用电源变压器衰减谐波
2010-09-29 14:57:13
来源：《磁性元件与电源》2010年10月刊
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1 引言
从发电厂输送电能到我们的家庭和工矿企业，全世界的输电干线已筑成了一个巨大的铜的长堤。如今，当输送电能的网络扩展覆盖到地球上的全部大陆时，我们发现，对输电干线方面存在的问题，在几年前并未理解，没有预见到在输电干线上存在高于基础电源带宽千倍的谐波频率。
新的污染形式像围墙一样包围着我们，与我们使用的设备以及我们的生活作息相冲突。没有受到控制的谐波将会缩短设备的使用寿命和加速其损坏；谐波也可以让许多设备产生过度的热量，也会引起设备震动和不测事件，同时会增加电能消耗和降低系统效率。更多隐藏的危险是，这些谐波可以通过电能输送网络传播并传染给其邻近的每一个人或设备。
抑制与消除电能传输干线上的谐波通常采用的办法是使用LCR滤波网络。但是，改进的解决方案则着眼于从输电线路产生电源失真的原因和提出一种简单的基于变压器的解决方法来改进电源失真这两者之中选择其一种。这些方法不能采用分立的电感器、电容器和电阻器来组成滤波网络，但是可以用基于变压器内部固有的漏电感、内部电容和内部电阻构成的滤波特性来替代。
2 谐波源
谐波电压和电流的频率是基础电源频率的整数倍，由此使电源传输线上包含了纯净的不失真的50Hz或60Hz的正弦波电压以及其它波形的电压，从而该正弦波被畸变，50Hz或60Hz的基波频率的谐波被发现。在较高频率时，来自整流电路、驱动马达和其它信号源的谐波使开关发生瞬变现象。另外，在频率超过50Hz时，源自收音机、电视机和计算机的强劲的高频(HF)信号在电源传输线上迭合，并表现为跨接于变压器的初级绕组上。
这些被称之为电磁噪声或失真的额外信号出现在电源传输线的两路上。在频率超过1MHz时，噪声的绝大部分是共模噪声，两路传输线和中线包括的电磁噪声等于其幅度和相位失真的总和。在频率低于1MHz，噪声的主要部分是典型的差模噪声。差模噪声在传输线和中线侧的幅值相等而相位相反。差模噪声在传输线和中线两者之间产生真实的噪声电压差。
如果所有这些谐波和电磁噪声对传输线路是有害的和危险的，那么，为什么没有在电能输送出发电厂期间进行某些全面的电源质量控制呢？因为问题的真相是，电源输送出发电厂和馈送到使用设备的电源网络时，其性能是清洁的、绿色的和正弦波形的。更难得的是，我们发现了电源品质的下降与下游用电设备产生的谐波和电磁噪声源发生器有关，所以，我们必须在另外的地方寻找危险源，而不是在发电厂内查找。
发电厂下游用电设备产生的谐波可以找出它们返回到公共传输线路上的途径，以及影响所有在系统中的电源用户。归根结蒂，谐波对公共传输线路的工作和配电用电源变压器之后的所有输电线路都有不利的影响。在公共传输线路上使用的所有负载变压器次级要共担谐波的影响，因此，谐波危害是个共性的问题。
大多数谐波的源头是由非线性负载引起的谐振电流产生的。非线性负载是诸如计算机，打印机、照明设施和电动机控制器以及当今大量使用的固态器件等产品的固有特性。随着功率半导体和采用开关电源时代的到来，在最近的十多年中，谐波危害的问题变得十分严重。在30年前，这些危害在大部分产品中还没有出现。所以，谐波产生的麻烦是最近几年中才发生的，并由此直接引发了谐波抑制方面的技术革新。
非线性负载上部分地引入如同不连续照明灯泡的电压波形时即可绘制出电流波形。按照产品要求，电流波形被绘制成凸起的或平面的陡直脉冲。结果是发生了电流波形的畸变，畸变的谐波含量可以流回电源和污染电源的其它部分（见图2所示）。
谐波及由其引起的谐波失真是不断地反复出现在产品内的。有些时候在传输线上发生的瞬变现象是由混杂谐波引起的，故它们不会出现相同的情况。典型的瞬变过程与正常的工作条件没有关系，而是根据不可重复的时间与频率特性随机地发生的。
3 电子设备需要干净的电源
虽然在不同设备背景中造成谐波问题的根本原因是相同的，问题的量级也可以计量并且存在许多等级。因为民用建筑和工商业建筑物的设计都面临着超过25%非线性负载的问题，故有关工业、商业的谐波危害等级的标定是不能没有共同依据的。
大多数设备具有可以处理10%~15%非线性负载的能力。然而，在总谐波失真(THD)的电平上升到超过这个范围时，即使预测出有征兆的情况，但表面上不可解释的问题将开始出现。在没有明确理由和不允许在日常工作中发生性能瞬间变坏的情况下，如果本机配电变压器出现过热，则将会缩短设备的使用寿命和产生早期失效。
造成商业和工业设备损害的谐波总是三次、五次、七次、十一次和一些其它奇数倍类型的谐波。在受到谐波影响的场所内，诸如由电子设备被关闭时引起的电压失真、麻烦的保险丝熔断，由于欠电压造成的过电流，电动机失效以及其它各种破坏性的、神密的设备反常等等导致的其它谐波影响则是可以承受的。由此人们可以看到，对工业、商业和居民住宅建筑物的谐波影响标定变得更加严格，隐藏的谐波触媒会引起设备失效。因设备故障而停止运作的时间损失和低效的电源利用率则将使用户付出更大的代价。
在较小的桌面规模上，缺乏控制的丰富谐波显现出来的环境问题将以其它方式处理，并且，将集中在桌面的和家庭规模的层面进行探讨。电子设备能够敏锐地感觉到通过电源传输线进入的电磁噪声。这些不受欢迎的电磁噪声以许多方式影响产品性能，包括产品质量的降级和不能正常工作。因谐波使计算机和电子设备发生故障的次数要多于那些麻烦的电源系统。在处理超过100kHz左右频率时，我们讨论它们的根据与其说是频率，不如说是谐波的数量，所以，该术语将涉及5MHz频率部分而不是第N次谐波。
在高速率时，处理的速度要增加。如今的电子设备的时钟频率和超高速度运行，对于几十年前的工程师们而言，犹如是科幻小说中的描述一样。但是，因为高的时钟速率与现代微处理机相结合，以及高的开关频率与开关电源相结合，使得PCs和其它电子设备产生并反冲回传大规模数量的失真信号到电源传输线成为罪恶。
相反地，这些产生失真的设备则同样要求由干净的电源供电进行运作。按照产品说明书，现代电子设备依赖低失真电压供电才能正常工作，并且存在高灵敏度的周期性波动和瞬变现象。另外，起伏大的电流可能造成电压波形被削去顶部，电磁噪声可以将高频电路中的电流导引到敏感的电缆或其它元件，从而造成微处理机和其它敏感元件遭受重大破坏。
4 抑制电磁噪声的共性解决方案
有效的电磁噪声抑制滤波器应能通过50Hz或60Hz的基波和被分解的更高的谐波频率。然而，传输线源阻抗和实际的负载阻抗组合成的阻抗则是很低的（在50Hz或60Hz时，其范围为1Ω~100Ω之间）。所以，为了使抑制电磁噪声的效果达到最佳，滤波器的阻抗应该同样地低。但事实上，即使采用价格昂贵的电容器和电感器，这种要求一般也是不现实的。
更多实用的方法是在高于1kHz频率时开始滤除电磁噪声，人们发现，大部分让人讨厌的电磁噪声是在这个频率范围，而这些干扰就是造成电子设备故障的原因。具有二阶到更高阶斜率的滤波器应该是低通型滤波器。变压器侧的内部电容和内部电感是建立所要求滤波器的工具。通用的解决电磁噪声的滤波器被流行地安置在传输线上。来自不同公司的各式各样配置的这类滤波器是可以通用的（见图3）。
有时候，传输线滤波器是与其它初级电路模块包装在同一个盒子里的，这些电路模块包括输入选择器开关（刻度盘指于100Vac、120Vac、220Vac或240Vac的位置），或用于电源线的ICE连接器，还有保险丝外壳组件等。这些器件能提供良好的滤除或衰减电磁噪声的功能，这已经成功地为多种产品所验证。前面所述传输线滤波器的技术要求，通常是根据诸如辐射发射要服从CE法规或其它法规的标准，或者是电磁噪声通过初级电路进入到产品中时，对其工作是否有妨碍等理由提出的。
外接的传输线滤波器是与初级电路串联组装在一起的，如图3所示，这样，它们必须载荷全部初级电流（经过电感器L流过的负载电流）。因为受所采用的串联电感器处理电流的能力影响，一些器件的功率或者性能将受到限制，为此，必须增加器件的尺寸，重量和热耗散能力，以适应采用大功率器件的要求，另外，来自传输线的高通支路电容器和中线的接地，增加了系统到地的漏电流。在要求漏电流是低电平的情况下，例如需要工作时十分严谨并可靠的医疗器械中，漏电流问题就变成了重要的考虑因素。
另外一种解决谐波问题的共性方法是使用K型变压器。本质上讲，K型变压器是严格地按I 2R的耗能公式来计算设计的一种超温升变压器。IEEE提供了计算其THD的公式并随后推导出K的量值。在此，由于谐波及相应的设计规范要求，变压器的设计人员需要懂得自然散热的简单知识。使用多股导线绕组可以加速散发来自趋肤效应产生的热量。
高频信号的衰减不需要装备，这被认为是提高了产品性能，例如市场上销售的音频系统，共模噪声衰减系统被补偿了功率。这种补偿功率不是采用外部元件以形成滤波器来补偿功率，而是巧妙地使用正确的设计，制成了具有补偿特性的绕组变压器。有效地消除电磁噪声的方法是通过正确地补偿波形相位完成的。用具有中心抽头的对称的次级绕组对电源变压器的内部电阻、电容和漏电感进行平分，所以，它们被相互抵消了。中心抽头被捆扎在系统的接地线上，它们被用作放电支路。
一种涉及内部平衡的电源布置是在60V（120V绕组的中心抽头）处使升压系统部分接地，但它们必须以所有标准的0V接地点的电气隔离为条件。依照用电的规范，可以要求接地故障检测器用作在不测事件中防止地线相抵触的工具。
5 用作滤波器 的变压器
电源传输线滤波器包括电感(L)、电容(C)和电阻(R)三个基本要素。而电源变压器中则含有形成滤波器的三个要素——漏电感、内部电容和内部电阻，所以，我们试图确定采用电源变压器内部固有的L、C、R，而不是采用外部分立元件来构建滤波器。经过几年的研究设计，Plitron公司开发出了被称为NBT(Narrow Bandwidth technology)的系统。
初级绕组和次级绕组两者之间的漏电感已经在所有变压器中作为第一级低通滤波器工作。它们的角频率是较高的——EI型磁心变压器为20kHz，环型磁心变压器为200kHz（由于环型磁心变压器的固有漏电感低）。
以前，漏电感和绕组内部的分布电容被看成是线频率变压器设计的副产品，是绕组（匝）间距和绝缘介质材料的函数。NBT利用这些特性抑制（衰减）掉所有不想要的频率。Plitron公司利用开发出的工具准确地计算出了变压器的技术条件和结构，满足了规定的角频率。NBT减小了隔离变压器或电源变压器内部的线性失真。
NBT变压器非常窄的通频带限制了电磁能量。这项技术可让传输线上的变压器抑制掉由于谐波和尖峰信号产生的失真。无论是用作衰减高频和极高频信号，还是衰减传输线或不对称负载产生的失真，它都是有效的。NBT可以适配大多数变压器基电源的应用。
NBT变压器根据选用的角频率实现低通滤波。该系统建立在两个原理的基础上——内部串联电感量的增加和相位补偿原理。
我们可以利用这两种原理中的任何一种，以联合的方式（图4所示）或单独地（见图5所示）工作。漏电感的量值是通过以下方程式计算的：
Nφleak=Lleaki
式中，N为绕组匝数，φleak是漏磁通量，i是电流。因为漏电感是漏磁通量的函数，Lleak可以用设计方法进行控制。滤波的效力可以通过控制漏电感量值获得。对10MHz的频率可以良好地衰减，这是典型例子。
为扩展衰减带宽至千兆赫芝范围，相位补偿可以在电容器Cfp的相反位置上连接一个用双股导线绕制的控制绕组获得，如图4所示。Cfp的最佳值是通过P尖峰信号建模计算的，其计算式为：
Cfp=K(KleakP2)/(VP2Vs2)
式中的K是常数，P是功率，而VP和VS则分别是初级绕组和次级绕组的电压。
在低频时，电容器相当于断开的开关，可使电源频率（50Hz或60Hz）自由地通过变压器。在高频时，电容器表现为接通的开关。所以，两个绕组中的磁通量相互抵消，而高频信号的完全删除部分则被发现。用微调串联电感值和电容值的方法，即可控制通过变压器的带宽。
借助增加的串联电感、相位补偿原理和减少在初级到次级的电容量的帮助，NBT解决了差模噪声和共模噪声的问题。典型的情况是，高频滤波器适用于为电子设备供电的电源变压器的线电压进入设备之前消除噪声。这样，随着电源变压器变成了有效的噪声抑制滤波器，对于用外部元件来消除高频噪声就没有过多的需求了。
省去了初级侧的滤波元件，不仅减少了元件的数量和设备成本，而且提高了设备的安全系数和认证认可度。另外，省去了传输线到地之间的元件将会减小漏电感。
6 NBT怎样工作
用NBT的两项技术——增加内部串联电感值和相位补偿——可以满足不同的衰减要求。简单地增加漏电感值具有引入串联电感器和消除任何电流处理限制的作用。增加漏电感Lleak的值对NBT设计的性能具有关键的决定性影响。漏电感(L)与来自变压器次级对初级的电容量(C)和初级的直流电阻值(R)的结合，将承担第二级低通滤波器的作用。滤波器的角频率是由L、C和R三元素与负载阻抗Z相结合来决定的。
为增加可利用的频率范围，电容器上可附加一个跨接的专用控制变压器绕组。如图4所描述，次级绕组随附加的绕组（控制绕组）而延伸，该绕组具有现存次级绕组相等的匝数，但它应经过电容器(Cfp)连接到相反的相位。
在低频时，控制电容器的阻抗是高的，此电容器担负着断开的开关作用，仅是一个次级绕组的功能，而50Hz或60Hz的频率则可自由地通过变压器。在高频时（超过1MHz），控制电容器开始承担接通的开关功能。此刻，两个次级绕组在变压器磁心中产生磁通，并存在180°的相位差，因此，两个绕组的磁通量相互抵消，而完全的高频信号补偿被发现。为此，不再有电磁能量通过磁心向次级转移。
这种方法的优点是，在高频时，电感器L的阻抗是大的。来自传输线的电磁噪声将不会在变压器的输入端反映出来，而在电感器上被吸收掉。在高频时，NBT变压器将没有负载连接到电源线上。
在控制绕组被利用来传递能量到附加的次级负载时，使得铜的利用更为有效。在负载是相等的时候，通过连接点(2)的全部有效电流变为零（相位补偿）。在连接点(2)接地时，如果没有高频噪声，绿色的接地标准被建立。
为了验证NBT变压器的性能，需要进行频率响应试验，其结果示于图6。变压器的初级是由振荡器和初级电压馈给的，而带负载的次级电压是在50Hz到1GHz的频率范围时测量的。用次级电压对初电压的比率（单位、分贝）为每种变压器绘制了频率关系曲线，以下是四种不同的环形变压器的构成对照。
(a)标准的环形变压器；
(b)平衡电源变压器（双股线中心抽头次级连接接地）；
(c)具有外接滤波器的标准环形变压器；
(d)併入NBT的环形变压器。
标准的环形变压器(a)具有大约50kHz的高角频率和低的衰减比率。平衡电源变压器(b)因为具有合理低的角频率（约3kHz）而具有良好的性能，在100kHz左右时大约衰减-15dB，在1GHz时接近衰减-30dB。因具有外接商用滤波器的标准环形变压器(C)在50kHz到40MKz的频率范围内与平衡电源变压器比较，表演出了更好的性能，但是只有狭窄的大约为60kHz的角频率。在角频率和衰减特性两方面，NBT(d)的运行性能优于其它设计。它具有大约1kHz的低角频率，这样就可以设计调整任何合理的值，它在大约1MHz时具有超过60dB的衰减，在1GHz时具有35dB的衰减。
7 NBT的应用
在电源变压器中，NBT的应用是多种多样的。一个好的例子是音频领域的应用，在该领域，不让差模高频噪声进入敏感的音频设备中是十分重要的。被发现的第二类应用是必须强制滤除差模噪声的那些电子设备中使用的一般电源变压器，那么，NBT变压器的选用是基于NBT变压器与具有外接差模滤波器的标准电源变压器比较中平衡成本。
随着超长距离的不间断数据传送在IT中的应用，绿色电源线的优点是很明显的。在医疗领域应用中（需要特别安全、经久耐用的连接器件），NBT变压器为静电防护提供了具有低漏电流的绿色电源。在大功率设备应用中，NBT可以从800Hz开始，滤除存在截止频率的更高次谐波。
（编译自Power Electronics Technology/october 2004）
从发电厂输送电能到我们的家庭和工矿企业，全世界的输电干线已筑成了一个巨大的铜的长堤。如今，当输送电能的网络扩展覆盖到地球上的全部大陆时，我们发现，对输电干线方面存在的问题，在几年前并未理解，没有预见到在输电干线上存在高于基础电源带宽千倍的谐波频率。
新的污染形式像围墙一样包围着我们，与我们使用的设备以及我们的生活作息相冲突。没有受到控制的谐波将会缩短设备的使用寿命和加速其损坏；谐波也可以让许多设备产生过度的热量，也会引起设备震动和不测事件，同时会增加电能消耗和降低系统效率。更多隐藏的危险是，这些谐波可以通过电能输送网络传播并传染给其邻近的每一个人或设备。
抑制与消除电能传输干线上的谐波通常采用的办法是使用LCR滤波网络。但是，改进的解决方案则着眼于从输电线路产生电源失真的原因和提出一种简单的基于变压器的解决方法来改进电源失真这两者之中选择其一种。这些方法不能采用分立的电感器、电容器和电阻器来组成滤波网络，但是可以用基于变压器内部固有的漏电感、内部电容和内部电阻构成的滤波特性来替代。
2 谐波源
谐波电压和电流的频率是基础电源频率的整数倍，由此使电源传输线上包含了纯净的不失真的50Hz或60Hz的正弦波电压以及其它波形的电压，从而该正弦波被畸变，50Hz或60Hz的基波频率的谐波被发现。在较高频率时，来自整流电路、驱动马达和其它信号源的谐波使开关发生瞬变现象。另外，在频率超过50Hz时，源自收音机、电视机和计算机的强劲的高频(HF)信号在电源传输线上迭合，并表现为跨接于变压器的初级绕组上。
这些被称之为电磁噪声或失真的额外信号出现在电源传输线的两路上。在频率超过1MHz时，噪声的绝大部分是共模噪声，两路传输线和中线包括的电磁噪声等于其幅度和相位失真的总和。在频率低于1MHz，噪声的主要部分是典型的差模噪声。差模噪声在传输线和中线侧的幅值相等而相位相反。差模噪声在传输线和中线两者之间产生真实的噪声电压差。
如果所有这些谐波和电磁噪声对传输线路是有害的和危险的，那么，为什么没有在电能输送出发电厂期间进行某些全面的电源质量控制呢？因为问题的真相是，电源输送出发电厂和馈送到使用设备的电源网络时，其性能是清洁的、绿色的和正弦波形的。更难得的是，我们发现了电源品质的下降与下游用电设备产生的谐波和电磁噪声源发生器有关，所以，我们必须在另外的地方寻找危险源，而不是在发电厂内查找。
发电厂下游用电设备产生的谐波可以找出它们返回到公共传输线路上的途径，以及影响所有在系统中的电源用户。归根结蒂，谐波对公共传输线路的工作和配电用电源变压器之后的所有输电线路都有不利的影响。在公共传输线路上使用的所有负载变压器次级要共担谐波的影响，因此，谐波危害是个共性的问题。
大多数谐波的源头是由非线性负载引起的谐振电流产生的。非线性负载是诸如计算机，打印机、照明设施和电动机控制器以及当今大量使用的固态器件等产品的固有特性。随着功率半导体和采用开关电源时代的到来，在最近的十多年中，谐波危害的问题变得十分严重。在30年前，这些危害在大部分产品中还没有出现。所以，谐波产生的麻烦是最近几年中才发生的，并由此直接引发了谐波抑制方面的技术革新。
非线性负载上部分地引入如同不连续照明灯泡的电压波形时即可绘制出电流波形。按照产品要求，电流波形被绘制成凸起的或平面的陡直脉冲。结果是发生了电流波形的畸变，畸变的谐波含量可以流回电源和污染电源的其它部分（见图2所示）。
谐波及由其引起的谐波失真是不断地反复出现在产品内的。有些时候在传输线上发生的瞬变现象是由混杂谐波引起的，故它们不会出现相同的情况。典型的瞬变过程与正常的工作条件没有关系，而是根据不可重复的时间与频率特性随机地发生的。
3 电子设备需要干净的电源
虽然在不同设备背景中造成谐波问题的根本原因是相同的，问题的量级也可以计量并且存在许多等级。因为民用建筑和工商业建筑物的设计都面临着超过25%非线性负载的问题，故有关工业、商业的谐波危害等级的标定是不能没有共同依据的。
大多数设备具有可以处理10%~15%非线性负载的能力。然而，在总谐波失真(THD)的电平上升到超过这个范围时，即使预测出有征兆的情况，但表面上不可解释的问题将开始出现。在没有明确理由和不允许在日常工作中发生性能瞬间变坏的情况下，如果本机配电变压器出现过热，则将会缩短设备的使用寿命和产生早期失效。
造成商业和工业设备损害的谐波总是三次、五次、七次、十一次和一些其它奇数倍类型的谐波。在受到谐波影响的场所内，诸如由电子设备被关闭时引起的电压失真、麻烦的保险丝熔断，由于欠电压造成的过电流，电动机失效以及其它各种破坏性的、神密的设备反常等等导致的其它谐波影响则是可以承受的。由此人们可以看到，对工业、商业和居民住宅建筑物的谐波影响标定变得更加严格，隐藏的谐波触媒会引起设备失效。因设备故障而停止运作的时间损失和低效的电源利用率则将使用户付出更大的代价。
在较小的桌面规模上，缺乏控制的丰富谐波显现出来的环境问题将以其它方式处理，并且，将集中在桌面的和家庭规模的层面进行探讨。电子设备能够敏锐地感觉到通过电源传输线进入的电磁噪声。这些不受欢迎的电磁噪声以许多方式影响产品性能，包括产品质量的降级和不能正常工作。因谐波使计算机和电子设备发生故障的次数要多于那些麻烦的电源系统。在处理超过100kHz左右频率时，我们讨论它们的根据与其说是频率，不如说是谐波的数量，所以，该术语将涉及5MHz频率部分而不是第N次谐波。
在高速率时，处理的速度要增加。如今的电子设备的时钟频率和超高速度运行，对于几十年前的工程师们而言，犹如是科幻小说中的描述一样。但是，因为高的时钟速率与现代微处理机相结合，以及高的开关频率与开关电源相结合，使得PCs和其它电子设备产生并反冲回传大规模数量的失真信号到电源传输线成为罪恶。
相反地，这些产生失真的设备则同样要求由干净的电源供电进行运作。按照产品说明书，现代电子设备依赖低失真电压供电才能正常工作，并且存在高灵敏度的周期性波动和瞬变现象。另外，起伏大的电流可能造成电压波形被削去顶部，电磁噪声可以将高频电路中的电流导引到敏感的电缆或其它元件，从而造成微处理机和其它敏感元件遭受重大破坏。
4 抑制电磁噪声的共性解决方案
有效的电磁噪声抑制滤波器应能通过50Hz或60Hz的基波和被分解的更高的谐波频率。然而，传输线源阻抗和实际的负载阻抗组合成的阻抗则是很低的（在50Hz或60Hz时，其范围为1Ω~100Ω之间）。所以，为了使抑制电磁噪声的效果达到最佳，滤波器的阻抗应该同样地低。但事实上，即使采用价格昂贵的电容器和电感器，这种要求一般也是不现实的。
更多实用的方法是在高于1kHz频率时开始滤除电磁噪声，人们发现，大部分让人讨厌的电磁噪声是在这个频率范围，而这些干扰就是造成电子设备故障的原因。具有二阶到更高阶斜率的滤波器应该是低通型滤波器。变压器侧的内部电容和内部电感是建立所要求滤波器的工具。通用的解决电磁噪声的滤波器被流行地安置在传输线上。来自不同公司的各式各样配置的这类滤波器是可以通用的（见图3）。
有时候，传输线滤波器是与其它初级电路模块包装在同一个盒子里的，这些电路模块包括输入选择器开关（刻度盘指于100Vac、120Vac、220Vac或240Vac的位置），或用于电源线的ICE连接器，还有保险丝外壳组件等。这些器件能提供良好的滤除或衰减电磁噪声的功能，这已经成功地为多种产品所验证。前面所述传输线滤波器的技术要求，通常是根据诸如辐射发射要服从CE法规或其它法规的标准，或者是电磁噪声通过初级电路进入到产品中时，对其工作是否有妨碍等理由提出的。
外接的传输线滤波器是与初级电路串联组装在一起的，如图3所示，这样，它们必须载荷全部初级电流（经过电感器L流过的负载电流）。因为受所采用的串联电感器处理电流的能力影响，一些器件的功率或者性能将受到限制，为此，必须增加器件的尺寸，重量和热耗散能力，以适应采用大功率器件的要求，另外，来自传输线的高通支路电容器和中线的接地，增加了系统到地的漏电流。在要求漏电流是低电平的情况下，例如需要工作时十分严谨并可靠的医疗器械中，漏电流问题就变成了重要的考虑因素。
另外一种解决谐波问题的共性方法是使用K型变压器。本质上讲，K型变压器是严格地按I 2R的耗能公式来计算设计的一种超温升变压器。IEEE提供了计算其THD的公式并随后推导出K的量值。在此，由于谐波及相应的设计规范要求，变压器的设计人员需要懂得自然散热的简单知识。使用多股导线绕组可以加速散发来自趋肤效应产生的热量。
高频信号的衰减不需要装备，这被认为是提高了产品性能，例如市场上销售的音频系统，共模噪声衰减系统被补偿了功率。这种补偿功率不是采用外部元件以形成滤波器来补偿功率，而是巧妙地使用正确的设计，制成了具有补偿特性的绕组变压器。有效地消除电磁噪声的方法是通过正确地补偿波形相位完成的。用具有中心抽头的对称的次级绕组对电源变压器的内部电阻、电容和漏电感进行平分，所以，它们被相互抵消了。中心抽头被捆扎在系统的接地线上，它们被用作放电支路。
一种涉及内部平衡的电源布置是在60V（120V绕组的中心抽头）处使升压系统部分接地，但它们必须以所有标准的0V接地点的电气隔离为条件。依照用电的规范，可以要求接地故障检测器用作在不测事件中防止地线相抵触的工具。
5 用作滤波器 的变压器
电源传输线滤波器包括电感(L)、电容(C)和电阻(R)三个基本要素。而电源变压器中则含有形成滤波器的三个要素——漏电感、内部电容和内部电阻，所以，我们试图确定采用电源变压器内部固有的L、C、R，而不是采用外部分立元件来构建滤波器。经过几年的研究设计，Plitron公司开发出了被称为NBT(Narrow Bandwidth technology)的系统。
初级绕组和次级绕组两者之间的漏电感已经在所有变压器中作为第一级低通滤波器工作。它们的角频率是较高的——EI型磁心变压器为20kHz，环型磁心变压器为200kHz（由于环型磁心变压器的固有漏电感低）。
以前，漏电感和绕组内部的分布电容被看成是线频率变压器设计的副产品，是绕组（匝）间距和绝缘介质材料的函数。NBT利用这些特性抑制（衰减）掉所有不想要的频率。Plitron公司利用开发出的工具准确地计算出了变压器的技术条件和结构，满足了规定的角频率。NBT减小了隔离变压器或电源变压器内部的线性失真。
NBT变压器非常窄的通频带限制了电磁能量。这项技术可让传输线上的变压器抑制掉由于谐波和尖峰信号产生的失真。无论是用作衰减高频和极高频信号，还是衰减传输线或不对称负载产生的失真，它都是有效的。NBT可以适配大多数变压器基电源的应用。
NBT变压器根据选用的角频率实现低通滤波。该系统建立在两个原理的基础上——内部串联电感量的增加和相位补偿原理。
我们可以利用这两种原理中的任何一种，以联合的方式（图4所示）或单独地（见图5所示）工作。漏电感的量值是通过以下方程式计算的：
Nφleak=Lleaki
式中，N为绕组匝数，φleak是漏磁通量，i是电流。因为漏电感是漏磁通量的函数，Lleak可以用设计方法进行控制。滤波的效力可以通过控制漏电感量值获得。对10MHz的频率可以良好地衰减，这是典型例子。
为扩展衰减带宽至千兆赫芝范围，相位补偿可以在电容器Cfp的相反位置上连接一个用双股导线绕制的控制绕组获得，如图4所示。Cfp的最佳值是通过P尖峰信号建模计算的，其计算式为：
Cfp=K(KleakP2)/(VP2Vs2)
式中的K是常数，P是功率，而VP和VS则分别是初级绕组和次级绕组的电压。
在低频时，电容器相当于断开的开关，可使电源频率（50Hz或60Hz）自由地通过变压器。在高频时，电容器表现为接通的开关。所以，两个绕组中的磁通量相互抵消，而高频信号的完全删除部分则被发现。用微调串联电感值和电容值的方法，即可控制通过变压器的带宽。
借助增加的串联电感、相位补偿原理和减少在初级到次级的电容量的帮助，NBT解决了差模噪声和共模噪声的问题。典型的情况是，高频滤波器适用于为电子设备供电的电源变压器的线电压进入设备之前消除噪声。这样，随着电源变压器变成了有效的噪声抑制滤波器，对于用外部元件来消除高频噪声就没有过多的需求了。
省去了初级侧的滤波元件，不仅减少了元件的数量和设备成本，而且提高了设备的安全系数和认证认可度。另外，省去了传输线到地之间的元件将会减小漏电感。
6 NBT怎样工作
用NBT的两项技术——增加内部串联电感值和相位补偿——可以满足不同的衰减要求。简单地增加漏电感值具有引入串联电感器和消除任何电流处理限制的作用。增加漏电感Lleak的值对NBT设计的性能具有关键的决定性影响。漏电感(L)与来自变压器次级对初级的电容量(C)和初级的直流电阻值(R)的结合，将承担第二级低通滤波器的作用。滤波器的角频率是由L、C和R三元素与负载阻抗Z相结合来决定的。
为增加可利用的频率范围，电容器上可附加一个跨接的专用控制变压器绕组。如图4所描述，次级绕组随附加的绕组（控制绕组）而延伸，该绕组具有现存次级绕组相等的匝数，但它应经过电容器(Cfp)连接到相反的相位。
在低频时，控制电容器的阻抗是高的，此电容器担负着断开的开关作用，仅是一个次级绕组的功能，而50Hz或60Hz的频率则可自由地通过变压器。在高频时（超过1MHz），控制电容器开始承担接通的开关功能。此刻，两个次级绕组在变压器磁心中产生磁通，并存在180°的相位差，因此，两个绕组的磁通量相互抵消，而完全的高频信号补偿被发现。为此，不再有电磁能量通过磁心向次级转移。
这种方法的优点是，在高频时，电感器L的阻抗是大的。来自传输线的电磁噪声将不会在变压器的输入端反映出来，而在电感器上被吸收掉。在高频时，NBT变压器将没有负载连接到电源线上。
在控制绕组被利用来传递能量到附加的次级负载时，使得铜的利用更为有效。在负载是相等的时候，通过连接点(2)的全部有效电流变为零（相位补偿）。在连接点(2)接地时，如果没有高频噪声，绿色的接地标准被建立。
为了验证NBT变压器的性能，需要进行频率响应试验，其结果示于图6。变压器的初级是由振荡器和初级电压馈给的，而带负载的次级电压是在50Hz到1GHz的频率范围时测量的。用次级电压对初电压的比率（单位、分贝）为每种变压器绘制了频率关系曲线，以下是四种不同的环形变压器的构成对照。
(a)标准的环形变压器；
(b)平衡电源变压器（双股线中心抽头次级连接接地）；
(c)具有外接滤波器的标准环形变压器；
(d)併入NBT的环形变压器。
标准的环形变压器(a)具有大约50kHz的高角频率和低的衰减比率。平衡电源变压器(b)因为具有合理低的角频率（约3kHz）而具有良好的性能，在100kHz左右时大约衰减-15dB，在1GHz时接近衰减-30dB。因具有外接商用滤波器的标准环形变压器(C)在50kHz到40MKz的频率范围内与平衡电源变压器比较，表演出了更好的性能，但是只有狭窄的大约为60kHz的角频率。在角频率和衰减特性两方面，NBT(d)的运行性能优于其它设计。它具有大约1kHz的低角频率，这样就可以设计调整任何合理的值，它在大约1MHz时具有超过60dB的衰减，在1GHz时具有35dB的衰减。
7 NBT的应用
在电源变压器中，NBT的应用是多种多样的。一个好的例子是音频领域的应用，在该领域，不让差模高频噪声进入敏感的音频设备中是十分重要的。被发现的第二类应用是必须强制滤除差模噪声的那些电子设备中使用的一般电源变压器，那么，NBT变压器的选用是基于NBT变压器与具有外接差模滤波器的标准电源变压器比较中平衡成本。
随着超长距离的不间断数据传送在IT中的应用，绿色电源线的优点是很明显的。在医疗领域应用中（需要特别安全、经久耐用的连接器件），NBT变压器为静电防护提供了具有低漏电流的绿色电源。在大功率设备应用中，NBT可以从800Hz开始，滤除存在截止频率的更高次谐波。
（编译自Power Electronics Technology/october 2004）
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