符合法規要求的線路濾波器

電磁合規性（或EMC）是指為確保電子設備不會相互產生不利影響而制定的規則和法規。這種相互作用可能是由于不必要的電磁波輻射或通過公共電源線上的噪聲。后者 - 稱為傳導發射 - 對于所有由交流電源供電的電器都起著重要作用。

為了確保交流供電的設備和平共處，EMC要求兩種噪聲不會反饋到電源線中：差分和共模。差分噪聲在電源相位本身之間表示，而共模噪聲在所有電源相位上相對于接地相同。每種類型的噪聲都可以通過特定的低通濾波器設計來抑制。通過正確設計這些濾波器并級聯它們，可以將傳導噪聲抑制到不會干擾任何上游設備的水平。

下圖顯示了單相EMC濾波器設計示例，其中左側LCx濾波器消除差分噪聲，右側LCy濾波器處理共模噪聲。

圖1 - 用于單相EMC的兩級線路濾波器

根據負載設備的特性（例如，帶有高速SiC FET的開關電源或簡單的交流電機），正確選擇濾波器組件對于滿足EMC要求至關重要。

三階段的挑戰

大功率工業設備通常需要比單相交流電源所能提供的更多的功率。因此，它通常由三相交流電源供電。示例包括大型工業機器人、電機驅動器和大型醫療設備，如 MRI 掃描儀。就像他們的單相設備一樣，三相設備需要濾波以符合電磁兼容性，但需要應對額外的通道。這種額外的通道以及與此類設備相關的更高電流負載使三相濾波器設計成倍復雜。下圖顯示了代表性的原理圖。

圖2 - 三相線路濾波器原理圖

共模噪聲仍使用Cy電容進行濾波，而差分噪聲則由專用Cx電容和公共磁芯上的復數三繞組電感在每個相位組合上濾除。即使只有一個額外的相，元件數量也是單相解決方案的三倍。在優化空間和成本的同時實現高質量濾波是一項非常艱巨的挑戰。

線路濾波器要求

根據負載設備的電氣特性，必須根據某些性能規格指定線路濾波器才能正確實現EMC。輸入電壓和平均/峰值負載電流是開始定義濾波器結構的兩個基本特性。次要要求通常包括峰值耐受電壓、絕緣電阻和漏電流。最后，必須考慮環境和物理約束，包括工作溫度范圍、物理形狀和重量。KEMET 的線路濾波器規格示例GTX 三相濾波器如下表所示。

表1 - 線路濾波器規格表

濾波器供應商通常會提供將三個單獨的線路濾波器集成到單個外殼中的單元，作為三相濾波器，以提供節省空間的解決方案。這些設計可以完全定制，也可以是現成的配置。例如，許多供應商為特定濾波器提供多種選擇，包括選擇單個電容器值。

空間優化線路濾波器

物理尺寸是線路濾波器選擇的最重要考慮因素之一。它直接影響最終產品的外形尺寸，在某些應用中，可能會對性能產生不利影響。決定濾波器尺寸的主要元件之一是共模和差分扼流圈的電感磁芯。可以使用多種芯材，但最新的技術進步利用了納米晶體非晶金屬。這些核心是通過快速冷卻熔融金屬，然后對其進行熱處理以產生非常小的晶體顆粒而產生的。結果是磁芯具有更高的飽和磁通密度和磁導率以及出色的溫度特性。因此，與傳統技術相比，內核的尺寸和重量可以減小，以獲得相同的整體性能。下圖顯示了一個示例，其中顯示了納米晶體扼流圈與兩個標準扼流圈相比的頻率衰減。

圖3 - 標準（黑色）與納米晶體（綠色）共模扼流圈

納米晶電感器技術使 KEMET 能夠生產 GTX 三相系列 24 個現成的三相濾波器，為電源設計人員提供廣泛的節省空間選項。GTX 三相系列提供額定電流或 30、40、50 和 60 A。每個額定電流進一步分為 6 個 Y 電容器組合。與相同性能的傳統濾波器相比，GTX三相系列體積縮小68%，重量減輕28%。每種電容器選項的衰減特性如下圖所示。

圖 4 – 6 種不同電容器選項的 GTX 三相衰減特性

結論

交流線路濾波器是衰減共模和差模噪聲的要求。雖然原則上很簡單，但它們不容易設計，通常需要專家的投入。此外，在三相電源應用中，設計復雜性急劇增加。通常，適當的過濾性能會導致較大的物理卷。

納米晶芯技術減輕扼流圈組件的尺寸限制 KEMET 的 GTX 三相系列結合了三相集成和納米晶技術，可在小尺寸內提供所需的頻率響應。這種方法克服了將設計人員推向定制解決方案的限制，從而有助于簡化和加速他們的項目。

審核編輯：郭婷