3 适用于大功率并网应用的无源 EMI 滤波器

为了遵守旨在限制传导发射水平的 EMC 法规，需要在开关稳压器和主输入源之间插入一个低通 EMI 滤波器。图 3-1 展示了千瓦级并网应用中单相（三线）和三相（四线）系统的典型滤波器布局。L、N 和 PE 分别指火线、零线和保护地线。如图所示的多级滤波器可提供高滚降，常用于大功率交流线路应用，在这些应用中，CM 噪声通常比差模 (DM) 噪声更难以抑制。尽管图 3-1 省略了用于浪涌脉冲保护和电阻放电的元件，但原理图中实际包含了与输入电源串联以便能够测量总 EMI 的线路阻抗稳定网络 (LISN)，包括 DM 和 CM 传播元件。

图 3-1 用于单相系统 (a) 和三相系统 (b) 的典型两级无源 EMI 滤波器

从更高层次看，无源 EMI 滤波器是降低电力电子电路传导发射的一种直观、简单且传统的方法，但是无源器件的尺寸、重量和成本在某些应用中会造成严重限制。此类无源滤波器设计需要插入高阻抗串联元件（DM 电感器、CM 扼流圈）和低阻抗分流元件（X 和 Y 电容器），因此会在 EMI 电流传播路径中产生阻抗不匹配问题。低阶开关谐波通常根据所需的转角频率（或多级设计中的多个转角频率）来决定无功滤波器元件的尺寸。

以图 3-1 中的单相原理图为例，CM 扼流圈 L_CM1 和 L_CM2 以及 Y 型电容器 C_Y1 至 C_Y4（连接在交流电源线路和接地端之间）可提供 CM 衰减。来自开关稳压器的 CM 电流首先通过稳压器侧 Y 电容器返回，然后通过位于 CM 扼流圈之间的 Y 电容器返回。其余 CM 电流的替代返回路径会通过 LISN 设置的测量阻抗，而这显然会损害 EMI 性能。

如简介中所述，安全法规将总 Y 电容限制在相对较低的值（通常低于 10nF），为达到期望的转角频率，所需扼流圈的 CM 电感相对较高，在几毫亨的范围内，这使得扼流圈的体积大、笨重且昂贵。与 DM 衰减相反，X 电容器 C_X1 至 C_X3 的容值可能较大（通常为 2.2μH），从而使用 CM 扼流圈的漏电感实现低 DM 电感值。

实际上，CM 扼流圈决定了 EMI 滤波器的尺寸，如实际实现方案 [3]（图 3-2）中所示，并会在 EMI 滤波器设计过程中带来多项挑战，包括体积大、热管理问题、声学噪声、滤波器谐振以及元件之间的电磁耦合。此外，滤波器组件的寄生元件（尤其是 CM 扼流圈）会影响高频性能和可实现的衰减。滤波器中使用的分立式元件来自不同制造商，具有不同的外形尺寸，并未进行优化以使它们彼此匹配，因此会影响滤波器实现方案的空间设计和组装。

图 3-2 图腾柱 PFC 参考设计中的传统单相无源 EMI 滤波器