ZASTOSOWANIE AKTYWNEGO FILTRU EMI DO REDUKCJI ZABURZEŃ PRZEWODZONYCH GENEROWANYCH PRZEZ PRZEKSZTAŁTNIK PODWYŻSZAJĄCY NAPIĘCIE

DOI 10.21008/j.1897-0737.2017.91.0001

__________________________________________

* Politechnika Śląska.

Marian PASKO*

Marek SZYMCZAK*

ZASTOSOWANIE AKTYWNEGO FILTRU EMI DO REDUKCJI ZABURZEŃ PRZEWODZONYCH

GENEROWANYCH PRZEZ PRZEKSZTAŁTNIK PODWYŻSZAJĄCY NAPIĘCIE

W artykule przeprowadzono badanie oraz ocenę aktywnego filtru do tłumienia zabu- rzeń przewodzonych, gdzie źródłem tych zaburzeń jest przekształtnik podwyższający napięcie (boost converter). W pierwszej części artykułu przedstawiono zarys filtrów aktywnych oraz podano ich podstawową właściwość, którą jest tłumienność wtrącenio- wa IL. W drugiej części artykułu został przedstawiony układ pomiarowy oraz wyniki pomiarów przy redukcji zaburzeń różnicowych DM (differential mode) generowanych przez przekształtnik boost. W podsumowaniu zostały podane wnioski z przeprowadzo- nych badań.

SŁOWA KLUCZOWE: filtry aktywne, zaburzenia przewodzone, kompatybilność elek- tromagnetyczna, filtry EMI, przekształtnik boost

1. WSTĘP

Rozwój nowoczesnych przekształtników, działających na wysokich często- tliwościach, paradoksalnie doprowadził do tego, że waga i rozmiar filtrów EMI w nich użytych, mogą być większe niż sam przekształtnik [4, 7]. W związku z tym od kilkunastu lat prowadzi się badania nad możliwością zastosowania układów aktywnych do tłumienia zaburzeń przewodzonych, zastępując filtry pasywne lub znacznie poprawiając ich właściwości [1, 2, 3, 5]. W [8] zostały przeanalizowane podstawowe struktury filtrów aktywnych ze wskazaniem ich wad i zalet oraz warunków poprawnej pracy. W [9] przedstawiono wyniki ba- dań eksperymentalnych dwóch z sześciu możliwych konfiguracji filtrów pre- zentując ich charakterystyki tłumienności wtrąceniowej oraz potwierdzając kryteria doboru odpowiedniej struktury do danych warunków pracy. Niniejszy artykuł natomiast przedstawia wyniki badań z zastosowania filtru aktywnego typu IV (detekcja i usuwanie napięcia zaburzeń) do tłumienia zaburzeń różni- cowych DM, generowanych przez przekształtnik podwyższający napięcie.

2. AKTYWNE FILTRY EMI

Zadaniem filtru jest detekcja i redukcja zaburzeń generowanych przez źródło (odbiornik), tak aby nie przedostawały się one do sieci zasilającej (rysunek 1).

Filtry aktywne można podzielić ze względu na typ sprzężenia oraz sposób de- tekcji i kompensacji zaburzeń. Ze względu na zastosowane sprzężenie można wyróżnić dwie grupy filtrów: ze sprzężeniem zwrotnym (feedback-type) oraz bez sprzężenia (feedforward-type).

i

Z

Z

Sieć zasilająca Odbiornik - źródło zaburzeń

Filtr EMI

Z

Z

Rys. 1. Schemat zastępczy z filtrem przeciwzaburzeniowym

Współczynnikiem określającym stopień redukcji zaburzeń EMI przez filtr jest tłumienność wtrąceniowa |IL| (oznaczana też α) i definiowana jako (1) sto- sunek wartości skutecznej napięcia na zaciskach odbiornika bez filtru, do war- tości skutecznej napięcia panującego na tych zaciskach po jego zastosowaniu:

s s

U U IL

0

 (1)

lub w skali decybelowej (2):

s s

dB U

U log 20 IL

0

 (2)

gdzie: |Us

0| – wartość skuteczna napięcia na zaciskach zasilających urządzenie bez filtru, |Us| – wartość skuteczna napięcia na zaciskach zasilających po włą- czeniu filtru.

2.1 Struktury filtrów aktywnych ze sprzężeniem zwrotnym

W artykule skupiono się na grupie filtrów ze sprzężeniem zwrotnym (fe- edback-type), których działanie polega na wytworzeniu sygnału kompensujące- go, tak aby tłumić zaburzenia generowane przez źródło (zamknięta pętla). Na rysunku 2 zostały przedstawione cztery podstawowe struktury filtrów aktyw- nych ze sprzężeniem zwrotnym [6], wraz z zaproponowanymi dla nich w [10]

numerami typów. Typy te różnią się od siebie sposobem detekcji oraz redukcji zaburzeń.

i_n

A Z_n

Z_s

u

s ⁺ -A

1

i_{s d}

i_n

A Z_n

Z_s i

2

i_s

d

i_n Z_n

Zs Zs Z_n i_n

u_d

3

i_d

u _s ⁺

-A₄ u

Typ I Typ II

Typ III Typ IV

Rys. 2. Struktury filtrów ze sprzężeniem zwrotnym [6]

W [8] została dokonana szczegółowa analiza oraz badania symulacyjne wy- żej wymienionych struktur, z których w [9] zostały wybrane dwie do badań eks- perymentalnych: typ III oraz IV, gdzie zbadano ich właściwości i zweryfikowa- no warunki poprawnej pracy.

Do tłumienia zaburzeń różnicowych DM najlepszym wyborem są struktury filtrów usuwające napięcie (typ II i IV). Wybór ten związany jest z niskim mo- dułem impedancji |Zn| samego źródła zaburzeń [8]. Filtry tego typu podłączane są do odbiornika przez włączony z nim szeregowo transformator (rysunek 3), a w omawianym tutaj przykładzie został użyty filtr typu IV poddający detekcji napięcie zaburzeń.

2.2 Układ pomiarowy z filtrem typu IV

Na rysunku 3 został zaproponowany przez autorów, układ pomiarowy z fil- trem poddającym detekcji i usuwaniu napięcie zaburzeń.

Rys. 3. Proponowany schemat układu pomiarowego z filtrem poddającym detekcji i usuwający napięcie zaburzeń

Źródłem zaburzeń w przykładzie jest przekształtnik podwyższający napięcie (boost), zasilany ze źródła napięcia stałego 12 V i obciążony na wyjściu rezy- stancją Ro. Moc pobierana przez przekształtnik wynosiła ok. 10 W.

Zasilanie 12 V zostało podłączone przez sztuczną sieć zasilającą LISN, której zadaniem jest stabilizacja warunków pomiarowych. Sieć ta została wykonana według normy: PN-EN 55016–2–1, dotyczącej aparatury pomiarowej i metod pomiaru zaburzeń radioelektrycznych oraz odporności na zaburzenia (część 2–1:

metody pomiaru zaburzeń i badania odporności – pomiary zaburzeń przewodzo- nych).

Na rysunku 4 został przedstawiony schemat wzmacniacza A użytego w fil- trze. Natomiast jego parametry oraz charakterystyka modułu wzmocnienia podane zostały odpowiednio w tabeli 1 oraz na rysunku 5.

Tabela 1. Parametry wzmacniacza niskonapięciowego

Maksymalne napięcie zasilania +/– 15 V

Wzmocnienie 100 V/V

Rezystancja wejściowa 22 kΩ

Prąd wyjściowy Do 100 mA

Pasmo Od 1 kHz do 500 kHz

Rys. 4. Schemat wzmacniacza niskonapięciowego [9]

Wejście filtru (wzmacniacza A) podłączono przez układ kondensatora Cin i potencjometru P, tworzącego filtr górnoprzepustowy, w celu obcięcia pasma od dołu oraz umożliwienia regulacji stopnia sprzężenia filtru z linią zasilającą (rysunek 3).

|A |=f(f )

0,0 20,0 40,0 60,0 80,0 100,0 120,0

0,01 0,1 1 10 100 1000 10000

f , kHz

|A|, V/V

Rys. 5. Charakterystyka modułu wzmocnienia wzmacniacza niskonapięciowego [9]

Natomiast wyjście zostało podłączone przez transformator z przekładnią 1:1 i indukcyjnością uzwojeń L1 = L2 = 1 mH. Dodatkowo uzwojenie L2 podłączone jest do wzmacniacza A przez kondensator Cout = 3,3 µF również w celu obcięcia pasma od dołu i usunięciu ewentualnej składowej stałej mogącej nasycać rdzeń, co jest niepożądane. Pojemność kondensatora Cin była dobierana eksperymental- nie, a jej wartość wpływała na zachowanie się filtru.

2.3 Wyniki pomiarów

Widmo zaburzeń było badane w zakresie od 10 kHz do 1 MHz, analizatorem firmy GW Instek, typ GSP–827. Przy stałych warunkach zasilania i obciążenia, zostało zbadane widmo jakie generuje przetwornica bez filtru (rysunek 6) oraz z filtrem składającym się wyłącznie z szeregowo włączonej cewki o indukcyjno- ści 1 mH (rysunek 7). Obydwa te pomiary będą stanowiły punkt odniesienia przy analizie właściwości filtru aktywnego, który został w następnej kolejności dołączony do przekształtnika boost.

Na rysunkach od 8 do 10 zostały przedstawione widma zaburzeń generowa- nych przez przekształtnik boost po stłumieniu ich filtrem aktywnym, przy róż- nych wartościach pojemności kondensatora Cin. Zmiana wartości tego kondensa- tora wpływała na parametry filtru poprzez zmianę pasma przenoszenia wzmac- niacza A oraz możliwą wartość sprzężenia filtru potencjometrem P. Za duża wartość tych pojemności ograniczała możliwość sprzężenia wzmacniacza A ponieważ filtr, po przekroczeniu pewnej wartości wzmocnienia przestawał tłu- mić, a nawet zaczynał wzmacniać zaburzenia generowane przez przekształtnik, co było niepożądane.

Rys. 6. Widmo zaburzeń generowanych przez przekształtnik bez filtru

Rys. 7. Widmo zaburzeń generowanych przez przekształtnik z filtrem składającym się z dławika 1 mH

Rys. 8. Widmo zaburzeń generowanych przez przekształtnik z filtrem aktywnym, Cin = 33 nF

Rys. 9. Widmo zaburzeń generowanych przez przekształtnik z filtrem aktywnym, Cin = 3,3 nF

Rys. 10. Widmo zaburzeń generowanych przez przekształtnik z filtrem aktywnym, Cin = 1 nF

Zmniejszając pojemność kondensatora Cin z 33 nF (rysunek 8) przez 3,3 nF (rysunek 9), aż do 1 nF (rysunek 10) widać wyraźny spadek zaburzeń w paśmie od 300 kHz do 1 MHz. Dla skrajnych wartości tych pojemności uzyskuje się zwiększenie tłumienia filtru o kolejne 5 dB. Zmianie ulega też nieznacznie cha- rakter widma tych zaburzeń, co związane jest ze zmianą parametrów całego obwodu.

Największe wzmocnienie (współczynnik sprzężenia) jakie udało się osią- gnąć, bez negatywnego wpływu filtru na ogólny poziom zaburzeń, wyniosło ok.

28 V/V, przy pojemności kondensatora Cin = 1 nF. W takiej konfiguracji pasmo przenoszenia filtru zaczyna się od ok. 20 kHz. Wartość modułu tłumienności wtrąceniowej |IL| w paśmie od 100 kHz do 1 MHz, można określić na podstawie otrzymanych widm na ok. 20 dB. W tych samych warunkach, układ bez filtru aktywnego, zawierający filtr składający się wyłącznie z cewki o indukcyjności 1 mH, wykazywał tłumienie zaledwie ok. 6 dB.

3. PODSUMOWANIE

W artykule przeanalizowano działanie aktywnego filtru typu IV do tłumienia zaburzeń przewodzonych generowanych przez przekształtnik boost. Z pomia- rów wynika, że filtr ten dobrze tłumi widmo generowanych zaburzeń od często- tliwości ok. 40 kHz do 1 MHz. Na podstawie otrzymanych widm, można okre-

ślić moduł tłumienności wtrąceniowej |IL| filtru na poziomie ok. 20 dB, co w porównaniu do układu z samą cewką, którego moduł współczynnika |IL| wy- niósł ok. 6 dB, jest wartością 5 razy lepszą.

Dużą rolę w układzie odgrywa odpowiedni dobór parametrów filtru górno- przepustowego ograniczającego pasmo filtru aktywnego od dołu. Jego niewła- ściwe dobranie będzie skutkowało ograniczeniem maksymalnego wzmocnienia wzmacniacza A, a co za tym idzie skuteczności tłumienia filtru dla wyższych częstotliwości. Jest to spowodowane próbą kompensacji przez filtr zbyt niskich częstotliwości i przesterowaniem się jego stopnia wyjściowego [8].

Porównując charakterystykę modułu wzmocnienia wzmacniacza A (rysu- nek 5) oraz otrzymanych widm tłumienia, można zauważyć, że wraz ze wzrostem częstotliwości, skuteczność filtru maleje i dla ok. 1 MHz tłumienie jest zbliżone do układu z samą cewką (rysunek 7).

Przeprowadzone badania potwierdzają skuteczność działania filtrów aktyw- nych i w następnej kolejności zostanie podjęta próba zastosowania filtrów ak- tywnych w układzie z falownikiem o mocy 1,9 kV·A.

LITERATURA

[1] Biela J., Wirthmueller A., Waespe R., Heldwein M. L., Raggl K., Kolar J. W.:

Passive and Active Hybrid Integrated EMI Filters. IEEE Trans. Power Electron., vol. 24, no. 5, May 2009.

[2] Cantillon–Murphy P., Neugebauer T. C., Brasca C., Perreault D. J.: An Active Ripple Filtering for Improving Common–Mode Inductor Performance. IEEE Power Electron. Letters, vol. 2, no. 2, s.45–50, June 2004.

[3] Chen W., Yang X., Wang Z.: An Active EMI Filtering Technique for Improving Passive Filter Low–Frequency Performance. IEEE Trans. Electromagn. Compat., vol. 48, no. 1, Feb. 2006.

[4] Dong D., Luo F., Zhang D. Boroyevich D., Mattavelli P.: Grid–interface bidirectional converter for residental dc distributions systems – Part 2: AC and dc interface design with passive components minimization. IEEE Trans. Power Electron., vol. 28, no. 4, s. 1667–1679, Apr. 2013.

[5] Heldwein M. L., Ertl H., Biela J., Kolar J. W.: Implementation of a Transformless Common–Mode Active Filter for Offline Converter Systems.

IEEE Trans. On Industrial Electron., vol. 57, no. 5, May 2010.

[6] LaWhite L., Schlecht M. F.: Design of Active Ripple Filters for Power Circuits Operating in the 1–10 MHz Range. IEEE Trans. Power Electron., vol. 3, no. 3, s.

310–317, July 1988.

[7] Luo F., Zhang D. Boroyevich D., Mattavelli P., Xue J., Wang F., Gazel N.: On discussion of ac and dc side EMI filters design for conducted noise suppression in dc–feed three–phase motor drive system. Proc. IEEE APEC, Mar. 2011.

[8] Pasko M., Szymczak M.: Analysis and simulation of the basic structures of active EMI filters. "Computer Applications in Electrical Engineering”, ed. by R.

Nawrowski, Poznan University of Technology, No 13, Poznań 2015.

[9] Pasko M., Szymczak M.: Badanie aktywnych filtrów do tłumienia zaburzeń przewodzonych. Poznan University Of Technology Academic Journals Electrical Engineering, no 87, Poznań 2016.

[10] Son Y.–C., Sul S.–K.: Generalization of Active Filters for EMI Reduction and Harmonics Compensation. IEEE Trans. Ind. Appl., vol. 42, no. 2, s. 545–551, March/April 2006.

APPLICATION OF ACTIVE EMI FILTER TO REDUCTION CONDUCTED NOISE GENERATED BY A BOOST CONVERTER

The article presents the results of experimental studies of active EMI filter where the noise source is a boost converter. Firstly, the idea of active EMI filters is presented, with the insertion loss (IL) parameter describing their efficiency. Then, feedback–type filter structures are introduced, with one of them selected for further experiments.

Measurement system and schematic diagram of inspected structure is presented, along with the characteristics of noise spectrum in the function of frequency. The article concludes with the summary of positive and negative properties of the subject filter.

(Received: 08. 02. 2017, revised: 24. 02. 2017)