一种大功率宽频带电源滤波器研制_杨杰.pdf

第 45 卷 第 1 期2023 年 2 月防护工程POTECTIVE ENGINEEINGVol.45 No.1Feb.2023收稿日期:20221010作者简介:杨杰(1981)，男，博士，副研究员，主要研究方向为工程电磁脉冲效应和防护技术。引用格式:杨杰，何为，熊久良，等一种大功率宽频带电源滤波器研制J防护工程，2023，45(1):6671YANG Jie，HE Wei，XIONG Jiuliang，et al The development of a highpower wideband power filterJ Protective Engineering，2023，45(1):6671一种大功率宽频带电源滤波器研制杨杰何为熊久良黄刘宏张耀辉(军事科学院国防工程研究院，河南 洛阳 471023)摘要电源滤波器是一种重要的电磁脉冲防护器件。现有滤波器主要针对高空爆核电磁脉冲和高功率微波设计，且额定功率较低，无法满足地面爆核电磁脉冲和区域供电的防护需求。基于阻抗分析，设计滤波单元所采用的结构电路，计算电路器件的性能参数并进行了器件选型，通过数值仿真手段对电路整体进行分析验证，进而完成工程设计与实现，最终研制了一种大功率宽频带电源滤波器，并对其性能进行测试考核，可满足大型屏蔽设施针对不同强电磁脉冲的强电传导防护需求。关键词大功率;宽频带;电源滤波器;全波段The development of a highpower wideband power filterYANG Jie，HE Wei，XIONG Jiuliang，HUANG Liuhong，ZHANG Yaohui(Defense Engineering Institute，AMS，PLA，Luoyang 471023，China)AbstractPower filter is an important electromagnetic pulse protection device The existing filters are mainly de-signed for highaltitude nuclear explosion electromagnetic pulse and highpower microwave，so have lower ratedpower，which can t meet the requirements of protection against ground nuclear explosion electromagnetic pulse forimportant areas On the basis of impedance analysis，this paper designed a structural circuit used on the filter unit，calculated the performance parameters of the circuit devices and selected the device types;then analyzed and veri-fied the circuit as a whole by means of numerical simulation，thus completed the engineering design and implemen-tation;finally，developed a highpower wideband power filter，and tested and verified its performance，whichwas proved to meet the requirements of large shielding facilities for strong electric conduction protection against fullband strong electromagnetic pulseKeywordshigh power，wide band，power filter，full band对于大型屏蔽设施而言，由于设备及系统的集成度与复杂程度越来越高，电子装备所涉及的频带越来越宽，再加上电子装备所面临的高强度辐射场(HIF)、强电磁脉冲武器等产生的强电磁脉冲毁伤威胁，致使大型屏蔽设施的宽频带、高屏蔽效能的需求越来越大。需要注意的是，屏蔽设施的防护效能除了与屏蔽结构本身设计有关外，还与进出屏蔽体的电源线等线缆密切相关，需要在电缆线上安装插入损耗较高的防护设备电源滤波器。美国的 Me-teolabor、MPE 等公司，为美国军方研制生产了系列化的大型屏蔽设施用的电源滤波器，额定电流在 1kA 水平，额定电压在 400 VAC，低频截至频率为百kHz 水平，但由于保密的原因，无法知晓详细技术细节。从国内的研究情况看，这类滤波器在我国屏蔽设施领域不成熟，大多存在如下不足:(1)国内最大电流的滤波器通常都在 500 A 以下，电压最大为380 VAC，均属于常规电压和电流水平的防护滤波器;(2)其低频频率均在 10 kHz 以上，均属于防护高第 45 卷 第 1 期杨杰，等:一种大功率宽频带电源滤波器研制空核电磁脉冲(HEMP)的滤波器，并无防护地面与低空核爆的功能13。因此，笔者开发一种大功率宽频带电源滤波器，能够防护地面核爆炸电磁脉冲、高空核爆炸电磁脉冲和高功率微波等多个频段电磁波，以满足大型屏蔽设施甚至整个工程的电力系统传导防护需求。1技术指标针对现有滤波器存在的不足，拟研制滤波器主要技术指标如下:(1)额定电压 1 kV，额定工作频率 50 Hz，额定电流不小于 500 A;(2)抑制频率范围:1 kHz18 GHz;(3)插入损耗:IL40 dB(l kHz 100 kHz);IL80 dB(100 kHz 300 MHz);IL100 dB(300MHz18 GHz)。2研制方案2.1总体方案为实现上述技术指标，基于阻抗分析，设计了滤波单元所采用的结构电路，计算电路器件的性能参数并进行了器件选型，通过数值仿真与优化对电路整体进行分析验证，进而完成工程设计与实现，最后对滤波器性能进行测试考核，如图 1所示。图 1滤波器总体技术方案设计2.2系统阻抗分析通过对高压电源线与地的绝缘特性分析，滤波器两端源阻抗和负载阻抗均体现 pF 级容性特性。取典型值 10 pF，对不同频率下的阻抗进行计算，结果如表 1 所示。表 1源/负载阻抗与频率的关系频率/Hz阻抗/11031.610711051.61055011061.6104高阻抗11071.61035011081.610231085350110916110101.650低阻抗210100.8由表 1 可以看出:1 kHz1 MHz 频段:源阻抗和负载阻抗呈现50 的高阻抗;1 MHz100 MHz 频段:源阻抗和负载阻抗呈现50 的高阻抗;100 MHz18 GHz 频段:源阻抗和负载阻抗逐渐减小，在 300 MHz 时阻抗与 50 较为接近，并随着频率升高，阻抗降低。在 1 GHz 以上时，相对50 呈现低阻抗。由于高频时不能依靠阻抗失配来对耦合噪声进行反射抑制，因此该频段必须通过馈通滤波器进行吸收和隔舱屏蔽来进行抑制。2.3器件参数计算和选型滤波器采用无源滤波形式，设计为巴特沃斯滤波器模型，包含三级五阶滤波电路，主要由两级 LC分立器件组成的滤波电路和一级分布参数器件组成的滤波电路构成，具体如图 2 所示。考虑到滤波器需在 100 kHz18 GHz 宽频段内至少达到 80 dB 的高插入损耗，其输入/输出结构必须采用屏蔽分舱结构。输入、输出采用接线铜排。图 2滤波器电路结构在频率低于 100 MHz 频段下，以防护状态下的源阻抗和负载阻抗进行拓扑的选型，以测试状态下的源阻抗和负载阻抗进行元器件参数的设计，则滤波器在防护状态下的插入损耗一定能大于测试状态下的插入损耗。而在大于 300 MHz 以上的频率范76防护工程2023 年围，由于主要通过馈通滤波器进行吸收，因而采用50 测试系统进行测试。具体为:l kHz100 kHz 频段:主要依靠共模电感及 F级别的共模电容，来保证插入损耗指标;100 kHz300 MHz 频段:主要依靠共模电容、共模电感和 nF 级别的馈通滤波器，来保证插损指标;300 MHz18 GHz 频段:主要依靠 nF 级别的馈通滤波器和多级隔舱对各级电路的屏蔽，来保证插损指标。充分考虑到 L、C 器件截止频率设置过低，但本滤波器在极低频段内对插入损耗要求较高，因此必须采用多阶滤波器，依据经验，工频滤波器的电感截止频率选定为 400 Hz，共模电容 C 截止频率选定为1 kHz。(1)电感确定。电感选择具有高饱和磁感应强度(1.25 T)、高磁导率(105)、低(磁)损耗、温度特性好(居里温度高于500)的铁基纳米晶磁芯，用于绕制共模电感。由于低频滤波需要大感量的电感，为减小大电流下磁路气隙的漏感对线路功率传输的阻抗分压，共模电感采用圆环形磁芯。按照插入损耗要求，该滤波器采用 3 个 L 型滤波电路的级联，按多级滤波器插入损耗的级联算法，每级 L 型滤波电路所需的最小插入损耗为 40/3=13.3(dB)，考虑滤波器的插入损耗余量，每级 L 型滤波电路的插入损耗按 15dB 要求，依据 L 型滤波电路插入损耗公式计算每级L 型滤波电路所需要的电感量:Lin=10lg142 2LC()2+C+L()2(1)式中:为 50;C 为 9 F;为 2f。由于在l00 kHz 频段，不需考虑器件的寄生参数，随着频率的增加，该滤波电路的插损以每个 20dB/10 倍频程增加，在 l00 kHz 时，插入损耗至少能达到 80 dB 以上。因此最低频点 l kHz 满足了插入损耗要求，其他频点就能满足插入损耗的要求。取f=l kHz;通过对 LC 滤波电路的插入损耗计算，可得电感量 L 为 20 mH。对于这种量级的电感，常规设计方法，是在一个磁环上采用多胆绕制的方式。但本滤波器所要求的额定电流高达 500 A，在电感绕制方面存在 3 个问题:(1)多匝绕制会导致电感出现饱和，出现高温发热;(2)绕制电感的线径非常粗(2833 mm)，对于如此大线径的导线，折弯困难，无法绕制;(3)对于 1 GHz18 GHz 的高频频段，多匝绕制电感的线圈间存在分布电容，会导致电感在高频时由于分布电容的存在，产生电路谐振，使得高频频段内的插入损耗大幅降低，因此，在电感绕制时，必须采用多个电感串联，绕组在多个磁芯中绕制的方式，以保证电感量，减少线圈间的分布电容。(2)电 容 确 定。共 模 电 容 的 截 止 频 率 为1 kHz，则Zc=1jC=50(2)计算得共模电容为 3.2 F，即设计的共模电容值应该是 F 级。漏电流主要是由共模电容引起的，即图 2 中的CY1电容和 CY2馈通电容引起的。因而，共模电容 C 在确定电压下，满足漏电流每线3.5 A/(250 VAC/50Hz)的指标要求，根据式(3)进行计算:C I2fV(3)经过计算，可以确定共模电容必须小于 40 F来保证漏电流指标，由图 2 知，每路共模电容共有 3个，即 2 个 CY1共模电容和 1 个馈通电容 CY2，共模电容不应该超过 13.3 F，共模电容 CY1设计为 9F，1 个馈通电容 CY2设计为 22 nF。对于大于 l kHz 频段的共模干扰，在本无源滤波电路中存在共模电容对地的泄放通道。常规无源滤波电路，因为线路上的共模干扰小的原因，共模电容优先选用等效串联电阻更小的陶瓷电容，而在本例中，线路上的共模干扰为宽频谱，频率更接近于直流，而且能量大，除了考虑电容的线地耐受电压要求，还需考虑电容对 di/dt 的响应要求。因此，在本滤波电路中，采用额定电压 1 100 VAC 的金属化聚丙烯薄膜电容，该电容比陶瓷电容等效串联电阻略大，同时对线路上的共模 di/dt 有一定的吸收能力，可以防止共模电流对滤波线路对地阻抗的损伤。(3)馈通滤波器的选择。1 GHz18 GHz 频段主要依靠 nF 级别的馈通滤波器实现插入损耗指标。由于滤波器的额定电流很大，单个馈通滤波器通过的电流有限，所以必须采取多个馈通滤波器并联的方法。选择馈通滤波器型号为:K4001 000 VAC400 A0.022F。3电路的数值仿真为检验参数选择是否合理，使用 ADS 软件通过分频段的仿真对无源滤波单元在 1 kHz18 GHz 是否能达到预期插损进行校核。(1)1 kHz1 MHz。在 l kHz l MHz 主要依靠共模电感和共模电容实现插入损耗指标。滤波器共86第 45 卷 第 1 期杨杰，等:一种大功率宽频带电源滤波器研制模插入损耗仿真模型及计算结果如图 3 所示。图 31 kHz1 MHz 电路模型及计算结果由图 3 可知，1 kHz100 kHz 频段满足 40 dB 的插入损耗指标要求，100 kHz1 MHz 频段满足80 dB的插入损耗指标要求。100 kHz 以上由于电感磁导率下降及共模电容参数的影响，仿真结果与实际情况有一定偏差，但是由于留有裕量，足以满足设计指标。(2)1 MHz20 MHz。在 1 MHz20 MHz 主要依靠共模电感和共模电容实现插入损耗指标。图 41 MHz20 MHz 电路模型及计算结果在 10 kHz 时共模电感量为 20 mH，在 20 MHz时磁芯磁导率仅有 10 kHz 时的 1/200，则 1 MHz20 MHz 时共模电感量至少有 100 H，而共模电容由于高频参数的影响在 20 MHz 时滤波效果仅仅相当于一个 20 nF 的电容。可以建立共模插入损耗仿真模型及结果，如图 4 所示。由仿真结果可知在1 MHz20 MHz 频段满足 80 dB 的插入损耗要求。(3)20 MHz100 MHz。100 MHz 时磁芯磁导率只有10 kHz 时的 1/1 000，10 kHz 时共模电感量为 20mH，则20 MHz100 MHz 时共模电感量至少有20 H，即可以建立共模插入损耗仿真模型，结果如图5 所示。图 520 MHz100 MHz 电路模型及计算结果由仿真结果可知，仅依靠共模电感和馈通滤波器，20 MHz100 MHz 频段就足够达到 80 dB 的设计指标。(4)100 MHz18 GHz。100 MHz 以后电感磁芯磁导率开始逐渐消失，因此共模电感可以当作空心线圈。根据圆截面直导线电感公式:L=0l2ln2lr 0.75()(4)式中:L 表示电感，H;l 为导线长度，m;r 为导线半径，m;0为真空磁导率。经计算，导线截面积为 240 mm2，长度为 l m，电感为 936 nH。由于电感绕制时，在多个磁芯中采用96防护工程2023 年单匝穿心而过的方式，几乎没有分布电容。建立仿真模型，计算结果如图 6 所示。图 6100 MHz18 GHz 电路模型及计算结果由仿真结果可知，依靠馈通滤波器和空心线圈电感，在 100 MHz300 MHz 能够达到 80 dB 插入损耗指标要求，在 300 MHz18 GHz 能够达到 100 dB插入损耗指标要求。实际上在 100 MHz 以后的频段共模电容仍然起到部分滤波效果，共模电感磁芯磁导率仍然存在部分，因此设计留下的裕量足够。综上所述，整个滤波器的性能指标满足设计要求，且留有足够的裕量。4工程实现为满足防潮、防腐等环境要求，滤波器壳体材料选用不锈钢。上盖板可打开，与壳体其他部分通过螺钉连接，外露缝隙采用密封胶进行密封，构成一个完整密闭的六面体。在满足功能指标的前提下使滤波器体积尽可能小。滤波器电感绕制的导线分布在磁芯两侧，上下采用环氧布板夹紧固定，前后用环氧布挡板进行固定，保证电感器的可靠固定。电容器底部固定在侧面的结构件上。为减小滤波器的质量，同时使电感具有良好的散热条件，不对滤波器整体进行灌封，采用结构件对电容器及电感器进行固定，如图 7 所示。图 7滤波器工程实现5性能测试5.1测试方法5.1.1额定工作电压测试方法(1)滤波器输入端的 L、N 与加载电源的输出端相连，滤波器输出端的 L、N 开路，并与数字电压表相连;(2)接通加载电源，对滤波器 L、N 施加额定电压 l kV/50 Hz，加电 10 min;(3)试验过程中，用数字电压表分别监测输入和输出电压，输入、输出电压应保持一致，通电正常;(4)试验后，测试滤波器的电气连续性。5.1.2额定工作电流测试方法(1)将滤波器输入端的 L、N 与加载电源的输出端相连，滤波器输出端的 L、N 短接;(2)接通加载电源，先加载 400 A/50 Hz 交流电流，若滤波器无异常情况，再对滤波器施加 500 A/50 Hz 交流电流，加载时间最长为 8 h;(3)试验过程中检测输入电压，即为压降，应满足压降要求。试验过程监测、记录滤波器表面及输入、输出端子随时间变化的温度;(4)试验后，测试滤波器的电气连续性。5.1.3插入损耗测试方法411 插入损耗测试频点:1 kHz、5 kHz、10 kHz、50kHz、100 kHz、500 kHz、5 MHz、300 MHz、2 GHz、18GHz。测试方法为:(1)直通校准测试。信号源置于屏蔽室外，频谱仪置于屏蔽室内;用 2 根同轴电缆，一端分别连接信号源和频谱仪，同轴电缆另一端均接入屏蔽室直通校准转接口;从信号源发射不同频率信号，频谱仪按相应的频点接收信号，并记录;将频谱仪接收的电压分贝值(dBm)记为 P1。(2)插入损耗测试。按滤波器外形尺寸和屏蔽室测试口实际情况，制作专用的滤波器测试安装工装，将滤波器安装在屏蔽室测试口。确保滤波器输07第 45 卷 第 1 期杨杰，等:一种大功率宽频带电源滤波器研制入/输出电磁隔离，壳体与大地低阻抗连接;使用同轴电缆将信号源连接至测试线夹，测试线夹芯线与滤波器输入端的 2 个端接口连接，地线与屏蔽室地线(屏蔽室地线与屏蔽室墙体为一体)连接;另一根同轴电缆将频谱仪与测试线夹连接，测试线夹芯线与滤波器输出端的 2 个端接口连接，地线与屏蔽室地线(屏蔽室地线与屏蔽室墙体为一体)连接;从信号源发射不同频率信号，频谱仪按相应的频点接收信号并记录，记为 P2。(3)插入损耗计算。插入损耗 IL 计算公式为:IL=P1P2。测试原理如图 8 所示。图 8滤波器插入损耗测试原理5.2测试结果(1)额定电压 l kV，额定工作频率 50 Hz，额定电流:500 A;(2)抑制频率范围:1 kHz18 GHz;(3)插入损耗:IL 为 40 dB100 dB(l kHz100kHz);IL 为 90120 dB(100 kHz300 MHz);IL100dB(300 MHz18 GHz)。具体测试值如表 2 所示。表 2典型频点插入损耗测试结果典型频点/Hz插入损耗/dB1103445103114110412951041261105124510514151069431089721091161.810101346结论针对现有电源滤波器只能满足高空爆核电磁脉冲和高功率微波防护需求，且额定功率较低，无法满足地面爆核电磁脉冲和区域供电的防护需求，研制了一种大功率宽频带电源滤波器，对其性能进行了测试考核。测试结果表明，该滤波器满足设计指标要求，能够覆盖核爆炸和典型频段高功率微波频率范围，同时其额定电压、额定电流、插入损耗等指标满足了大型屏蔽设施针对全波段强电磁脉冲的强电传导防护需求，为重要军事设施和国家关键设施电磁防护提供了关键防护设备，提高了设施供电系统的稳定可靠工作能力。参考文献 1Szymon P，Boguslaw G，Fabian B Attenuation of nano-crystalline and ferrite common mode choke for EMI filters J Electronics，2010，14(1):8886 2 郭春蝶 国内外滤波器的发展现状 D 郑州:郑州电子信息职业技术学院，2011 3 周璧华，石立华，王建宝，等 电磁脉冲及其工程防护(第 2 版)M 北京:国防工业出版社，2019 4 刘锋，何为，李跃波，等宽带电磁干扰电源滤波器及其性能测试 J 防护工程，2013，35(6):4246 5 周立夫，林明耀EMI 电源滤波器的设计和仿真分析 J 低压电器，2004(4):79 6 贾科林，王京梅，毕闯，等EMI 滤波器的设计及仿真 J 安全与电磁兼容，2007(3):6871 7 刘锋，吴文谊，王雪娟，等 电源滤波器在模拟实际工作状态下的性能测试方法J 防护工程，2021，43(3):6973 8 秦川，宋政湘 新型电源滤波器的设计与开发 J 高压电器，2020，56(8):610 9 聂剑红，刘骥，魏利军EMI 无源滤波器高频特性及其改善方法的研究J 电力电子技术，2007，41(12):3638 10 尚建荣 EMI 滤波器测试J 信息技术，2014，43(10):3941 11 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会无源 EMC 滤波器件抑制特性的测量方法:GB/T 73472017S 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