CN106877834A - 电滤波器 - Google Patents

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Abstract

一种电滤波器(10)，适用于对减小共模电流具有更高的有效性，电气装置(30)可以在用于供给这个装置的电压源(20)的方向产生该共模电流。这样的滤波器对于满足由宝马集团标准GS95002‑2：“在高达60V额定电压的部件上的电磁兼容(EMC)‑要求和测试”设定的电磁兼容要求是有用的。

Description

电滤波器
技术领域
本发明涉及一种电滤波器、设置有这样滤波器的电气装备和装配有这样装备的车辆。
背景技术
电磁兼容标准(由首字母缩写EMC表示)对杂散电流进行了限制，该杂散电流由电气装置产生并且传输到对每个装置供电的电压源。这些杂散电流通常由传导发射指定。实际上，许多电气装置，特别是使用高频整流操作的那些(例如无刷电机，也叫电子整流电机)产生杂散电流，该杂散电流可以损害连接到相同电压源的其它装置。在安装在车辆中的电气装备的情况下，由于在76MHz(兆赫)到108MHz之间的频带对应于调频(FM)接收，这些杂散电流在此频带中尤其令人烦恼。
这些要求特别地涉及共模电流，该共模电流由电气装置传输到用于对其供给能量的电压源。以已知的方式，共模电流表示由装置重新传输到电压源的电流，其强度在连接源到该装置的所有电连接中是相同的，并且其电流流动方向对于所有这些连接是共同的：从装置沿电压源的方向。
宝马集团标准(BMW Group Standard)GS95002-2：“在高达60V额定电压的部件上的电磁兼容(EMC)-要求和测试”要求，由每个电连接传导的共模电流部分(在本说明书中称为共模基本电流)，当其频率在3.85MHz到26.1MHz之间时，并且当在电气装置和电压源之间插入线阻稳定网络(LISN)时，在50Ω(欧姆)的接地电阻中产生小于33dBμV的电压。当共模电流的频率在76MHz到108Mhz之间时，在相同的测量条件下，接地电阻处的电压必须小于12dBμV。
为了试图满足这些EMC要求，已知的是为可以产生共模电流的电气装置提供电滤波器，该电滤波器连接在电压源与装置之间。参考图1，这样的电滤波器10可以包括：
-第一电连接11，用于将电源20的第一输出端子21连接到装置30的第一供电端子31，此第一连接11包括第一线圈L1；
-第二电连接12，用于将电源20的第二输出端子22连接到装置30的第二供电端子32；
-第一电容组件13，可以包括至少一个电容器C30-C32，此第一电容组件13首先被连接到在第一线圈L1和装置30的第一供电端子31之间的第一连接11，并且其次通过第一节点N1连接到第二连接12；以及
-第二电容组件14，可以包括至少另一电容器C33，此第二电容组件14首先被连接到在电源20的第一输出端子21和第一线圈L1之间的第一连接11，并且其次通过第二节点N2连接到第二连接12，第一节点N1位于在第二节点N2和装置30的第二电供给端子32之间的第二电连接12中。
这样的电滤波器通常被称为π型滤波器(pi filter)。然而，当由电气装置产生的隔膜电流具有大于76MHz的显著频谱分量时，使用这样的π型滤波器不足以满足上述要求。换句话说，对于大于76MHz的频率，通过在装置和电压源之间作为测量主体的连接上插入线阻稳定网络在50Ω接地电阻中产生的电压可以大于12dBμV。
发明内容
基于这种情况，本发明的目标是进一步减小对于大于76MHz频率的共模电流。优选地，这种减小寻求使得，通过在电气装备和电压源之间使用线阻稳定网络，由此共模电流在50Ω接地电阻中产生的电压小于12dBμV。
本发明的其它目标是提出适用于减小共模电流的新的电滤波器，该电滤波器紧凑、便宜并且易于使用上述的π型滤波器实现。
为此，本发明的第一方面提出了π型滤波器第二连接的修改，使得此第二连接包括至少位于第一节点和第二节点之间的第二线圈。
由于第二线圈增加到π型滤波器，对于更多数量的电气装置，在上述的测量条件下与共模电流相关联的电压小于12dBμV的要求可以被满足。
此外，在π型滤波器中这样添加第二线圈导致很小的额外空间要求，是便宜并且易于实现的。
在本发明的改进中，第一和第二线圈相对于彼此定位，以便在其间产生磁相互作用。在这种情况下，它们具有各自的绕组方向，使得通过第一和第二输出端子进入电源的相等并且可变的电流(每个输出端子分别地各一个电流)，在使用滤波器的期间平均在每个线圈中通过互感产生电压贡献，并且通过自感产生电压贡献，在此线圈中，这两个电压贡献是具有相同符号的。因此，电滤波器的有效性可以进一步提高，特别是对于大于76MHz的频率。特别地，可以耦合第一和第二线圈，并且这些线圈中的一个可以以顺时针方向盘绕，而另一个可以以逆时针方向盘绕。
此外，第一线圈的电感值和第二线圈的电感值之间的差异可以小于或等于每个线圈电感值的20％，优选地小于或等于每个线圈电感值的10％。此外，这样的电感值接近有利于减小由电气装置通过电压源产生的差模电流。
特别地，第一线圈可以具有0.1到1μH之间的电感值。独立地或结合地，第二线圈还可以具有0.1到1μH之间的电感值。一般来说，线圈的电感值意味着其自感值。
此外，第一电容组件可以至少包括电容器，如第二电容组件一样。
第一电容组件可以具有300到3000μF之间的电容值。与此同时，第二电容组件可以具有100到1000μF之间的电容值。
本发明的第二方面提出了包括电气装置的电气装备，该电气装置具有至少两个供电端子和依据本发明第一方面的电滤波器。然后滤波器的第一和第二电连接一个接一个地连接到装置的两个供电端子，使得第一电容组件与在后者的两个供电端子之间的装置并联电连接。在这样的电气装备中，电气装置可以包括无刷电机。
电气装置可以包括电风扇单元。
本发明使用的电气装备可以形成用于车辆内部的加热、通风和空调系统。在这种情况下，电气装置包括布置为对内部通风的电机。
优选地，可以选择第一和第二线圈以及第一和第二电容组件，使得当在电压源任一输出端子(称为测试端子)和滤波器第一或第二连接的端子之间插入线阻稳定网络时，和当50Ω的电阻在线阻稳定网络与电气装置的接地端子之间连接时，由装备产生并且通过测试端子传输到电压源的共模基本电流在80MHz频率产生小于12dBμV的电压，所述电压是在电阻两端测量的。
最后，本发明的第三方面提出了包括电池的车辆，该电池具有至少两个输出端子和依据本发明第二方面的电气装备。然后滤波器的第一和第二电连接一个接一个地连接到电池的两个输出端子，使得第二电容组件与电池在后者的两个输出端子之间并联电连接。特别地，本发明使用的车辆的电气装备可以包括用于车辆内部的加热、通风和空调系统。在这种情况下，电气装置可以包括布置为对内部通风的无刷电机。
附图说明
本发明的其它特征和优势将参考附图在非限制性实施例的以下描述中显现，在附图中：
-图1(已经被描述)是在本发明之前已知的滤波器电气图；
-图2对应于图1，关于依据本发明的电滤波器；
-图3a和3b示出了用于表征由设置有图2滤波器的电气装备产生的共模电流的两个测试设备；以及
-图4a和4b是分别用于为图3a和3b的测试设备表征共模电流的两个频谱图。
在图1到3中指示的相同标记表示相同的或具有相同功能的元件。
具体实施方式
如图2所示，本发明的滤波器(再一次标记为10)从图1通过增加线圈L2获得。线圈L2位于电连接12中，在节点N1和N2之间。电容器C30-C32(例如有三个)在第一连接11和第二连接12中的节点N1之间彼此并联连接，形成第一电容组件13。电容器C32在第一连接11和第二连接中的节点N2之间连接，形成第二电容组件14。沿着第一连接11，线圈L1位于第一电容组件13的连接(在电气装置30侧)和第二电容组件14的连接(在电源20侧)之间。
电源20可以是标记为“电池”的电池，例如机动车辆电池。
电气装置30可以是标记为“电机”的电机，特别是无刷电机，或电机变频器。例如，它可以是用于对车辆内部通风的电机，是加热、通风和空调系统的一部分。M表示电气装置30的接地端子。
包括第二线圈L2的本发明的滤波器10和电气装置30共同形成依据本发明的电气装备。
依据本发明的电滤波器10可以在印刷电路板(PCB)上产生，分立的部件附接到此电路板上。例如，电容器C30-C33的每个可以具有等于330μF(微法)的电容值，电容组件13形成等于990μF的电容总值，并且线圈L1和L2的每个可以具有等于0.43μH(微亨)的电感值。
共模电流是由两个相等的电流形成的，所述两个相等的电流被称为共模基本电流并且在图1-3中标记为iC，并且分别通过输出端子21和22从连接11和12朝向电源20流动。共模电流可以借助电容效应通过接地端子M回流。
图3a示出了通过表征由连接11传输到电源20输出端子21的共模基本电流iC表征传导发射的共模电流的方法。为此，线阻稳定网络40(标记为RSIL)被插入到连接11上滤波器10和输出端子21之间。网络40是可商购的型号，并且其使用假定为本领域技术人员是已知的。此外，网络40通过50Ω(欧姆)的电阻41连接到装置30的接地端子M。标记为U+的电压作为共模电流频率的函数进行分析，该电压在装置30由电源20供给电能时其存在于电阻41中。
图4a的图示出了这样的分析的结果。水平轴线以对数尺度上表示以MHz给出的频率值，而竖直轴线表示当U+以微伏(μV)给出时以分贝表示的20·log10(U+)的值。在这个图中，虚线表示宝马集团标准GS95002-2：“在高达60V额定电压的部件上的电磁兼容(EMC)-要求和测试”对于呈现共模电流的电压U+所允许的最大限制。当装置30如图2所示设置有依据本发明的滤波器10并且具有上述数量的电容和电感时，图4a中细实线的曲线是电压U+的频谱特性。当频率大于22MHz时，电压U+的特性位于由宝马集团标准GS95002-2规定的限制下方。此外，电压U+只在20MHz频率处超过了宝马集团标准GS95002-2的限制2dBμV，并且这可以使用额外的滤波器容易地停止。
通过对比，图4a的图还示出了(粗实线的曲线)当依据图1的滤波器取代图2的滤波器用于相同的电气装置30时表示共模电流的电压U+的频谱特性。用于非依据本发明的这个滤波器10的电容值与上述相同。电感L1的值则是0.86μH，滤波器的电感总值与依据本发明的滤波器的电感总值相等，该滤波器以前已经被测试。使用图1的滤波器(没有线圈L2)，电压U+的特性在76MHz频率处增加到34dBμV,即对由宝马集团标准GS95002-2规定的限制超过22dBμV。因此，从连接11到连接12的电感总值一半(0.43mH)的转移允许共模电流的共振峰值偏移，从大约73MHz的频率值(图4中粗实线的曲线，关于不依据本发明的图1的滤波器)到大约20MHz的频率值(图4a中细实线的曲线，关于依据本发明的图2的滤波器)。共模电流的这个共振频率偏移的特别益处在于标准中规定的最大值(20MHz处的33dBμV取代80MHz处的12dBμV)，并且来自看到此标准对用于FM接收的76-108MHz频率带的重要性。
当共模电流在连接12上测试时，图3b和4b分别对应于图3a和4a。此时，在连接12上，线阻稳定网络40被插入到滤波器10和电池20的输出端子22之间。电阻41仍然等于50Ω，并且当装置30由电源20供电时，在电阻41中测量的电压标记为U-。电气装置30对于图3a和4a是相同的，并且图4b的图重现20·log10(U-)的频谱分析。此图引出与图4a相同的结论，以证明本发明的益处。
此外，刚描述的滤波器同时对于减小由电气装置30通过电压源20产生的差模电流是有效的。
通过将两个线圈L1和L2的安装位置在印刷电路板上彼此靠近，使得这两个线圈之间存在磁相互作用，本发明的滤波器(图2)的有效性可以得到提高。可能地，两个线圈L1和L2可以布置在共享磁芯的周围，以进一步提高这个相互作用。以已知的方式，非零互感值因而是滤波器有效性的一部分。此互感值的符号(正的或负的)取决于两个线圈L1和L2各自的绕组方向。依据本发明的滤波器的有效性作为这个符号的函数而增加或减小。为了提高这个有效性，相对于考虑的频率在足够长的期间平均，在连接11中流动的共模基本电流iC对通过互感效应在线圈L2端子之间存在的电压的贡献的符号与由在连接12中流动的共模基本电流iC的自感做出的贡献相同。同样，相对于考虑的频率在足够长的期间平均，在连接12中流动的共模基本电流iC对通过互感效应在线圈L1端子之间存在的电压的贡献的符号也与由在连接11中流动的共模基本电流iC的自感做出的贡献相同。当阅读此说明书时，本领域技术人员可以选择有利于提高滤波器有效性的两个线圈L1和L2的绕组方向。
可以理解到本发明可以通过修改一些上述详细说明的次要方面重现，同时至少保持一些引用的优点。特别地，已引用的数值只是以非限制示例的方式给出。特别地，这些值可以根据滤波器关联的电气装置的电气和频谱特性调节。

Claims (14)

1.一种电滤波器(10)，适用于在电压源(20)和电气装置(30)之间连接，所述滤波器包括：
-第一电连接(11)，用于将所述电源(20)的第一输出端子(21)连接到所述装置(30)的第一供电端子(31)，所述第一连接包括第一线圈(L1)；
-第二电连接(12)，用于将所述电源(20)的第二输出端子(22)连接到所述装置(30)的第二供电端子(32)；
-第一电容组件(13)，首先连接到在所述第一线圈(L1)和所述装置(30)的第一供电端子(31)之间的所述第一连接(11)，并且其次通过第一节点(N1)连接到所述第二连接(12)；以及
-第二电容组件(14)，首先连接到在所述电源(20)的第一输出端子(21)和所述第一线圈(L1)之间的所述第一连接(11)，并且其次通过第二节点(N2)连接到所述第二连接(12)，所述第一节点(N1)位于在所述第二节点(N2)和所述装置(30)的第二电供给端子(32)之间的第二电连接(12)；
其特征在于，所述第二连接(12)至少包括位于所述第一节点(N1)和所述第二节点(N2)之间的第二线圈(L2)。
2.根据权利要求1所述的滤波器，其中，所述第一电容组件(13)包括至少一个电容器(C30-32)。
3.根据权利要求1或2所述的滤波器，其中，所述第二电容组件(14)包括至少另一电容器(C33)。
4.根据前述权利要求中任一项所述的滤波器，其中，所述第一线圈(L1)和所述第二线圈(L2)相对于彼此定位，以在其之间产生磁相互作用，并且具有各自的绕组方向，使得在使用滤波器的期间平均地，通过所述第一输出端子(21)和第二输出端子(22)进入所述电源(20)的相等且可变的电流-每个输出端子分别地各一个所述电流-在每个所述线圈(L1、L2)中通过互感产生电压贡献，并且通过自感产生与所述线圈具有相同符号的电压贡献。
5.根据前述权利要求中任一项所述的滤波器，其中，所述第一线圈(L1)和第二线圈(L2)是耦合的，并且其中，所述第一线圈和第二线圈中的一个以顺时针方向盘绕，而所述第一线圈和第二线圈中的另一个以逆时针方向盘绕。
6.根据前述权利要求中任一项所述的滤波器，其中，所述第一线圈(L1)的电感值和所述第二线圈(L2)的电感值之间的差异可以小于或等于所述第一线圈和第二线圈的每个的电感值的20％，优选地小于或等于所述第一线圈和第二线圈的每个的电感值的10％。
7.根据前述权利要求中任一项所述的滤波器，其中，所述第一线圈(L1)具有0.1到1μH之间的电感值。
8.根据前述权利要求中任一项所述的滤波器，其中，所述第二线圈(L2)具有0.1到1μH之间的电感值。
9.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中：
-所述第一电容组件(13)具有300到3000μF之间的电容值；并且
-所述第二电容组件(14)具有100到1000μF之间的电容值。
10.一种电气装备，包括：
-电气装置(30)，具有两个供电端子(31、32)；以及
-根据前述权利要求中任一项所述的滤波器(10)，所述滤波器的第一电连接(11)和第二电连接(12)一个接一个地连接到所述装置(30)的两个供电端子(31、32)，使得所述第一电容组件(13)与所述装置在装置的所述两个供电端子之间并联电连接。
11.根据权利要求10所述的装备，其中，所述电气装置(30)包括无刷电机。
12.根据权利要求10或11所述的装备，其中，所述电气装置包括电风扇单元。
13.根据权利要求10-12中任一项所述的装备，形成用于机动车辆的加热、通风和空调系统，并且所述电气装置包括布置为对内部通风的电机。
14.根据权利要求10-13中任一项所述的装备，其中，选择所述第一线圈(L1)和第二线圈(L2)以及所述第一电容组件(13)和第二电容组件(14)，使得当在电压源的称为测试端子的任一输出端子和所述滤波器(10)的所述第一连接(11)或第二(12)连接的端子之间插入线阻稳定网络(40)时，并且当等于50Ω的电阻连接在所述线阻稳定网络和所述电气装置(30)的接地端子(M)之间时，由所述装备产生并且通过所述测试端子传输到电压源(20)的共模基本电流在80MHz频率处产生小于12dBμV的电压，所述电压是在所述电阻两端测量的。
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