CN108933633B - 用于有源地抑制干扰信号的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于有源地抑制干扰信号的装置(1)，本发明所基于的目的是，提供一种用于有源地抑制干扰信号的装置(1)，借助于所述装置实现可靠地补偿EMV干扰，所述装置具有较小的结构空间需求，产生少量的干扰放射并且能低成本地制造。所述目的通过如下方式实现：在壳体(10)中在设置在壳体(10)的表面上的主电路板(12)下方设置有凹陷部(14)，并且在所述凹陷部(14)中以引入的方式设置有用于有源的EMV滤波器(4)的电路板(15)。

Description

用于有源地抑制干扰信号的装置
技术领域
本发明涉及一种用于有源地抑制烦扰信号的装置，所述装置包括逆变器的至少一个主电路板、有源的EMV滤波器、制冷剂压缩机的壳体，其中由壳体包围地设置有冷却机构，并且其中主电路板设置在壳体的表面上。
背景技术
在借助电压或电流实施开关过程的电子组件中，由于该开关过程造成干扰的产生连同发射干扰信号，其中干扰信号的产生受所形成的电脉冲影响。所述干扰不仅能够以有线的方式传播，而且也能够经由自由空间，也就是说无线地作为无线电波传播。
技术设备不通过不期望的电或电磁效应来干扰其他设备或受其他设备干扰的能力称作为电磁兼容性(EMV)。
为了避免或最小化这种干扰的传播，从现有技术中已知的是：所述组件配设有滤波单元、所谓的EMV滤波器、EMC滤波器或电源滤波器。还已知的是，采取用于隔离或屏蔽电子组件的措施，以便避免通过过大幅度的干扰信号影响其他电子组件或设备的正常工作。
由置于运转中的设备遵守的这种干扰信号大小在属于所述设备的EMV标准中确定，并且根据要遵守的极限值和最小要求描述。
为此已知的例如是所谓的ECE规章，所述ECE规章包括针对机动车以及针对机动车的装备物和部件的统一技术规定的国际协议的目录。例如ECE R10例如涉及无线电抗干扰的领域，所述ECE R10需针对未来的发展来考虑并且所述ECE R10因此进一步减小允许的干扰放射。
即使在电的变流器(逆变器)的运行中，也产生电磁干扰放射，所述变流器操控电动机进而在幅度中开关大的电流。这种变流器例如在操控发动机时被装入车辆的空调压缩机中。
用于抑制在电的或电子组件上的干扰放射的已知的解决方案是使用无源的EMV滤波器。这种无源的EMV滤波器通常借助于无源器件如电容器、线圈和电阻实现，所述无源器件以已知的、适合的方式彼此连接进而产生期望的滤波作用。
无源EMV滤波器的缺点在于，用于对大的干扰幅度进行滤波或用于遵守相应较低的极限值的所述滤波器需要大的结构空间并且在制造中由于用于要运行的耗费而也是昂贵的。
用于抑制在电的或电子的组件上的干扰发出的同样已知的解决方案是使用有源EMV滤波器。这种EMV滤波器能够独立地或以与无源EMV滤波器组合的方式使用。由有源EMV滤波器和无源EMV滤波器构成的该组合能够实现：积聚减少无源EMV滤波器的无源构件的大小。尽管，这种混合的滤波器解决方案在待装入的硬件、计算和仿真耗费方面需要更高的研发耗费，然而所述解决方案也越来越令人感兴趣，因为所述解决方案提供满足变得更小的极限值的良好的可能性。
在有源EMV滤波器中，借助于抵抗干扰的有源的倒置控制器(Gegensteuern)实现干扰信号的不期望的发送。为此，对干扰信号叠加相位转动180°的倒置信号。所述技术称作为“有源EMV滤波”、有源EMC滤波器、有源EMC消除或噪音消除。
另一尤其在高度集成的组件中需注意的方面在于：设置在组件中的电路板上的EMV滤波器需要空间上的扩展，以便最优地发挥其滤波作用。所述要求从避免在组件之间的寄生的过临界点耦合的必要性得出。如果滤波器例如构成为，使得滤波器输入端在空间上靠近滤波器输出端地安置，那么存在如下危险，干扰不选用通过滤波器衰减幅度的路径，而是通过寄生效应例如将滤波器输入端的磁耦合或电耦合不期望地过临界点耦合到滤波器输出端上。在预设结构空间受限时，也能够借助于有源的EMV滤波器更好地符合所述要求。
在由无源的EMV滤波器和有源的EMV滤波器构成的组合的EMV滤波器中，有源的EMV滤波器承担消除或减弱较大幅度的低频干扰的任务，而无源的EMV滤波器消除较高频率的干扰或至少衰减其幅度，其中在所述较高频率下有源EMV滤波器由于有源电路的极限频率而不再能够实现足够的效果。在此，有源EMV滤波器的极限频率通常由所使用的晶体管和IC来确定。
有源的EMV滤波器的工作方式原则行能分为三个功能块。第一功能块通过测量单元和所谓的探测器形成，所述探测器测量在逆变器的电压供应装置的线路上所出现的干扰。此外，能够提出，将待测量的干扰信号的幅度缩放到可由EMV滤波器的相移器处理的电平上。此外，探测器根据识别出的干扰信号在其输出端上输出用于连接在下游的相移器的操控信号。
有源的EMV滤波器的第二功能块是相移器(Phase Shifter)，所述相移器将由探测器发出的操控信号的相位倒置，使得为干扰信号产生在有源的EMV滤波器的所有组件上总计地相移180°的补偿信号，干扰信号随后能够借助于所述补偿信号叠加。
为了该目的，在第三功能块中设置有输出端放大器，所述输出端放大器具有如下目的，提高或调整相移器的输出信号的电平并且作为补偿信号与干扰信号叠加，从而实现对已识别的干扰进行补偿。
在此，提出如下挑战，为了抑制对例如具有300V或400V DC的高压总线上的干扰必须馈入例如500mV的交流电压。因此，输出端放大器必须根据电压要求而鲁棒地构成。此外，通过在输出端放大器上的大的压降和放大器在在线性的工作点中运行而预期到数瓦特的功率损失。因此，在滤波器中的受所出现的功率损失影响而产生的热量必须通过用于冷却有源EMV滤波器的相应措施的可靠地导出。
发明内容
本发明的目的在于，提出用于有源地抑制干扰信号的装置，借助于所述装置实现EMV干扰的可靠的补偿，所述装置具有较小的结构空间需求，产生少量干扰放射并且能低成本地制造。
所述目的通过一种用于有源地抑制干扰信号的装置来实现，所述装置包括逆变器的至少一个主电路板、有源的EMV滤波器、制冷剂压缩机的壳体，其中由所述壳体包围地设置有冷却机构，并且其中所述主电路板设置在所述壳体的表面上，其特征在于，在所述壳体中在设置在所述壳体的表面上的所述主电路板下方设置有凹陷部，并且在所述凹陷部中以引入的方式设置有用于所述有源的EMV滤波器的电路板。在本文中提出改进方案。
在变流器应用中，由于在操控电的变流器时脉冲宽度调制(PMW)的开关频率恒定，在例如0.01至3MHz范围中的中等的和下部的频率范围中的干扰重复出现。因此，出现过一次的干扰通常再次出现的概率非常高。另外，所产生的干扰的改变非常慢地发生，因为在例如通过在发动机上的负载波动而出现的干扰中的改变以毫秒或秒的时间范围中出现，其中所述负载波动受所述发动机的机械惯性决定。因此，主动滤波背后的思想是：将该知识用于控制主动EMV滤波。该认知使用在消除功能块中的干扰信号中。
在这种假设下所产生的补偿信号被输送给设置有输出端放大器的第三功能块，调整所述补偿信号的电平并且相应地与有源EMV滤波器的输入信号叠加，由此执行已识别的干扰的补偿。
提出，设置有有源的EMV滤波器连同其器件的电路板或印刷电路板设置在制冷剂压缩机或压气机的壳体上。因此能够实现：将在有源的EMV滤波器的印刷电路板中或其上产生的热量传送给制冷剂压缩机或压气机的壳体，所述壳体结合制冷剂压缩机的冷却机构形成所谓的热沉。
为了所述目的，如在现有技术中通常提出：通过已知的措施(螺旋连接或卡接连接，导热膏和其他措施)保持在印刷电路板和壳体之间的热阻小。附加地也可行的是，保持在印刷电路板和壳体上的一个或多个器件之间的热阻小。在本发明中，能够将小于10开尔文每瓦特的范围中的值视作为小的热阻。
特别有利的是，有源的EMV滤波器连同其器件设置在单独的电路板或印刷电路板上。因此，制冷剂压缩机的布置除了常见的主电路板之外包括较小的第二印刷电路板，其中所述主电路板容纳用于控制变流器运行所需的器件，所述第二印刷电路板仅设置用于容纳有源的EMV滤波器的器件。
印刷电路板的该分配提供如下优点，有源的EMV滤波器的明显更小的印刷电路板能够设置在制冷剂压缩机的壳体中的凹陷部中。为此，制冷剂压缩机的壳体具有凹陷部，所述凹陷部略大于有源的EMV滤波器的所使用的印刷电路板。此外，提供具有如下深度的凹陷部，该深度使得有源的EMV滤波器的印刷电路板和设置在所述印刷电路板上的器件在将印刷电路板装入和固定在凹陷部中之后都不会伸出所述凹陷部。
因此，存在如下可行性：将凹陷部用盖闭锁，而有源的EMV滤波器不与凹陷部的侧壁或盖接触或者电接触。凹陷部的底部与EMV滤波器的印刷电路板导热地连接以及可能地也与一个或多个器件导热地连接。在此，将导热连接理解为具有小的热阻的电绝缘连接，所述电绝缘连接不损害有源的EMV滤波器的电的工作方式。
在一个实施方式中，凹陷部方形地构成。替选地，凹陷部也能够圆柱形地构成。凹陷部的实施方式不影响本发明的工作方式进而例如能够匹配于用于产生的技术。可行地，在制造制冷剂压缩机的壳体时在为此所设置的浇注模具中已经安置凹陷部。
也提出，借助于盖闭锁凹陷部。如果针对制冷剂压缩机的壳体以及针对盖使用导电材料，那么实现有源的EMV滤波器的引入到凹陷部或所产生的空腔中的印刷电路板的完全的电的或电磁的屏蔽。
凹陷部的闭锁例如能够借助于单独的盖进行，所述盖由传导材料例如铁、铝或铜制造。这种盖例如能够借助于一些螺钉固定地与壳体连接，进而产生被屏蔽的空腔。
特别有利的是，代替单独的盖将制冷剂压缩机的总归需要的主电路板用于控制变流器的运行方式。为了该目的提出，主电路板在朝向制冷剂压缩机的壳体的侧上，如下侧上，至少在确定的区域中、也称作为屏蔽区的区域中，具有导电覆层。这种例如由铜或铝构成的覆层能够施加到主电路板的印刷电路板上，或者当在毛坯电路板上已经存在这种覆层，例如通过用光刻胶或抗蚀剂覆盖时，在印刷电路板的随后的蚀刻中保留所述覆层。
在此将屏蔽区的传导的覆层的确定的区域选择成，使得所述区域大于要封闭的凹陷部的净尺寸。由此可行的是，在将主电路板固定在制冷剂压缩机的壳体上时，在壳体和传导的确定的屏蔽区之间建立电接触。该电连接在屏蔽区的边缘处构成进而产生被屏蔽的空腔，在所述空腔中设置有有源的EMV滤波器的电路板。
提出，主电路板例如在下侧上设有铜层，所述铜层的尺寸对应于屏蔽区的确定的、传导的区域，并且所述铜层借助于螺钉、配合销、铆钉或卡接或粘结连接可靠地且固定地与制冷剂压缩机的壳体连接。
在将有源的EMV滤波器的电路板在凹陷部中的这种设置进而平行地且在主电路板下方的这种设置中特别有利的是，在主电路板上仅须设有用于有源的EMV滤波器的接口的位置，所述接口如是输入端线路和输出端线路以及可能是用于电压供应的线路。因此，设置在用于有源的EMV滤波器的主电路板上的位置急剧地减少。
除了这样节约用于有源的EMV滤波器的结构空间以外，所述有源的EMV滤波器通过包围滤波器的屏蔽部非常良好地与主电路板脱耦，从而不再存在通过有源的EMV滤波器对主电路板产生干扰性的影响。
由于在有源的EMV滤波器和制冷剂压缩机的壳体之间的小的热阻，在滤波器中产生的热量能够立即输出并且不影响主电路板的温度特性。
有源的EMV滤波器的器件的改进的冷却允许在实现滤波器时选择更小进而更便宜的器件。
还提出，通过使用良好地导热的材料如绝缘膏、导热胶或所谓的热界面材料(TIM英语为thermal interface material)，改进有源的EMV滤波器的电路板或者一个或多个设置在所述滤波器的所述电路板上的器件与制冷剂压缩机的壳体的热联接。
有源的EMV滤波器的电路板能够构成为单层或多层的印刷电路板。特别有利的是，将所谓的IMS电路板(IMS英语为insulated metal Substrat绝缘金属基板)用作用于有源的EMV滤波器的印刷电路板，所述印刷电路板作为基本材料使用铝作为用于铜印制导线的载体。这种IMS电路板通过其铝载体能够实现特别良好地导出在所述电路板上产生的热量。
因此，本发明的优点在于：
-与EMV滤波器的纯无源的构成方案相比，所需的结构空间减少，
-重量减少，
-成本减少，
-通过将有源的EMV滤波器相对于逆变器电路板/主电路板屏蔽改进滤波效果，以及
-由于通过由制冷剂穿流的壳体主动地冷却有源的EMV滤波器的组件引起允许的功率密度提高。
本发明特别使用在如下领域中：在电动车和混合动力车的领域中的电的制冷剂压缩机中的逆变器中抑制干扰信号。
附图说明
本发明的设计方案的其他细节、特征和优点从实施例参照所属的附图的下述描述中得出。附图示出：
图1示出现有技术中的EMV滤波器-逆变器装置的方框图；
图2示出现有技术中的EMV滤波器-逆变器装置的方框图，所述EMV滤波器-逆变器装置将滤波器划分成无源和有源的EMV滤波器部件；
图3示出根据本发明的有源的滤波器连同其三个功能块的方框图；
图4示出有源的EMV滤波器在制冷剂压缩机的壳体中的根据本发明的设置的原理图。
具体实施方式
在图1中示出现有技术中的用于有源地抑制干扰信号1的装置的方框图，所述装置也作为EMV滤波器-逆变器装置已知。装置1示出逆变器2，所述逆变器产生用于例如制冷剂压缩机的未示出的电动机的运行所需的电控制信号，以及示出现有技术中的连接在逆变器2上游的无源的EMV滤波器3。
EMV滤波器3设置用于抑制逆变器2的电子组件的干扰放射并且例如借助于无源器件，如电容器、线圈和电阻实现，所述无源器件以已知的、适合的方式彼此互联。在无源的EMV滤波器3的输入端接口上，例如施加300V或400V的范围中的输入端侧的高压电压，所述输入端接口用HV+和HV-表示。
在图2中示出现有技术中的用于有源地抑制干扰信号1的装置的方框图，所述装置具有分为两个滤波器部件的EMV滤波器。
在图2中示出的逆变器2上游，在链式电路中，连接有有源的EMV滤波器4以及无源的EMV滤波器3。在此提出，有源的EMV滤波器4应衰减或消除低频的干扰，所述低频的干扰也能够具有较大的幅度，而无源的EMV滤波器3应衰减或消除高频的干扰。滤波器的所述划分提供用于抑制干扰信号的改进的可行性。无源的EMV滤波器3的使用是必要的，因为有源的EMV滤波器4的极限频率可能不足够高，以便在整个所需的频谱中提供对干扰信号的极为有效的抑制，其中所述极限频率取决于所使用的半导体开关、如晶体管的极限频率。
在图3中示出用于有源地抑制干扰信号的装置1，所述装置具有包括三个功能单元5、6、7的根据本发明的有源的滤波器4。
有源的EMV滤波器4在第一功能块中包括探测器5，所述探测器探测干扰信号8，以及在第二功能块中包括相移器6，所述相移器将由探测器5基于探测到的干扰信号8提供的输出信号的相位移动180度，进而进行倒置。此外，在第三功能单元中示出输出端放大器7，所述输出端放大器根据需要调整由相移器6相移的信号的幅度并且作为补偿信号9输出给其输出端Amp_Out-和Amp_Out+。
因此，由输出端放大器7输出的补偿信号9与已识别的干扰信号8倒置地叠加。在干扰信号8的相位与倒置的补偿信号9的相位精确地一致并且信号8和9的幅度大小一致的情况下，引起抑制在装置1的端子HV+和HV-处识别的干扰，以有源地抑制干扰信号。
探测器5以及相移器6例如能够借助于已知的运算放大器(OPV)实现并且在热学方面是不重要的，因为待处理的信号幅度小。
例如能够使用OPV模块如OPA365或OPA552。
输出端放大器7能够构成为推挽输出级。因为输出端放大器7必须耐电压地在直至600V的范围的在HV总线的高压电压的范围中构成并且在线性的工作范围中运行，所以会预期到相应高的功率损失。因此，需采取相应的冷却措施。
在图3中示出的有源的EMV滤波器4上游能够连接有未示出的无源的EMV滤波器3，如这已经在图2中所示出那样。
在图4中示出根据本发明的装置1，其具有在制冷剂压缩机的壳体10中的有源的EMV滤波器4。在制冷剂压缩机的壳体10内部示出冷却机构11，所述冷却机构在该装置中用于致冷并且由壳体10环绕。
在壳体10的上部区域中示出用于容纳逆变器2的器件的主电路板12。在所述例如多层的主电路板12或印刷电路板上示出三个功率半导体13，所述功率半导体例如构成为具有绝缘的栅电极的双极晶体管(IGBT英语为insulated-gate bipolar transistor绝缘栅双极型晶体管)。所述功率半导体13直接与制冷剂压缩机的壳体10经由未示出的热界面材料导热地连接进而被良好地冷却。
在图4中，在壳体10中的功率半导体13左侧的区域中引入凹陷部14。所述凹陷部14构成为，使得所述凹陷部能够容纳电路板15或印刷电路板，在所述电路板或印刷电路板上设置有对于有源的EMV滤波器4所需的器件。所述电路板15同样与制冷剂压缩机的壳体10导热地连接。所述连接例如能够借助于未示出的螺旋连接或卡接连接进行。替选地，能够使用导热胶。同样，能够将热界面材料(TIM)，如绝缘膏或薄膜在传热层19中用于改进或减小的在电路板15和壳体10之间热阻。
在图4的实例中，借助于螺钉16将主电路板12固定在壳体10上。在固定主电路板12之后，构成空腔14，在所述空腔中设置有有源的EMV滤波器4的电路板15。用于有源的EMV滤波器4的输入端侧的和输出端侧的电接口17能够引导穿过主电路板12并且与所述主电路板连接。用于有源的EMV滤波器的电路板的电压供应的输送以类似的方式设置。
为了屏蔽有源的EMV滤波器4而提出，在主电路板12的下侧上设置屏蔽区18，例如呈在主电路板12的印刷电路板上的铜层的形式。所述屏蔽区18的延伸，即长度以及宽度以大于凹陷部14的开口的方式构成，进而当主电路板12旋紧到壳体10上时，建立至壳体10的导电的连接。这样，有源的EMV滤波器4完全被屏蔽，由此禁止滤波器到主电路板12和其他组件上的干扰放射。
附图标记列表
1 用于有源地抑制干扰信号的装置
2 逆变器/变流器
3 无源的EMV滤波器
4 有源的EMV滤波器
5 探测器(第一功能单元)
6 相移器(第二功能单元)
7 输出端放大器(第三功能单元)
8 干扰信号
9 补偿信号
10 壳体
11 冷却机构
12 逆变器的主电路板
13 功率半导体(IGBT)
14 凹陷部/空心腔
15 用于有源的EMV滤波器的电路板
16 螺钉
17 用于有源的EMV滤波器的电接口
18 屏蔽区
19 传热层，导热层

Claims (10)

1.一种用于有源地抑制干扰信号的装置(1)，所述装置包括逆变器(2)的至少一个主电路板(12)、有源的EMV滤波器(4)、制冷剂压缩机的壳体(10)，其中由所述壳体(10)包围地设置有冷却机构(11)，并且其中所述主电路板(12)设置在所述壳体(10)的表面上，其特征在于，在所述壳体(10)中在设置在所述壳体(10)的表面上的所述主电路板(12)下方设置有凹陷部(14)，并且在所述凹陷部(14)中以引入的方式设置有用于所述有源的EMV滤波器(4)的电路板(15)。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述主电路板(12)的朝向所述凹陷部(14)的侧具有由导电材料构成的屏蔽区(18)，所述屏蔽区完全地覆盖所述凹陷部(14)。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，用于所述有源的EMV滤波器(4)的所述电路板(15)经由具有小的热阻的导热层(19)与所述制冷剂压缩机的所述壳体(10)连接。
4.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，在所述电路板(15)和所述壳体(10)之间设置有绝缘膏或热界面材料(TIM)。
5.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，为了将所述电路板(15)固定在所述壳体(10)的表面上，设置有螺钉、夹具或导热胶。
6.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述电路板(15)是具有铝载体的IMS电路板。
7.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，设置在所述主电路板(12)上的屏蔽区(18)由铜、金或铝构成。
8.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述电路板(15)的电接口(17)以引导穿过所述主电路板(12)的方式设置。
9.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，一个或多个设置在所述电路板(15)上的器件导热地与所述制冷剂压缩机的所述壳体(10)连接。
10.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，在所述主电路板(12)上设置有无源的EMV滤波器(3)，所述无源的EMV滤波器在输入端侧连接在所述有源的EMV滤波器(4)上游。
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