关于变频空调高频电磁干扰问题的研究与分析

山宏刚，黄华，橐晓宇，范建波

（1.上海海关机电产品检测技术中心，上海 200135； 2.珠海格力电器股份有限公司，珠海 519070）

引言

开关电源、变频器使用的功率器件和高速电子电路工作所产生的电压、电流的瞬变，是形成电磁骚扰的主要原因[1]。滤波器是电磁兼容设计的重要部分，它可以有效的解决大多数的电磁问题[2]。然而现有的单级滤波电路设计，使用传统的电路参数搭配，抑制高频电磁骚扰[3]的能力较差。产品一旦出现高频电磁骚扰问题，往往使用多级滤波电路设计或其他高成本方案进行整改。因此，本文提出一种可抑制高频电磁干扰的方法，可降低成本、高效抑制高频电磁骚扰[4]。

1.变频空调电路滤波原理

1.1 滤波器件

EMI电源滤波器[5]是由电感、电容等无源器件构成。若对元件的参数特性掌握不够，很难设计出符合要求的滤波器。特别是在抑制高频噪声时，滤波器的高频滤波性能往往难以把握，所以有必要对滤波器进行深入地研究。

1.1.1 滤波电容

理想电容的阻抗特性是随着频率的上升而线性减小的，而实际电容的阻抗特性并非如此。图1表示了理想的和实际电容的阻抗特性曲线，实际电容存在一个谐振频率点，这是因为实际的电容含有寄生的等效串联电阻（Equivalent Series Resistance，ESR）和等效串联电感（Equivalent Series Inductance，ESL）。正是由于ESL的存在，与电容产生谐振，并在谐振频率处电容的阻抗达到最小值。若不考虑电容的非线性因素，实际电容电路为ESR与电容和ESL的等效串联电路。

图1 实际电容与理想电容的阻抗特性

电容的阻抗公式为：

式中：

Rc—等效串联电阻；

Ls—等效串联电感。

在谐振频率fr处，电容和等效电感发生串联谐振，这时的电容阻抗等效于串联电阻Rc，滤波效果最佳。在滤波电路中将电容器并联在支路中为电磁噪声提供低阻抗的通路，滤除噪声信号。

1.1.2 电感器件

理想电感[6-8]的阻抗是随着频率的上升而线性增大的，而实际电感的阻抗特性并非如此。图2表示了理想的和实际的电感的阻抗特性曲线，实际电感有一个谐振频率，这是因为实际的电感含有寄生的等效串联电阻（Equivalent Series Resistance，ESR）和并联绕组电容Cw。并联绕组电容Cw是电感线圈在绕制过程中产生的、分布在绕线与绕线之间的寄生电容。实际电感电路为电容并联在ESR与电感串联两端的等效电路。

图2 理想电感和实际电感的阻抗特性

电感的阻抗公式为：

式中：

RL—等效串联电阻；

Cw—电感的并联电容。

谐振频率fr处，电感和并联电容发生并联谐振，电感表现为阻抗最大值。在低频下，阻抗ZL由电感决定，在直流时它等于R。在标记的频率范围内 （共振频率ω0），电感L和电容 Cw产生并联谐振，则此时阻抗ZL达到最大，抑制干扰效果最佳。随着频率的加大，由于寄生电容起主要作用，电感器的阻抗降低，对干扰衰减效果减弱。

1.2 常用单级滤波电路分析

电磁干扰可分为共模干扰和差模干扰。共模干扰电流在相线间大小相等、方向相同。差模干扰电流在相线间大小相同、方向相反。变频空调外机常用滤波电路如图3所示，使用1个共模扼流圈，2对Y电容，2个X电容，1个磁环。

图3 常用单级滤波电路结构

共模扼流圈与Y电容组成共模滤波电路，等效滤波电路如图4，干扰信号首先流经A点，并且在A点处分流，干路L处于高阻状态，C3、C4为低阻，而并联时电流的分配与两者阻值的比值成反比，C3、C4起分流、滤波作用，把更多的干扰信号旁路到机壳地。一般减小C3、C4的阻抗值可以改善测试结果。干扰通过A点之后，共模扼流圈会消耗一部分干扰。当干扰电流流至B点时，和C5、C6与磁环的效果是与C3、C4、L相同的，最终使接收机检测到的干扰最小。

图4 共模等效滤波电路

共模扼流圈与X电容组成差模、低通滤波器，分析方法与共模类似：源端的干扰信号流出后，首先经过A点，XC1与后面的电路并联，干路L（共模扼流圈）处于高阻状态，XC1为低阻，而并联时电流的分配与两者阻值的比值成反比，XC1的阻抗值越小会有更多的干扰信号流向XC1，XC1起到分流、滤波的作用。干扰通过A点之后，共模扼流圈会消耗一部分干扰。当干扰电流流至B点时，XC2与接收机并联，并联时电流的分配与两者阻值的比值成反比，XC2的阻抗值越小会有更多的干扰信号流向XC2，XC2同样起到分流、滤波的作用，最终使接收机检测到的干扰最小。

1.3 高频电磁干扰分析

在骚扰功率测试中，吸收钳检测除了空间电磁发射的干扰外，还有来自线缆的辐射干扰。外机连接线对内的骚扰功率测试如图5所示，因为控制器的热地与外机的机壳地相连，连接线地线也接在机壳地，高频时由于C3、C4的阻抗很小，干扰一部分通过电源线传递（i3），一部分从控制器热地流向机壳地（i2），并通过连接线地线进行传递。但电源线有共模扼流圈和磁环对干扰进行衰减，而地线却无措施，当地线干扰较大时易造成测试不合格。

图5 连接线骚扰功率测试示意图

2 一种针对变频空调高频干扰抑制方法

2.1 抑制高频电磁干扰原理

由1.3节可知，高频电磁干扰通过后级Y电容向连接线地线进行传递，本质原因是在高频时电容的阻抗小，使得流经地线的干扰大。因此猜想可在后级接地电路增加一个带阻措施[9]，增大高频时的接地阻抗，抑制干扰直接从地线传出。由1.2节分析可知，在端子骚扰电压测试中，后级的接地阻抗若增大会影响滤波效果，进而影响测试结果。因此不能直接去掉后级C3、C4电容（等效于接地电阻无限大），有必要深入研究带阻措施。

2.2 高频仿真电路验证

为了验证接地电阻对实验测试的影响，利用仿真[10]软件搭建一个简易的高频仿真电路进行效果对比。查阅共模扼流圈和磁环高频阻抗特性，使用一个固定阻值的电阻近似替代，忽略电路的谐振影响，加入电容C3、C4、C5、C6等效电路模型，并在电容后面增加一对接地电阻。模拟施加一个干扰源，在地线放置一个负载，等效于吸收钳接收干扰。通过在后级Y电容接入不同接地电阻的阻值，比较负载接收到的干扰大小。由图6仿真结果看出，在电路中使用接地电阻的阻值越大，负载的插入损耗越大，说明通过负载的干扰越小，证明后级Y电容加接地电阻对高频干扰有抑制作用。

图6 搭建不同接地电阻的仿真电路及结果

3 实验案例应用

3.1 问题描述

某变频空调测试端子骚扰电压合格，但连接线对内骚扰功率，在频率点41.56 MHz AV值 -2.16 dB，在频率点103.48 MHz AV值 -2.71 dB，裕量不满足测试要求，测试曲线如图7所示。

图7 不合格测试曲线

3.2 问题分析

发现外机采用形如图3的常用单级滤波电路，初步判断干扰从外机控制器热地传出，并通过连接线地线进行传递。为验证连接线的干扰主要来自于地线，利用F-52电流探头测量连接线地线的干扰。F-52探头测量与吸收钳用途相似，主要用于分析线路的干扰。测量地线干扰结果看出，地线干扰大小、趋势与吸收钳测试结果相符，同时测量其余线路（火线、零线、通讯线），发现干扰比地线要低，证明干扰主要来自地线。

进一步验证高频干扰是控制器通过滤波电路的后级Y电容传出，而非来源于机壳地。单独将后级的Y电容去掉，截断其干扰传递路径，复测骚扰功率合格（图8）。同时，复测端子骚扰电压实验，发现低频测试不合格，符合猜想结果。

图8 去掉后级Y电容骚扰功率和端子骚扰电压测试结果

3.3 整改方案

选取36 Ω、68 Ω、120 Ω、220 Ω的贴片电阻分别装在滤波电路的后级Y电容接地处，分别对比骚扰功率和端子骚扰电压测试情况。由图9测试结果中看出，加接地电阻能有效抑制高频干扰通过后级Y电容的地传到机壳上，所选取电阻的阻值越大，高频抑制效果越好，同时低频端子骚扰电压测试受影响越明显。

图9 不同阻值测试结果对比

3.4 小结

本节通过某变频空调测试不合格的实例，利用电流探头分析干扰源的传递路径，并验证高频干扰从控制器滤波后级Y电容向地线传出。测试结果表明，在后级Y电容至接地位置，增加使用接地电阻，可以有效抑制高频干扰传出地线，并能保证端子骚扰电压和骚扰功率测试合格。

4 结论

文章对传统单级滤波电路的深入分析，指出电容在高频时的低阻特性会为电磁干扰提供一个传递路径，易