PDF version - Politechnika Śląska, Wydział Elektryczny

ELEKTRYKA
Zeszyt 4(228)
2013
Rok LIX
Szymon PASKO
Politechnika Śląska w Gliwicach
ANALIZA WPŁYWU KONSTRUKCJI FILTRÓW NA TŁUMIENIE
ZABURZEŃ RÓŻNICOWYCH
Streszczenie. Możliwość redukcji poziomu zaburzeń filtru można wyrazić za
pomocą jego tłumienności wtrąceniowej. Tłumienność wtrąceniową filtru bada się dla
składowej wspólnej CM zaburzeń przewodzonych i składowej różnicowej DM
z uwzględnieniem parametrów pasożytniczych. Tłumienności zarówno dla składowych
CM i DM bada się w układzie zgodnym z normą CISPR17 [1]. W niniejszym artykule
przeprowadzono
badania wpływu parametrów elementów składowych filtru na
tłumienność dla zaburzeń różnicowych DM. Przebadano także wpływ parametrów
pasożytniczych wynikających z ich konstrukcji. Analiza wpływu konstrukcji filtrów
została przeprowadzona bez uwzględnieniem sprzężeń pasożytniczych pomiędzy
elementami. Ponadto, analiza wpływu filtru została przeprowadzona, przy założeniu że
wymiary geometryczne elementów i ich położenie względem siebie są zbliżone.
Słowa kluczowe: zaburzenia elektromagnetyczne, filtry przeciwzakłóceniowe, kompatybilność
elektromagnetyczna
CONSTRUCTION ANALYSES OF EMI FILTER ON INSERTION LOSS
PROPERTIES FOR DIFFERENTIAL MODE INTERFERENCE
Summary. Conducted noise reduction efficiency of EMI filter is expressed by
insertion loss characteristics. The insertion loss characteristics of EMI filter are measured
for common mode (CM) and differential mode (DM). The measurement takes into
account parasitic parameters of filter’s elements. Insertion loss characteristics are
measured according to standard CISPR 17 [1]. The paper examines the influence of main
and parasitic parameters of EMI filter on insertion loss characteristic for differential mode
DM noise. The analyses of EMI filter construction was carried out without influence of
parasitic coupling between filters’ elements. Moreover analyses was carried out for
assumption that, geometrical dimension and position of filter’s elements are similar.
Keywords: Electromagnetic Interference, EMI filters, Electromagnetic Compatibility
60
Sz. Pasko
1. WPROWADZENIE
Najczęstszym sposobem redukcji zaburzeń przewodzonych, generowanych w przekształtnikach energoelektronicznych oraz urządzeniach elektronicznych, jest stosowanie
pasywnych filtrów przeciwzakłóceniowych. Filtry te pracują w zakresie częstotliwości
9 kHz - 30 MHz. Dla takiego zakresu częstotliwości na tłumienność wtrąceniową mają wpływ
parametry główne filtru (L0, Rp, CX, CY) oraz ich parametry pasożytnicze. Wartość
parametrów pasożytniczych zależy od konstrukcji elementów składowych filtru: cewek
sprzężonych (rodzaju materiału magnetycznego, sposobu nawijania), kondensatorów CX, CY
(rodzaj zastosowanego dielektryka - poliester, polipropylen, papier) [2], [3], [4], [7], [8].
Do przeprowadzenia analizy wpływu parametrów filtru, w tym parametrów pasożytniczych niezbędny jest model teoretyczny, opisujący tłumienność wtrąceniową dla
zaburzeń wspólnych CM i różnicowych DM. W tym celu wykorzystano model opisujący filtr
przeciwzakłóceniowy za pomocą macierzy łańcuchowej czwórnika osobno dla zaburzeń
wspólnych, a osobno dla zaburzeń różnicowych. Szczegółowy opis filtru za pomocą macierzy
łańcuchowej został przedstawiony w [2], [5].
Wpływ poszczególnych parametrów ma charakter ogólny i jest pomocny przy prowadzeniu analizy konstrukcji i dobieraniu elementów, nowych filtrów lub filtrów projektowanych dla konkretnego urządzenia. W niniejszym artykule skupiono się przede wszystkim
na wpływie parametrów filtru na zaburzenia różnicowe DM.
2. TŁUMIENNOŚĆ WTRĄCENIOWA FILTRU
Skuteczność filtru przeciwzakłóceniowego jest scharakteryzowana poprzez stratę
niepożądanego sygnału (zaburzenia elektromagnetycznego), przechodzącego przez niego.
Parametrem charakteryzującym skuteczność filtru jest tłumienność wtrąceniowa H(j).
Moduł tłumienności wtrąceniowej definiuje się jako:
H ( jω)  20log
U 20
,
U2
(1)
gdzie:
U20 – wartość skuteczna zespolona napięcia na zaciskach 2-2’ w układzie bez filtru,
U2 – wartość skuteczna zespolona napięcia na zaciskach 2-2’ w układzie z filtrem.
Tłumienność wtrąceniowa jest wyrażana w skali logarytmicznej jako stosunek napięć
mierzonych na zaciskach 2-2’ w układzie pomiarowym bez filtru oraz z filtrem. Wartość
skuteczna napięcia U20, jest mierzone na zaciskach 2-2’ w układzie bez filtru, który został
przedstawiony na rys. 1. Następnie w układ włącza się badany filtr i dokonuje się pomiaru
Analiza wpływu konstrukcji…
61
wartości skutecznej napięcia U2. Schemat układu zależy od rodzaju mierzonych zaburzeń
przewodzonych.
Pomiar charakterystyk tłumienności wtrąceniowej filtru EMI w zakresie 9 kHz - 30 MHz
przeprowadza się dla składowej wspólnej (CM) oraz różnicowej (DM) według wymagań
normy CISPR 17 [1]. Schematy pomiarowe zostały przedstawione dla składowej różnicowej
(DM) na rys. 2.
Generator
przemiatający
Obciążenie
2
R1
50 W
50 W
R2
E
U20
2'
Rys. 1. Układ pomiarowy do badania tłumienności wtrąceniowej w układzie bez podłączonego filtru
Fig. 1. Scheme of insertion loss measurements setup without filter
a)
Filtr przeciwzakłóceniowy EMI
L0
Obciążenie
L
Generator
przemiatający
L’
0,8 mH
CY1
2
CX2
0,15 mF
Z2=R2
CX1
R
4,7 nF
1 MW
Z1=R1
1
50 W
CY2
0,15mF
4,7 nF
50 W
U2
L0
N
E
N’
0,8 mH
PE
2'
1'
b)
Transformator
1:1
Obciążenie
2
L0
L
Generator
przemiatający
Transformator
1:1
Filtr przeciwzakłóceniowy EMI
L’
0,8mH
1
Z2=R2
50 W
CX2
U2
0,15mF
R1
1 MW
Z1=R1
50 W
CY1
CX1
4,7nF
0.,15mF
CY2
E
4,7nF
2'
N
L0
0,8mH
N’
1'
Rys. 2. Schemat pomiarowy tłumienności wtrąceniowej filtru EMI: a) dla składowej wspólnej (CM),
b) dla składowej różnicowej (DM)
Fig. 2. Scheme of filter’s insertion loss properties for: a) common mode (CM), b) differential mode
(DM)
Na rys. 3 zmieszczono pomierzone oraz wyznaczone z modelu charakterystyki modułu
tłumienności analizowanego filtru dla składowej różnicowej DM.
62
Sz. Pasko
a)
dB
b)
|H(j)|
dB
100
80
|H(j)|
obliczenia
obliczenia
pomiar
pomiar
80
60
60
40
40
20
20
f
0
Hz
10k
100k
1M
10M
30M
f
0
Hz
10k
100k
1M
10M
30M
Rys. 3. Zmierzona charakterystyka tłumienności analizowanego filtru: a) dla zaburzeń wspólnych,
b ) dla zaburzeń różnicowych.
Fig. 3. Insertion loss characteristic of analyzed filter: a) common mode, b) differentia mode
Z porównania charakterystyki tłumienności wtrąceniowej dla filtru zmierzonej i wyznaczonej analitycznie, a przedstawionej na rys. 3 wynika, że zaproponowany model filtru opisanego za pomocą parametrów macierzy łańcuchowej dość dobrze odwzorowuje pomierzoną
charakterystykę filtru. Dlatego też na podstawie zaproponowanego modelu została przeprowadzona analiza wpływu wartości parametrów elementów składowych filtru na jego
tłumienność dla składowej różnicowej (DM). Natomiast dla składowej wspólnej została
opisana w pracach [3], [4].
Wpływ parametrów elementów składowych filtru na jego tłumienność wtrąceniową jest
badany w taki sposób, że porównuje się charakterystyki tłumienności wtrąceniowej filtru,
którego jeden z parametrów jest zmieniony względem filtru wzorcowego, a pozostałe jego
parametry są niezmienione. Wartości parametru filtru zostały przedstawione na rys. 2.
3. WPŁYW PARAMETRÓW FILTRU NA TŁUMIENNOŚĆ WTRĄCENIOWĄ DLA
SKŁADOWEJ RÓŻNICOWEJ DM
Schemat zastępczy filtru przeciwzakłóceniowego EMI dla składowej DM został
przedstawiony na rys. 4. Na poziom zaburzeń dla składowej DM mają wpływ indukcyjności
rozproszenia Lr cewek sprzężonych, wartości pojemności kondensatorów CX1, CX2, CY1, CY2
oraz ich parametry pasożytnicze. Dla zaburzeń DM indukcyjność cewek sprzężonych jest
reprezentowana przez wartość indukcyjności rozproszenia Lr. Dla zaburzeń CM wzrost
indukcyjności rozproszenia Lr powoduje zmniejszenie poziomu tłumienia dla składowej CM,
Analiza wpływu konstrukcji…
63
jak zostało to przedstawione w artykule [4]. Natomiast dla zaburzeń DM wzrost indukcyjności Lr
powoduje wzrost tłumienia (rys. 5).
L0
C1
Rp
CX2
Rw
CX1
CY1
Lr
L
L’
RY1
LX1
C3
RX1 CX1
RX2 CX2 LX2
C3
CY1
CY2
LY1
RY2
LY2
N’
N
Lr
CY2
Rp
C2
Rys. 4. Schemat filtru dla składowej DM z uwzględnieniem parametrów pasożytniczych
Fig. 4. Scheme of filter for differential mode with parasitic capacitances
a)
b)
dB
|H(j)|
dB
100
|H(j)|
80
C11>C1
L1r>Lr
1
2
3
C1
Lr
80
L2r<Lr
C21<C1
fDM4
60
60
fDM3
40
fDM2
40
20
fDM1
20
f
f
0
10k
100k
1M
10M
30M
Hz
0
10k
100k
1M
10M
30M
Hz
Rys. 5. Wpływ zmian parametrów na tłumienność filtru dla składowej DM: a) indukcyjności
rozproszenia Lr, b) pojemności pasożytniczej C1
Fig. 5. Influence of filter parameters for common mode DM: a) leakage inductance Lr, b) parasitic
capacitance C1
Zmiana wartości pojemności kondensatorów CY i ich parametrów pasożytniczych ma
wpływ na charakterystykę tłumienności dla składowej DM, dla częstotliwości powyżej
częstotliwości fCY1= 16 MHz. Zwiększenie wartości pojemności CY z zakresu tolerancji (20%)
powoduje zmniejszenie częstotliwości fDM3, fDM4.
64
Sz. Pasko
Tłumienność dla częstotliwości rezonansowej fDM3 zwiększa się. Wpływ zmian
pojemności CY na poziom tłumienności dla składowej DM zaburzeń został przedstawiony na
rys. 6a.
a)
b)
dB
|H(j)|
dB
80
1
C1Y>CY
2
3
1
L1Y>LY
CY
2
3
LY
C2Y<CY
L2Y<LY
60
fDM4
fDM4
60
|H(j)|
80
40
fDM2
fDM2
fDM3
fDM3
40
20
f
0
10k
100k
fDM1
fDM1
20
1M
10M
30M
Hz
f
0
10k
100k
1M
10M
30M
Hz
Rys. 6. Tłumienność filtru dla DM dla: a) wybranych wartości pojemności CY, b)wybranych wartości
indukcyjności LY
Fig. 6. Insertion loss for DM mode for: a) selected value of CY, b) selected value LY
Częstotliwości rezonansowe fDM3, fDM4 także zmniejszają swoje wartości w przypadku
zwiększania indukcyjności pasożytniczych LY – rys. 6b.
Wzrost wartości rezystancji RY powoduje zwiększenie tłumienności dla częstotliwości
rezonansowych fDM3, a zmniejsza się dla częstotliwości rezonansowej fDM4. Wpływ ten
przedstawiono na rys. 7a.
Wartość pojemności kondensatora CY jest ściśle określona ze względu na dopuszczalne
wartości prądu upływu Iup. Pojemności kondensatorów CX zależą od rodzaju filtru i mogą być
dobierane stosownie do pożądanej tłumienności DM. Wzrost wartości pojemności
kondensatorów CX powoduje zwiększenie tłumienności dla zaburzeń DM.
Na rys. 7b przedstawiono wpływ wartości pojemności CX na poziom tłumienia dla
składowej DM. Kondensatory CX o większych pojemnościach podwyższają poziom
tłumienia, ale mają wyższe wartości indukcyjności pasożytniczych LX, które wpływają na
obniżenie tłumienności powyżej częstotliwości fDM2.
Na rysunku 8a podano wpływ indukcyjności pasożytniczych LX na poziom tłumienności.
Wzrost tłumienia oraz przesunięcie częstotliwości rezonansowych fDM2, fDM3, fDM4 w zakres
wyższych częstotliwości (powyżej 2 MHz) występuje dla małych wartości indukcyjności
pasożytniczych LX.
Analiza wpływu konstrukcji…
65
a)
b)
|H(j)|
dB
|H(j)|
dB
100
1
R1Y>RY
2
80
3
1
C1X>CX
RY
2
3
CX
80
R2Y<RY
C2X<CX
60
fDM4
fDM4
60
fDM3
fDM3
40
fDM2
fDM2
40
20
f
0
10k
fDM1
fDM1
20
100k
1M
10M
f
0
Hz
30M
10k
100k
1M
10M
Hz
30M
Rys. 7. Tłumienność filtru dla DM dla: a) wybranych wartości pojemności RY, b) wybranych wartości
indukcyjności CX
Fig. 7. Insertion loss for DM mode for: a) selected value of RY, b) selected value CX.
Na poziom tłumienia ma także wpływ rezystancja pasożytnicza RX kondensatora CX.
Wpływ zmian rezystancji RX został przedstawiony na rys. 8b. Zwiększenie wartości
rezystancji RX powoduje obniżenie poziomu tłumienia powyżej 1 MHz, przyczyną jest wzrost
impedancji kondensatora CX.
a)
b)
dB
|H(j)|
dB
100
1
L1X>LX
2
|H(j)|
100
3
1
R1X>RX
LX
2
3
RX
80
80
L2X<LX
R2X<RX
60
40
fDM1
fDM2
fDM2
40
fDM3
fDM3
fDM4
fDM4
60
20
fDM1
20
f
0
10k
100k
1M
10M
30M
Hz
f
0
10k
100k
1M
10M
30M
Hz
Rys. 8. Tłumienność filtru dla DM dla: a) wybranych wartości pojemności LX, b) wybranych wartości
indukcyjności RX
Fig. 8. Insertion loss for DM mode for: a) selected value of LX, b) selected value RX.
66
Sz. Pasko
4. WNIOSKI
Na tłumienność filtru dla zaburzeń DM mają wpływ parametry cewek sprzężonych, takie
jak: wartości indukcyjności rozproszenia Lr, pojemności pasożytnicze, rezystancja rdzenia
magnetycznego oraz wartości pojemności CX i CY. Większa wartości indukcyjności Lr
powoduje zwiększenie tłumienności. Pojemności pasożytnicze cewek sprzężonych mają
znikomy wpływ na poziom tłumienia dla zaburzeń DM. Największy wpływ na poziom
tłumienia dla zaburzeń różnicowych DM ma wartość pojemności CX oraz jej parametry
pasożytnicze RX i LX. Wartość pojemności CY oraz jej parametry pasożytnicze mają widoczny
wpływ na tłumienność pasożytniczą dla częstotliwości powyżej kilku MHz (rys.6a).
Zwiększenie tłumienności dla zaburzeń DM można uzyskać przez stosowanie
kondensatorów o jak najmniejszych wartościach indukcyjności pasożytniczych. Wartości
indukcyjności pasożytniczych zależą od rodzaju zastosowanego kondensatora, najmniejsze
wartości indukcyjności pasożytniczej mają kondensatory ceramiczne.
BIBLIOGRAFIA
1. CISPR 17:2000,:Methods of measurement of the suppression characteristics of passive
radio interference Flters and suppression components. 2000.
2. Pasko S., Beck F., Grzesik B.: Property comparisons of TIGHTpak toroidal and double
3.
4.
5.
6.
7.
8.
layer common choke. “Electrical Review” 2010 nr, 2, p. 9-13.
Pasko S.: Analiza wpływu konstrukcji na właściwości filtrów zaburzeń przewodzonych
przekształtników energoelektronicznych. Rozprawa doktorska, Gliwice, 15.03.2011.
Pasko S.: Analiza wpływu konstrukcji filtrów dla zaburzeń różnicowych. Kwartalnik
„Elektryka” z. 1, s. 63-72.
Pasko S., Grzesik B., Beck F.: Attenuation of nanocrystalline and ferrite common mode
chokes for EMI filters. 15th International Symposium Power Electronics Ee2009, 28th30th October 2009, Novi Sad, Serbia.
Pasko S., Grzesik B.: Analityczne wyznaczanie tłumienności wtrąceniowej filtrów
przeciwzakłóceniowych. „Przegląd Elektrotechniczny” 2012, nr 3a, s. 215-219.
Ozenbaugh L. R.: EMI filter Design. Headquarters, 2001.
Ott H.W.: Electromagnetic compatibility Engineering. John Wiley & Sons, 2009.
Dr inż. Szymon Pasko
Politechnika Śląska
Wydział Elektryczny
Katedra Energoelektroniki, Napędu Elektrycznego i Robotyki
ul. Krzywoustego 2
44-100 Gliwice
e-mail: [email protected]