C，VAN WYK J D.Design of inductor winding capacitance cancellation for EMI suppression[C].IEEE Transactions on Power Electronics，2006，21（6）：1825-1832.

收稿日期：2020-05-25

作者简介：宛野（1992—），男，河南安阳人，硕士，助理工程师，研究方向：电力电子与电力传动。