3 適合高功率電網應用的被動 EMI 濾波器

遵守指在限制傳導放射等級的 EMC 法規，必須在切換穩壓器和電源輸入來源之間插入低通 EMI 濾波器。圖 3-1 說明千瓦級電網連接應用中的單相 (三線) 與三相 (四線) 系統的典型濾波器整備。L、N 和 PE 分別指帶電、中性和保護性接地端子。如圖所示，多階濾波器提供高滾降率，這在高功率 AC 線路應用中很常見，而在這些應用中，CM 雜訊通常比差模 (DM) 雜訊更難以緩解。雖然 圖 3-1 省略了突波脈衝防護和電阻放電的零組件，但該電路圖合併了一個與輸入電源串聯的線路阻抗穩定網路 (LISN)，能夠測量總 EMI，包括 DM 和 CM 傳播零組件。

圖 3-1 適用於單相系統 (a) 和三相系統 (b) 的典型二階被動 EMI 濾波器

在較高層級，被動 EMI 濾波器代表一種直覺式、直接且傳統的方法，能減少電力電子電路的傳導放射，即使被動元件的尺寸、重量和成本在部分應用中會造成明顯的約束。此類被動濾波器設計需插入高阻抗串列元件 (DM 電感器、CM 扼流器) 和低阻抗分流元件 (X 和 Y 電容器)，才能在 EMI 電流傳播路徑中造成阻抗不相符。低階切換諧波通常會根據所需的角頻率 (或多階設計中的多角頻率) 決定被動濾波器零組件的尺寸。

以 圖 3-1 中的單相電路圖為例，CM 扼流器 L_CM1 和 L_CM2 以及 Y 額定電容器 C_Y1 至 C_Y4 (連接 AC 電源線與接地) 可提供 CM 衰減。源自切換穩壓器的 CM 電流，會先經由穩壓器端 Y 電容器傳回，接著再經由位於 CM 扼流器之間的 Y 電容器傳回。任何剩餘 CM 電流的替代傳回路徑都是透過 LISN 設定的測量阻抗，其顯然有損 EMI 性能。

如簡介所述，安全規範會將 Y 電容總值限制在相對低的值 (通常低於 10 nF)，而所需角頻率所需的扼流器 CM 電感則相對較高，範圍為數毫享利，使得扼流器變得又大、又重、又貴。與 DM 衰減相比，X 電容器 C_X1 至 C_X3 的值可能較大 (通常爲 2.2 µF)，進而允許使用 CM 扼流器的洩漏電感來實現低值 DM 電感。

實際上，CM 扼流器操控 EMI 濾波器的大小，如 圖 3-2 中所示的 [3] 實際實作，並在 EMI 濾波器設計過程中帶來一些挑戰，包括體積龐大、熱管理問題、噪音、濾波器共振和零組件之間的電磁耦合。此外、濾波器零組件的寄生元件 (尤其是 CM 扼流器) 也會影響高頻率性能和可達成的衰減。濾波器中使用的離散元件採用不同製造商的不同外型規格，且未經過最佳化以配合彼此，因此會影響濾波器實作的空間設計與組裝。

圖 3-2 採用圖騰柱 PFC 中的傳統單相被動 EMI 濾波器參考設計