一种用于机载复合型二次电源变换器的EMI滤波器及其设计方法

一种用于机载复合型二次电源变换器的emi滤波器及其设计方法
1.所属领域
2.本发明涉及一种emi滤波器，具体涉及一种机载复合型二次电源变换器的emi滤波器及其设计方法。
现有技术
3.目前，随着全电飞机概念的推行，飞机对各种类型电源的需求日益提升；飞机上提供的交流电均为115v/400hz，不能满足一些特殊设备的用电需求，需要将飞机上直流发电机和航空蓄电池提供的直流电源转换为特殊电源；在这种特殊的情况下，一级二次电源变换器很难满足供电要求，需要使用两级功率变换器级联构成复合型的二次电源变换器，才能满足供电要求，如dc-dc变换器与dc-ac变换器级联；机载复合型二次电源变换器作为航空电气设备的一部分，对机载电子设备的正常运行起着至关重要的作用，且在飞机定型后，难以更换，确保机载复合型二次电源变换器处于正常工作状态至关重要。
4.现有航空电源变换器多采用pwm控制技术，使用mosfet或igbt作为开关器件，为减轻变换器的重量以及提高转换效率，开关频率往往高达数百khz，在开关器件开通关断的过程中会产生很大的du/dt和di/dt，由于电源变换器器件和线路中存在寄生电容和电感，就会导致严重电磁干扰，通过线路传播到直流输入侧中，且随着变换器功率的增加，电磁干扰会严重直流输入侧的稳定运行；来自直流输入侧中电磁干扰同样会通过线路，传播到变换器，影响电源变换器的正常工作，导致用电设备不能正常工作。


技术实现要素：

5.现有的航空电源变换器，直流电源输入侧多采用单级emi滤波器，或采用将相同单级滤波器多个串联的滤波器，以滤除高频干扰或中低频干扰，高频干扰和中低频干扰无法同时得到有效滤除，共模干扰和差模干扰无法同时得到有效的滤除，在干扰频带较宽和负载阻抗变化的情况下，单级滤波器的滤波效果就很难达到预期。
6.为解决现有技术存在的不足，本发明公开了一种用于机载复合型二次电源变换器的emi滤波器，该滤波器用于机载高变比dc-dc和dc-ac复合型二次电源变换器，能对从机载复合型二次电源变换器传入直流直流输入侧的电磁干扰和从直流直流输入侧传入机载复合型二次电源变换器的电磁干扰进行很好的抑制，可以有效减少电磁干扰导致的故障，使直流输入侧、机载复合型二次电源变换器和机载用电设备正常稳定运行。
7.为实现上述目的，本发明的具体方案如下：
8.一种用于机载复合型二次电源变换器的emi滤波器，由两级π型滤波器串联构成，第一级滤波器包括第一电感组件、第一电容组件和第二电容组件，第二级滤波器包括第二电感组件和第三电容组件，第一电容组件与直流输入电源串联，第一组电容组件与第一电感组件串联，第一电感组件与第二电容组件串联，第二电容组件与第二电感组件串联，第二电感组件与第三电容组件串联，第三电容组件与机载复合型二次电源变换器串联。
9.所述第一电容组件包括两个相同的y电容和一个x电容，x电容跨接在经过第二电感组件后的两根电力线之间，两个y电容分别跨接在两根电力线与地线之间。
10.所述第二电容组件包括两个相同的y电容和一个x电容，x电容跨接在经过第一电感组件后的两根电力线之间，两个y电容分别跨接在两根电力线与地线之间。
11.所述第三电容组件包括两个相同的y电容和一个x电容，x电容跨接在经过第二电感组件后的两根电力线之间，两个y电容分别跨接在两根电力线与地线之间。
12.所述第一电感组件包括分别串联在两根电力线上的两个相同的电感，电感为铜绕组电感，两个电感共用一个磁芯，绕线方向相同，磁芯材质为高初始磁导率材质，如纳米晶。
13.所述第二电感组件包括分别串联在两根电力线上的两个相同的电感，电感为铜绕组电感，两个电感共用一个磁芯，绕线方向相同，磁芯材质为高频磁导率保持型材质，如镍锌铁氧体。
14.所述第一电容组件的电容、第二电容组件及第三电容组件的电容均为cbb膜电容。
15.一种用于机载复合型二次电源变换器的emi滤波器的设计方法，包括以下步骤：
16.步骤一：对于emi滤波电感和电容的设计有如下重要的要求：1)必须承受设备运行时所需的额定电压和额定电流2)必须承受直流输入侧正常运行时所输出的最大电压和最大电流3)在所应用的频段内，emi滤波元件的频率特性需要保持不变；电容应用在高频时，必须考虑寄生电感的影响；电感应用在高频时，必须考虑寄生电容的影响。
17.步骤二：进行无滤波器的测试实验以及背景噪声测试实验，并使用共差模分离器分别测试电路中的共差模干扰；根据结果中共差模干扰的大小和分布频段，调整共差模电容的容值和电感值；最后，需要不断更换同容值的电容进行测试，防止某一容值的电容在电路中发生谐振，导致抑制干扰的能力大大削弱。
18.步骤三：根据纳米晶材料初始阻抗大，随着频率增加，阻抗并非良好的线性增长的特点；选用初始电感量大的纳米晶共模电感，主要针对电路回路中的中低频段干扰进行抑制。根据镍锌铁氧体材料随着频率增加，阻抗在10mhz频率前依然可以线性增长的特点；选用体积尽可能大的镍锌铁氧体共模电感，主要针对高频段干扰进行抑制。电感绕线需要尽可能紧密均匀，又不能相互接触；单层绕线，单根铜线绕制。
19.步骤四：滤波器板子上的地线敷铜面积尽量大，共差模电容的连接位置尽量靠近电源输入端，确保干扰传导流经路径最短；借助阻抗分析仪进行辅助分析，设计外接地线，使其各个频段内的阻抗不超过1ω。
20.步骤五：滤波器尽量靠近外部电源输入位置，最大限度减小干扰传导路径；同时，也要确保滤波器与整个电源系统的gnd良好连接。
21.步骤六：通过数字信号发生器模拟机载复合型二次电源变换器运行时产生的电磁干扰，经过emi滤波器滤波后，用频谱仪测量干扰的频谱波形，判断emi滤波器的性能是否达到要求。
22.本发明的有益效果：
23.本发明涉及一种用于机载复合型二次电源变换器的emi滤波器，可以更好的解决传统机载复合型二次电源变换器emi滤波器无法解决的一些问题；采用两级滤波器设计，能够对高频电磁干扰和中低频电磁干扰同时进行有效的滤除。
24.本发明涉及一种用于机载复合型二次电源变换器的emi滤波器，可以很好的抑制
从直流输入侧传入机载复合型二次电源变换器的电磁干扰，防止机载复合型二次电源变换器误动作，避免对机载复合型二次电源变换器和用电设备内部的通信信号产生干扰，使机载复合型二次电源变换器正常稳定运行。
附图说明
25.图1为本发明机载复合型二次电源变换器的emi滤波器结构图。
26.图2为emi滤波器滤波效果测量。
27.图3为未使用emi滤波器时，在机载复合型二次电源变换器输入端测得的电磁干扰。
28.图4为使用emi滤波器时，在emi滤波器输入端测得的电磁干扰。
29.具体实施实例
30.下面结合附图对本发明进行详细说明：
31.如图1和图2所示，一种用于机载复合型二次电源变换器的emi滤波器制作时，信号发生装置模拟机载复合型二次电源变换器工作过程中由开关管开通关断产生的电磁干扰；阻抗分析仪用来测量电感、电容的高频特性，以便设计高频特性较好的电感、电容器件；信号测量装置用来测量由信号发生装置产生的电磁干扰经过emi滤波器后的高频干扰，以验证emi滤波器的滤波效果。
32.电感l1和电感l2为铜绕组电感，共用一个磁芯，绕线方向相同，磁芯材料为纳米晶，初始阻抗大，随着频率增加，阻抗并非良好的线性增长，可以很好的抑制中低频干扰。
33.电感l3和电感l4为铜绕组电感，共用一个磁芯，绕线方向相同，磁芯材料为镍锌铁氧体，随着频率增加，阻抗在10mhz频率前依然可以线性增长，可以很好的抑制高频干扰。
34.emi滤波器采用两级滤波，cx1，cy1，l1，l2，cx2，cy2构成第一级滤波器，电容cx1和电容cx2跨接在两根电力线之间，cx1用于抑制直流输入侧传入机载复合型二次电源变换器的中低频差模干扰，cx2用于抑制直流输入侧传入机载复合型二次电源变换器的高频差模干扰和机载复合型二次电源变换器传入直流输入侧的中低频差模干扰；cy1和cy2跨接在电力线与地线之间，cy1用于抑制直流输入侧传入机载复合型二次电源变换器的中低频共模干扰，cy2用于抑制机载复合型二次电源变换器传入直流输入侧的中低频共模干扰和直流输入侧传入机载复合型二次电源变换器的高频共模干扰；l1和l2分别串联在两根电力线上，共用一个磁芯，绕线方向相同，用于抑制中低频共模干扰在机载复合型二次电源变换器和直流输入侧之间的传播；cx3、cy3、l3、l4构成第二级滤波器，电容cx3跨接在两根电力线之间，用于抑制机载复合型二次电源变换器传入直流输入侧的高频差模干扰；电容cy3跨接在电力线与地线之间，用于抑制机载复合型二次电源变换器传入直流输入侧的高频共模干扰；l3和l4分别串接在电力线上，共用一个磁芯，绕线方向相同，用于抑制高频共模干扰在机载复合型二次电源变换器和直流输入侧之间的传播；emi滤波器采用两级设计，不但可以抑制高频干扰，还可以抑制中低频干扰，减小了机载复合型二次电源变换器对直流输入侧的污染，降低了直流输入侧电磁干扰对机载复合型二次电源变换器的影响。
35.数字信号发生器采用afg-2225，用来模拟机载复合型二次电源变换器运行过程中产生的电磁干扰和直流输入侧的电磁干扰；阻抗分析仪为wayne kerr 6500b，用来分析电感、电容的频率特性；频谱分析仪采用rohde&schwarz 10hz-3.6ghz，用来测量由数字信号
发生器产生，经过emi滤波器后的传导干扰。
36.如图3，在未使用emi滤波器之前，复合型电源变换器输入侧在中低频和高频的电磁干扰明显超过gjb-151b-2013标准的要求。
37.如图4，在使用本发明的emi滤波器后，滤波器输入侧的电磁干扰低于gjb-151b-2013标准的要求。
38.上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。