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[电磁兼容]电源供电质量对EMI滤波器的可靠性和敏感度的影响 (二) [复制链接]

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只看楼主倒序阅读使用道具楼主发表于: 2023-07-05

关键词：电源 EMI滤波器可靠性 X电容 Y电容

电源供电质量对EMI滤波器的可靠性和敏感度的影响 (连载二)
但是电感（整个绕组）上建立的电压并不是随着绕组的数量（导线长度）而线性变化的。这种非线性会导致在那些更靠近磁芯的绕组上产生更高的电压。而这种非线性的原因是相对于靠近电感外层的末端绕组而言，和靠近磁芯的绕组交联的磁链更大。如果在为电感的绕组选择绝缘漆包时没有考虑这种电压的升高，那么就有可能因为绝缘（漆包层）损坏而导致电感闪络。而且，因为靠近磁芯处绕组出现的温度过高也可能加速漆包层的损坏。例如，当电感受到损伤后，因为漆包层受到机械力的作用，这种效应会更加显著。当发生电感闪络时，绝缘被破坏，电感的部分绕组被短路，并导致电感的完全故障。除此之外，电感开路并导致终端设备故障的情况极少发生。在电感完全故障的情况下，EMI 滤波器经过某些溶液（通常是特制漆）的浸泡。将其做成漆包线的目的是为了提供绝缘、实现各个绕组间的电气隔离，从而使电感两端能够建立一定的电压。

但是电感（整个绕组）上建立的电压并不是随着绕组的数量（导线长度）而线性变化的。这种非线性会导致在那些更靠近磁芯的绕组上产生更高的电压。而这种非线性的原因是相对于靠近电感外层的末端绕组而言，和靠近磁芯的绕组交联的磁链更大。如果在为电感的绕组选择绝缘漆包时没有考虑这种电压的升高，那么就有可能因为绝缘（漆包层）损坏而导致电感闪络。而且，因为靠近磁芯处绕组出现的温度过高也可能加速漆包层的损坏。例如，当电感受到损伤后，因为漆包层受到机械力的作用，这种效应会更加显著。当发生电感闪络时，绝缘被破坏，电感的部分绕组被短路，并导致电感的完全故障。除此之外，电感开路并导致终端设备故障的情况极少发生。在电感完全故障的情况下，EMI 滤波器要求开断，就会导致潜在的致命电击。
对于标称电压为120V 的终端设备，X 和Y 电容会具备交流250V 的稳态标称电压。这种标称的电容对于用于美国、加拿大、欧洲、澳大利亚以及其它使用230V 或240V 电压国家的设备而言是可以接受的。但是，标称电压为250V的X 和Y 电容不能被用在标称电压为277V 的终端设备中，例如电子照明镇流器和可调速驱动器。标称电压为交流277V 的终端设备中应该使用标称值为440V 的X 和Y 电容。

X 和Y 类电容在终端设备和EMI滤波器设计中被视作安全电容。这些电容可以被分成不同的几类。对X 电
容而言，有三类：X1，X2 和X3。对Y 电容而言，有四类：Y1，Y2，Y3 和Y4。大部分终端设备既会用到X1 或X2 电容又会用到Y2 电容。其中，X1电容的脉冲测试电压为4000V，X2 电容的脉冲测试电压为2500V，Y1 电容的脉冲测试电压为8000V，Y2 电容的脉冲测试电压为5000V。

X2 和Y2 电容是最常用的电容，在接到120V 插座上的设备中也经常能发现它们。X1 和Y1 电容通常用在大
负荷工业终端设备上，例如工业计算机、工业电子镇流器（应用在208V 或277V 的交流三相系统中）。在EMI 滤波器设计中，X1 和Y1电容价格更高，体积更大，其原因是使用了更多的绝缘材料以承受更高的脉冲电压。为了承受更高的电压，Y 电容必须更加牢固可靠，因为其一脚和地相连。它们被设计成可以可靠开断。Y 电容一般不会被当作X 电容使用，因为Y 电容一般更大更昂贵。某些电容有双重标称X1/Y2，即意味着它们既满足X1 又满足Y2 的安全要求和标准。

图3 给出了一个发生故障的Y 类电容（穿馈式陶瓷电容）的例子。设计中该电容被放置在两级滤波器之间，用来提高传统的印制板安装式Y 电容器的滤波效果。图片底部的燃烧点就是发生故障电容所在的地方。该故障是因为浪涌电压造成电源线（图中电容中心接头上所接的白线）和接地电容外壳之间发生电击穿而造成的。图3 中有两个穿馈式的Y 类电容。通过改进电源线与穿馈电容接头之间的焊接方法，可以提高滤波器的性能。

图4 给出了电子荧光灯镇流器中一个发生故障的X 类电容的例子。明显，靠近共模电感线路侧的X 类电容发生了故障。该电容被放置在电源线和中线之间。该故障是由过电压（即，浪涌电压）造成的。该镇流器中并没有使用MOV进行浪涌保护。X 类电容：浪涌引起的滤波器谐振效应X 电容是直接跨接在电源线之间或者放置在电源线和中线之间的电容。工作中，X 类电容两端一直加着电源电压；在绝缘材料没有被破坏的情况下，电容需要在该电压下正常工作。接到电源电压上的X 类电容必须要能够在滤波器中起到滤波的作用。换句话说就是，X电容必须能够承受电源电压的各种影响。

但是，电源电压不是X 类电容承受的唯一电压。X 类电容必须能够承受出现在电源线间的任何电压，即三相电源系统应用中的线（相间）电压以及单相电源系统应用中的相电压。谐振效应产生的过电压也会加在X
电容上。这种效应可以通过施加包括振铃波和混合波电压在内的浪涌电压的方法来模拟。这些浪涌电压包含能够引起滤波器元件谐振的某些特性频率。滤波器元件的谐振效应会导致元件两端所承受的电压升高。在某些情况下，这些电压甚至会超过X 电容所能承受的极限电压。

在图5 给出的实例中滤波器（用两个共模电感的C-L-C-L-C 型滤波器）输出出现谐振。当在滤波器的输入端加1000V 的混合波浪涌电压时，输出端会出现1.6 倍于输入电压的输出电压。这种电压增益在多级滤波器中并不罕见，可能会对滤波器后面的电子部件造成损坏。设备的设计人员在为多级滤波器选择电感和电容的时候会错开其谐振点，或者在滤波器的输出端放置大小合适的MOV 以钳制被放大的输出电压。图6 给出了在混合波浪涌电压作用下被损坏的一个简单EMI 滤波器的例子。图片显示，不论是电源线一侧还是负载一侧的X 电容都被破坏。电源线一侧的X 电容承受了1000V 的浪涌电压。该电压被滤波器放大后在负载端的X 电容两端形成更高的电压（1600V，如图5 所示）。

图6 在浪涌测试中出现谐振过电压的EMI滤波器的实例（顶图）滤波器电源一侧被损坏的X 电容（中图）通过滤波器侧视图可见中间的X 电容没有被损坏（底图）滤波器负载侧被损坏的X 电容

图7 用于EMI 滤波器的印刷电路板上的走线和接地面（滤波器的屏蔽壳）之间发生绝缘击穿的实例

间隔
在EMI 滤波器设计中，电气上的间隔是非常重要的。焊盘之间、器件导线之间、器件外壳之间、接地表面之间保持适当的间隔将会有助于避免滤波器内的击穿。任何表面和边角之间都有可能发生绝缘击穿。通过对器件之间间隔的设计和器件布局上的安排，设计人员可以防止滤波器在最大线电压（在277V 系统中即305V）或诸如高压测试中所规定的安全电压的作用下发生击穿。但我们也会突然发现：浪涌测试中，当浪涌电压低于MOV 的钳制电压时，绝缘击穿也会发生。该情况下，如果浪涌电压没有达到触发MOV 动作的程度，仍然需要防止电击穿在这些电压的作用发生，以避免EMI 滤波器遭受永久性的破坏。用高介电常数的介质可以防止绝缘击穿的发生。图7 给出了一个绝缘击穿的实例，其原因就是印刷电路板和EMI 滤波器屏蔽壳体之间的绝缘间隔不合理。

滤波器设计对设备敏感性的影响
电感饱和
在一定的频带上，滤波器通过共模和差模电感的使用提供感性的阻抗。必须通过滤波器的线电流也必定会通过这些电感。必须通过电感的负载电流的大小将影响电感提供感抗的能力。如果负载电流太大，电感会开始出现饱和。电感的饱和会对滤波器在100kHz 以下的性能产生重要的影响。在终端设备稳态工作情况下，滤波器电感可能会处于（或接近）饱和。此时，在设备的全部使用过程中，滤波器的衰减特性都会受到影响，直到负载电流下降到令电感不再工作在饱和状态下为止。在其它情况下，当负载电流发生波动，变化到饱和点的时候，电感会出现暂时的工作饱和。这种类型的电感饱和可能会发生在电压下降或瞬态干扰后的电压恢
复过程中，此时刚刚开始恢复的电源电压会导致负载电流的暂时增加，并促使电感进入饱和状态。

文章出自: 世科网