1 引言
随着电力电子技术的发展，现代飞机特别是多电飞机（MEA）和全电飞机（AEA）的电源系统大量采用电力电子变换设备，提高了飞机的总体性能，但是由于负载的形式多样而产生的电磁干扰（EMI）严重影响飞机的正常工作。这些干扰信号将影响模拟电路传输信号的信噪比，甚至会把有用信号淹没掉；当影响到逻辑电路时会导致错误的逻辑结果[1]。
EMI 主要有辐射干扰和传导干扰两种。电源线的传导干扰由差模干扰和共模干扰两部分组成。差模干扰存在于电源线与中线之间，是载流体之间的电位差；共模干扰存在于电源线与大地或中线与大地之间，对于三相电路而言，共模干扰存在于相与大地之间[2]，如图 1 所示。一般来说，差模电流把能量从电源传输到负载，而共模电流一般是由于开关管或底盘的寄生电容上的电压阶跃变化产生的[4]。滤波技术是抑制电气、电子设备传导 EMI，提高电气、电子设备传导抗扰度水平的主要手段，也是保证设备整体或局部效能的重要措施。图1中阴影部分为由集总参数元件构成的单相电源线滤波器：L1 和 L2 是绕在同一磁环上的独立线圈，它们所绕圈数相同，绕向相反。L1 和一只 Cy、L2 和另一只 Cy 分别构成 L-E 和 N-E 两对独立的低通滤波器，用来抑制电源线上的共模干扰信号。由于磁环材料的不均匀和两线圈的在绕制过程中出现不完全对称，使得 L1 和 L2 的电感量不相等，因此共模电感的差值又和 Cx 组成独立端口间的一只低通滤波器，用来抑制电源线上的差模干扰信号[3]，使得电源线的传导干扰控制在 GJBl51A-9-CE03 规定的范围内[7]。
滤波器是利用阻抗失配原理来抑制干扰信号的，即：应使滤波器在通带内呈低的串联阻抗和高的并联阻抗，而在阻带范围其并联阻抗小串联阻抗应很大。阻抗失配越大，EMI 信号的反射也越大，就能有效的抑制 EMI 信号。因此对不同的电路使用不同的网络结构和参数的滤波器。但是当阻带覆盖几个甚至十几个频程时，要保证大范围的内阻抗失配是有一定困难的；况且当频带扩展到几个频程时，滤波器会出现虚假谐振；此外，在某些场合，电源阻抗往往是未知的且随着频率的变化而变化。所有这些，都会影响滤波效果。但是对于开关电源，其恒功率负阻抗特性与输入滤波器在一定的条件下构成一个负阻抗振荡器[5]，是电源系统潜在的不稳定因素。因此滤波器的设计是一项系统级的概念，滤波器设计的好坏将直接影响到系统的动态和稳态性能以及效率等指标。所以，关于 EMI 控制的观念应该在项目一开始就纳入系统、分系统及部件的设计之中。因为越到后期，抑制 EMI 的手段越少，成本越高，代价会更大，屏蔽将增加系统的重量，滤波则会降低其可靠性。
2 变压整流器(TRU)滤波器的设计
变压整流器(TRU)是飞机用二次电源，它将115V/200V、400Hz的交流电变换成 28.5V 的直流电压。它是飞机供电系统中的一个重要组成部分。如图 2 所示，输入的三相交流电经变压器降压后再通过二极管整流桥整流。CT、C1、C2 分别为变压器、整流输入侧与壳体、直流侧与壳体的寄生电容，rg 为壳体与地的接触电阻，o 为直流侧的中点。
桥式整流产生丰富的谐波电流，其中以 5 次和 7 次谐波为主的音频噪声（如图 3 所示），还存在其它的高频传导干扰信号。因为变压器本身存在漏感，使得电网输入电压畸变（如图 4 所示）。从图 5 的网侧频谱仿真分析看出 700kHz 以上的高频干扰超出了 GJB151A-1997-CE03 规定的范围（图 5 中虚线所示），这些高频干扰信号恶化了电源系统的电磁环境，严重影响系统的电磁兼容性（EMC），必须采取措施加以抑制，否则对干扰敏感的其它用电设备将产生误动作。
为提高电网的供电质量和可靠性，必须采取有效的技术措施来抑制谐波，改善输入电压波形，提高网侧功率因数。文献[6]采取了基波磁通补偿的三相有源电力滤波器把谐波电流和供电网隔离，迫使谐波电流流入有源滤波支路。但此种方法电路结构相对复杂，可靠性低，不适用于 航空领域。整流产生的传导干扰，是由于换相时整流管的开通关断产生的。整流二极管在开关动作瞬间，产生的脉冲电压作用在电路与地之间的寄生电容上产生的干扰为共模干扰；而在二极管 p-n 结电容和不同电源线之间的寄生电容上产生的干扰为差模干扰[9]。图 7 所示三相四线制共模扼流圈等效电路，图 8 和图 9 为相应的差模和共模等效电路（N 为中线）[8]。忽略变压器高频寄生电容 CT，r'=n2Rl1+Rl2、L'=n2Ll1+Ll2 为变压器折合到副边的等效内阻和漏抗，Lf 为滤波电感，Cy 为包含了寄生电容 C1 的等效接地电容，rx 为电源线与中线间的电阻，Vrec 为等效的谐波干扰源。因此进入变压器的差模和共模电流分别为：

               (1)

    (2)

从式 (1) 和式 (2) 可看出，Cx、Cy 越大，其高频阻抗就越小，进入变压器的干扰电流也就越小，但是接地电容 Cy 应符合 GJBl51A-97 规定的安全值[7]；直流侧滤波电容 Cd 和直流侧电源线与壳体寄生电容 C2 具有抑制干扰的作用，Cd、C2 越大，系统差模和共模干扰电流越小；滤波电感具有高频高阻抗特性，能抑制谐波电流进入变压器：Lf 越大，进入变压器的谐波电流越少，但是 Lf 太大会造成较大的基波压降和更大的体积重量。
文献[10]指出：L·C 越大，滤波器的截止频率越小，它对干扰具有更好的衰减特性。但是 L·C 过大，会影响滤波器的响应速度从而影响系统的动态性能，而且大功率 TRU 的滤波器受到体积重量要求和相关标准的限制，因此在设计滤波器时应：①综合考虑系统的总体性能，切实统筹好系统效率与滤波电容的矛盾，适当抬高谐振频率，使求滤波器具有快的响应速度；②设计合理的 rx 值，使滤波器具有更好的低频衰减性能，达到衰减低次谐波电流的目的；充分利用变压器的漏感，减小滤波器的体积重量，综合直流侧的电容滤波器，效果更佳。综上所述，经过滤波之后，网侧电压明显得到改善（如图 10 所示），由于滤波器对低次谐波只能衰减不能完全地滤除，所以网侧电压还存在少许的毛刺。
3 结语
电力电子变换设备产生的 EMI 降低了电源系统的稳定性和可靠性。本文基于电源线传导干扰基本原理，研究了TRU 的电磁干扰特性，并详细分析了其差模和共模干扰等效电路，得出系统参数对电磁干扰的抑制作用。最后从系统级角度强调滤波器设计应与系统总体性能相协调。

参考文献
[1] 范惠敏．电磁干扰滤波技术在舰船总体设计中的应用.舰船电子工程，2003．2．
[2] 马伟明．电力电子系统中的电磁兼容．武汉：武汉水利电力大  学出版社2000．1.
[3] 王天顺．滤波器的设计与安装．飞机设计，2002．9．
[4] J．Hu，J．von Bloh，R．W．De Doncker．Typical Impulses in Power Electronics and their EMI Characteristics．2004 35th Annual IEEE Power Electronics Special Conference．
[5] T．Suntio，A．M．Altowati．Design of EMI Filter for Stability and Performance in Switched-Mode Converters．2004 35th Annual IEEE Power Electronics Specialists Conference．
[6] 李达义，陈乔夫，薛建科，章赛军，贾正春．基于基波磁通补偿的三相有源电力滤波器．电力系统自动化，Vol．27 No．11，2003．10．
[7] 国防科学技术工业委员会．GJB 151A-1997，军用设备和分系
    统得电磁发射和敏感度要求．
[8] Richard Zhang，Xin wu，Timothy Wang．Analysis of common  mode EMI for three-phase voltage source converters．Power Electronics Specialist Conference， 2003. PESC 03， 2003 IEEE 34th Annual. Volume:4.15-19 June 2003. PP1510~1515 Vol.4