CN111478575A - 一种高压电源电磁干扰滤波器设计方法 - Google Patents

一种高压电源电磁干扰滤波器设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种高压电源电磁干扰滤波器设计方法，主要适用于新能源汽车高低压直流变换器，其不仅可以实现滤波器元件参数的设计，还能够根据高低压DC‑DC变换器的电流大小、电压大小、限值要求和空间大小等，合理地调整滤波器的结构和元件参数，使滤波器更加匹配高低压DC‑DC变换器的需求。通过本发明设计的滤波器在150kHz‑108MHz频带内均可实现较大的插损，更适用于新能源汽车高低压DC‑DC变换器高压直流侧传导干扰的抑制需求。使用共模扼流圈的漏感及Y电容串联后的等效X电容作为差模滤波电路，在主要考虑共模传导干扰抑制的同时，兼顾了差模传导干扰抑制，提升了滤波器的功率密度。

Description

一种高压电源电磁干扰滤波器设计方法
技术领域
本发明涉及电磁干扰(EMI)滤波技术领域，特别是涉及一种针对新能源汽车高低压直流变换器中高压直流电源电磁干扰的滤波器设计方法。
背景技术
当前，高低压直流变换器(DC-DC变换器)普遍采用功率半导体器件(如MOSFET等)进行脉冲宽度调制(PWM)控制，为了抑制功率半导体器件带来的电磁干扰，在高低压DC-DC变换器的高压直流电源线上安装EMI滤波器是较为有效的方法。现有方法对于新能源汽车工作条件对应的大电流、宽频段、大插入损耗的指标要求尚无法满足，因此现有的EMI滤波器设计方法还不能适应新能源汽车领域的需要。
发明内容
有鉴于此，针对上述现有技术中所存在的技术问题，本发明提供了一种高压电源电磁干扰滤波器设计方法，适用于新能源汽车高低压直流变换器，所述方法具体包括以下步骤：
步骤一、基于新能源汽车高低压DC-DC变换器的高压直流侧传导干扰测试结果，分离获取共模干扰电压，并确定滤波器的共模目标插入损耗曲线；
步骤二、依据阻抗失配原则，根据高低压DC-DC变换器的直流侧噪声源阻抗特性，选取滤波器基本拓扑结构；
步骤三、根据选定的滤波器基本拓扑结构对应阶数，基于所述共模目标插入损耗曲线，确定滤波器的级数及相应的各级转折频率；
步骤四、根据高低压DC-DC变换器的额定电压、工作电流信息，基于漏电流限值确定每一级共模电容，并基于每一级共模电容确定每一级电感。
由此即完成了滤波器的元件参数设计。
进一步地，本发明的方法还提供了包括各级电感元件及滤波器整体结构的设计：在所述步骤四中，确定滤波器的体积要求，由每一级电感确定其对应的线圈沿磁环长度l、匝数N以及线圈的截面积S。
进一步地，本发明的方法还包括步骤五：搭建滤波器样机，如果滤波器体积不能满足要求，则返回步骤三，重新选取滤波器级数及各级转折频率；
进一步地，基于漏电流的限值要求，确定每一级共模电容的值，如果单个共模电容无法满足DC-DC变换器的电压要求，则考虑多个共模电容串联使用；每一级电感L，采用以下公式计算：
Figure BDA0002476069940000011
其中，CY为该级共模电容的容值，f为该级转折频率。
进一步地，每一级电感确定其对应的线圈沿磁环长度l、匝数N以及线圈的截面积S，采用以下公式计算：
Figure BDA0002476069940000021
其中，μ0为空气磁导率，为4π*10-7H/m，μr为磁芯的相对磁导率，k为长冈系数，由绕组半径与长度的比值确定，可查相应表格获得。如果滤波器样机可以满足体积要求，则对使用了所设计滤波器的高低压DC-DC变换器的高压直流侧传导电压进行测试，如果其未满足标准限值要求，则返回步骤二，重新选取基本拓扑结构；如果满足标准限值要求，则设计完成。
进一步地，所述步骤一中确定滤波器的共模目标插入损耗曲线，基于以下公式计算：
ILx＝ULevel-ULimit+6dB
其中，ILx为滤波器的共模目标插入损耗，ULevel为高低压DC-DC变换器高压侧的共模传导干扰电压幅值，ULimit为标准规定的限值要求。
进一步地，所述步骤二中的滤波器基本拓扑结构，选取自LC、CL、CLC以及LCL四种基本拓扑结构中的任意一种。
进一步地，在所述步骤二中，若选取LC或CL结构，则在所述步骤三中确定滤波器阶数n＝2；若选取CLC或LCL，则在所述步骤三中确定滤波器结束n＝3。
进一步地，所述步骤三中滤波器级数及各级转折频率基于以下步骤确定：
在步骤一中所确定的共模目标插损曲线上，以频率值为横轴、插入损耗dB值为纵轴，做一条斜率为20n/dec的直线，使其与共模目标插损曲线相切，将该直线与横轴的交点频率记作f0，相切点处的频率记为fx，相切点处的目标插入损耗记为ILx，则满足以下公式：
Figure BDA0002476069940000022
初步选定滤波器的第一级滤波电路转折频率f1；
如果f1>f0，则通过以下公式计算第二级滤波器的转折频率f2：
Figure BDA0002476069940000023
如果f1≤f0，则在10f0～100f0范围内选取f2；
如果10MHz-108MHz频段范围内的目标插入损耗幅值较高且f2<500kHz，则增加第三级滤波器电路，并在100kHz-1MHz频段内选取第三级滤波电路转折频率f3。
(1).使用共模扼流圈的漏感及Y电容串联后的等效X电容作为差模滤波电路，在主要考虑共模传导干扰抑制的同时，兼顾了差模传导干扰抑制，提升了滤波器的功率密度。
上述本发明所提供的方法，至少具有以下有益效果：
(2).通过本发明设计的滤波器在150kHz-108MHz频带内均可实现较大的插损，更适用于新能源汽车高低压DC-DC变换器高压直流侧传导干扰的抑制需求。
(3).本方法不仅可以实现滤波器元件参数的设计，还能进一步根据高低压DC-DC变换器的电流大小、电压大小、限值要求和空间大小等，合理地调整滤波器的结构和元件参数，使滤波器更加匹配高低压DC-DC变换器的需求；
附图说明
图1为本发明所提供方法中的滤波器目标插损曲线图；
图2为本发明实施的滤波器拓扑结构图；
图3为本发明实施的滤波器的三维模型图；
图4为基于本发明的方法所设计的滤波器共模插损仿真结果；
图5为基于本发明的方法所设计的滤波器差模插损仿真结果；
图6为基于本发明的方法所设计的滤波器的高低压DC-DC变换器的传导发射测试结果。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明所提供的高压电源电磁干扰滤波器设计方法，适用于新能源汽车高低压直流变换器，所述方法具体包括以下步骤：
步骤一、基于新能源汽车高低压DC-DC变换器的高压直流侧传导干扰测试结果，分离获取共模干扰电压，并确定滤波器的共模目标插入损耗曲线；
步骤二、依据阻抗失配原则，根据高低压DC-DC变换器的直流侧噪声源阻抗特性，选取滤波器基本拓扑结构；
步骤三、根据选定的滤波器基本拓扑结构对应阶数，基于所述共模目标插入损耗曲线，确定滤波器的级数及相应的各级转折频率；
步骤四、根据高低压DC-DC变换器的额定电压、工作电流信息，基于漏电流限值确定每一级共模电容，并基于每一级共模电容确定每一级电感。
由此即完成了滤波器的元件参数设计。
在本发明的一个优选实施例中，本发明的方法还提供了包括各级电感元件及滤波器整体结构的设计：在所述步骤四中，确定滤波器的体积要求，由每一级电感确定其对应的线圈沿磁环长度l、匝数N以及线圈的截面积S。
在本发明的一个优选实施例中，本发明的方法还包括步骤五：搭建滤波器样机，如果滤波器体积不能满足要求，则返回步骤三，重新选取滤波器级数及各级转折频率；
如果滤波器样机可以满足体积要求，则对使用了所设计滤波器的高低压DC-DC变换器的高压直流侧传导电压进行测试，如果其未满足标准限值要求，则返回步骤二，重新选取基本拓扑结构；如果满足标准限值要求，则设计完成。
在本发明的一个优选实施例中，如图1所示，所述步骤一中确定滤波器的共模目标插入损耗曲线，基于以下公式计算：
ILx＝ULevel-ULimit+6dB
其中，ILx为滤波器的共模目标插入损耗，ULevel为高低压DC-DC变换器高压侧的共模传导干扰电压幅值，ULimit为标准规定的限值要求。
在本发明的一个优选实施例中，所述步骤二中的滤波器基本拓扑结构，选取自LC、CL、CLC以及LCL四种基本拓扑结构中的任意一种。
进一步地，在所述步骤二中，若选取LC或CL结构，则在所述步骤三中确定滤波器阶数n＝2；若选取CLC或LCL，则在所述步骤三中确定滤波器阶数n＝3。
在本发明的一个优选实施例中，所述步骤三中各级转折频率基于以下步骤确定：
在步骤一中所确定的共模目标插损曲线上，以频率值为横轴、插入损耗dB值为纵轴，做一条斜率为20n/dec的直线，使其与共模目标插损曲线相切，将该直线与横轴的交点频率记作f0，相切点处的频率记为fx，相切点处的目标插入损耗记为ILx，则满足以下公式：
Figure BDA0002476069940000041
初步选定滤波器的第一级滤波电路转折频率f1；
如果f1>f0，则通过以下公式计算第二级滤波器的转折频率f2：
Figure BDA0002476069940000042
如果f1≤f0，则在10f0～100f0范围内选取f2；
如果10MHz-108MHz频段范围内的目标插入损耗幅值较高且f2<500kHz，则增加第三级滤波器电路，并在100kHz-1MHz频段内选取第三级滤波电路转折频率f3。
在本发明的一个优选实施例中，基于漏电流的限值要求，确定每一级共模电容的值，如果单个共模电容无法满足DC-DC变换器的电压要求，则考虑多个共模电容串联使用；每一级电感L，采用以下公式计算：
Figure BDA0002476069940000043
其中，CY为该级共模电容的容值，f为该级转折频率。
在本发明的一个优选实施例中，每一级电感确定其对应的线圈沿磁环长度l、匝数N以及线圈的截面积S，采用以下公式计算：
Figure BDA0002476069940000051
其中，μ0为空气磁导率，为4π*10-7H/m，μr为磁芯的相对磁导率，k为长冈系数，由绕组半径与长度的比值确定，可查相应表格获得。最终设计的滤波器拓扑结构如图2所示。
在本发明的一实例中，选用的单个Y电容交流耐压值为275V，等效为直流电压约为600V，无法满足滤波器的1000V电压等级要求，因此每个Y电容需要两个Y电容串联。为减小不同级滤波电路之间的耦合，将滤波电路按照直线布置。同时为了保证滤波器的绝缘问题，使用漆包线绕制共模扼流圈，并用环氧树脂灌封，滤波器3D模型如图3所示。
根据上述滤波器设计参数，在ADS软件里建立的等效电路模型，仿真获得了电源EMI滤波器的差模插入损耗和共模插入损耗。共模插入损耗仿真结果如图4所示，在150kHz频率处插损为62dB，在150kHz-108MHz整个频段插损大于60dB。差模插入损耗仿真结果如图5所示，在2MHz-108MHz频段插损大于60dB。
根据GB/T 18655-2018，加入滤波器前后的高低压DC-DC变换器高压直流电源线传导骚扰电压试验结果，如图6所示，电机控制器高压正极电源线传导骚扰电压均值有大幅度的下降，在150kHz-108MHz频段能够满足标准限值等级5的要求。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种高压电源电磁干扰滤波器设计方法，适用于新能源汽车高低压直流变换器，其特征在于：所述方法具体包括以下步骤：
步骤一、基于新能源汽车高低压DC-DC变换器的高压直流侧传导干扰测试结果，分离获取共模干扰电压，并确定滤波器的共模目标插入损耗曲线；
所述步骤一中确定滤波器的共模目标插入损耗曲线，基于以下公式计算：
ILx＝ULevel-ULimit+6dB
其中，ILx为滤波器的共模目标插入损耗，ULevel为高低压DC-DC变换器高压侧的共模传导干扰电压幅值，ULimit为标准规定的限值要求；
步骤二、依据阻抗失配原则，根据高低压DC-DC变换器的直流侧噪声源阻抗特性，选取滤波器基本拓扑结构；
步骤三、根据选定的滤波器基本拓扑结构对应阶数，基于所述共模目标插入损耗曲线，确定滤波器的级数及相应的各级转折频率；
步骤四、根据高低压DC-DC变换器的额定电压、工作电流信息，基于漏电流限值确定每一级共模电容，并基于每一级共模电容确定每一级电感；在所述步骤四中，确定滤波器的体积要求，由每一级电感确定其对应的线圈沿磁环长度l、匝数N以及线圈的截面积S。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：基于漏电流的限值要求，确定每一级共模电容的值，如果单个共模电容无法满足DC-DC变换器的电压要求，则考虑多个共模电容串联使用；每一级电感L，采用以下公式计算：
Figure FDA0002476069930000011
其中，CY为该级共模电容的容值，f为该级转折频率。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：每一级电感确定其对应的线圈沿磁环长度l、匝数N以及线圈的截面积S，采用以下公式计算：
Figure FDA0002476069930000012
其中，μ0为空气磁导率，为4π*10-7H/m，μr为磁芯的相对磁导率，k为长冈系数，由绕组半径与长度的比值确定，可查相应表格获得。
4.如权利要求1至3任一项所述的方法，其特征在于：本发明的方法还包括：
步骤五、搭建滤波器样机，如果滤波器体积不能满足要求，则返回步骤三，重新选取滤波器级数及各级转折频率；
如果滤波器样机可以满足体积要求，则对使用了所设计滤波器的高低压DC-DC变换器的高压直流侧传导电压进行测试，如果其未满足标准限值要求，则返回步骤二，重新选取基本拓扑结构；如果满足标准限值要求，则设计完成。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于：所述步骤二中的滤波器基本拓扑结构，选取自LC、CL、CLC以及LCL四种基本拓扑结构中的任意一种。
6.如权利要求4所述的方法，其特征在于：在所述步骤二中，若选取LC或CL结构，则在所述步骤三中确定滤波器阶数n＝2；若选取CLC或LCL，则在所述步骤三中确定滤波器阶数结构n＝3。
7.如权利要求4所述的方法，其特征在于：所述步骤三中滤波器级数和各级转折频率基于以下步骤确定：
在步骤一中所确定的共模目标插损曲线上，以频率值为横轴、插入损耗dB值为纵轴，做一条斜率为20n/dec的直线，使其与共模目标插损曲线相切，将该直线与横轴的交点频率记作f0，相切点处的频率记为fx，相切点处的目标插入损耗记为ILx，则满足以下公式：
Figure FDA0002476069930000021
初步选定滤波器的第一级滤波电路转折频率f1；
如果f1>f0，则通过以下公式计算第二级滤波器的转折频率f2：
Figure FDA0002476069930000022
如果f1≤f0，则在10f0～100f0范围内选取f2；
如果10MHz-108MHz频段范围内的目标插入损耗幅值较高且f2<500kHz，则增加第三级滤波器电路，并在100kHz-1MHz频段内选取第三级滤波电路转折频率f3。
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