CN111478576B - 一种滤波器设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种滤波器设计方法，适用于新能源汽车电机控制器中的高压直流电源电磁干扰抑制，其不仅可以实现滤波器元件参数的设计，还能进一步根据电机控制器的电流大小、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，使滤波器更加匹配电机控制器的需求；设计中采用了空芯电感作为滤波器的电感元件，相比于常规的磁芯结构，降低了电感工作时的损耗，并且避免了大电流时磁芯的饱和问题；采用差模电感与共模电容的组合作为滤波器的基本电路，使得差共模滤波电路的转折频点一致，无需差共模分别设计，简化了滤波器的设计流程。

Description

一种滤波器设计方法
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电机控制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，电机控制器作为一种新能源汽车的关键部件，普遍采用功率半导体器件(如IGBT等)进行脉冲宽度调制(PWM)控制，来实现对电机控制器输出三相电压的调节。功率半导体器件的快速通断产生较高的电流变化率di/dt和电压变化率du/dt，会产生不期望的电磁噪声，不仅会影响车内外无线电接收设备，也会通过高压电源线影响其他车载高低压部件。此外，电机驱动系统产生的这种电磁噪声，不仅会使自身设备不能满足EMC标准限值要求，还会导致整车不能满足EMC标准限值要求。
为了抑制这种电机控制器功率半导体器件通断带来的电磁干扰，在电机控制器高压直流电源线上安装EMI滤波器是较为有效的方法。目前常用的EMI滤波器的设计方法主要有：工程试验法、基于滤波器转折频率的设计方法等。然而，工程试验法虽然是当前电磁兼容处理中被采用最多的方法，但由于其缺乏滤波器设计理论，需要经过反复多轮的试验才能确定滤波器拓扑和参数，整改周期长，成本高；基于滤波器转折频率的设计方法虽然具有可依据的理论，但还需要配合传导干扰测试及调试计算的过程，也比较复杂。
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，本发明提供了一种滤波器设计方法，适用于新能源汽车电机控制器中的高压直流电源电磁干扰，所述方法具体包括以下步骤：
步骤一、基于新能源汽车电机控制器高压直流侧传导干扰测试结果，确定滤波器的目标插入损耗曲线；
步骤二、依据阻抗失配原则，根据电机驱动系统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、根据电机驱动系统额定电压、工作电流等信息确定差模电感，并基于所确定的差模电感确定各级共模电容。
由此即完成了滤波器中各级元件的参数设计。
进一步地，在实现滤波器的参数设计基础上，本发明在方法中还提供了相应的滤波器元件如作为差模电感的空芯电感以及整体的结构设计，具体包括：
在步骤四中，还确定滤波器的体积要求，由所述电流等级确定作为差模电感的空芯电感线径，根据滤波器的级数和体积要求确定每一级空芯电感的线圈长度l、匝数N以及绕组截面直径D。
进一步地，作为差模电感的每一级空芯电感L的线圈长度l、匝数N以及绕组截面直径D，采用以下公式计算：
Figure BDA0002476388120000021
对于每一级电路中的共模电容，采用以下公式计算：
Figure BDA0002476388120000022
其中，f为该级转折频率。
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；
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电机驱动系统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，所述步骤二中的滤波器基本拓扑结构，选取自LC(电感-电容)、CL(电容-电感)、CLC(电容-电感-电容)以及LCL(电感-电容-电感)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。
进一步地，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 BDA0002476388120000023
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 BDA0002476388120000024
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。
上述本发明所提供的方法，至少具有以下有益效果：
(1).本方法不仅可以实现滤波器元件参数的设计，还能进一步根据电机控制器的电流大小、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，使滤波器更加匹配电机控制器的需求；
(2).采用空芯电感作为滤波器的电感元件，相比于常规的磁芯结构，降低了电感工作时的损耗，并且避免了大电流时磁芯的饱和问题；
(3).采用差模电感与共模电容的组合作为滤波器的基本电路，使得差共模滤波电路的转折频点一致，无需差共模分别设计，简化了滤波器的设计流程。
附图说明
图1为本发明所提供的滤波器设计方法流程图；
图2为本发明所提供方法中的滤波器目标插损曲线图；
图3为作为差模电感的空芯电感三维模型图；
图4为本发明实施的滤波器拓扑结构图；
图5为本发明实施的滤波器的三维模型图；
图6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7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8为基于本发明的方法所设计的滤波器的电机控制器的传导发射测试结果。
图中，1、壳体，2、0.64uH空芯电感，3、绝缘垫，4、连线，5、1MΩ电阻，6、100uF Y电容，7、10uF Y电容，8、2.2uF Y电容。
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。
本发明所提供的一种滤波器设计方法，适用于新能源汽车电机控制器中的高压直流电源电磁干扰抑制，如图1所示，所述方法具体包括以下步骤：
步骤一、基于新能源汽车电机控制器高压直流侧传导干扰测试结果，确定滤波器的目标插入损耗曲线；
步骤二、依据阻抗失配原则，根据电机驱动系统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、根据电机驱动系统额定电压、工作电流等信息确定差模电感，并基于所确定的差模电感确定各级共模电容。
由此即完成了滤波器中各级元件的参数设计。
进一步地，在实现滤波器的参数设计基础上，本发明在方法中还提供了相应的滤波器元件如作为差模电感的如图3所示的空芯电感以及整体的结构设计，具体包括：
在步骤四中，还确定滤波器的体积要求，由所述电流等级确定作为差模电感的空芯电感线径，根据滤波器的级数和体积要求确定每一级空芯电感的线圈长度l、匝数N以及绕组截面直径D。
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电机驱动系统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，所述步骤一中确定滤波器的目标插入损耗曲线，基于以下公式计算：
ILx＝ULevel-ULimit+6dB
其中，ILx为滤波器的目标插入损耗，ULevel为电机控制器的传导干扰电压幅值，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(电感-电容)、CL(电容-电感)、CLC(电容-电感-电容)以及LCL(电感-电容-电感)四种基本拓扑结构中的任意一种。
在本发明的一个优选实施例中，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：
如图2所示，在步骤一中所确定的目标插损曲线上，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 BDA0002476388120000041
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 BDA0002476388120000042
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，作为差模电感的每一级空芯电感L的线圈长度l、匝数N以及绕组截面直径D，采用以下公式计算：
Figure BDA0002476388120000051
对于每一级电路中的共模电容，采用以下公式计算：
Figure BDA0002476388120000052
其中，f为该级转折频率。
在本发明的一实例中，基于额定电压为336V，额定电流为125A的电机驱动系统高压直流电源进行设计，为留有一定裕量，选择滤波器的额定电压为336V×1.25＝420V，额定电流为125A×1.25＝156A。
因此通过查询电气手册中电流与线径对应表，选择使用直径为8mm的实心铜线绕制空芯电感，并在铜线表面镀锡，防止其氧化。
选定三级滤波电路的空芯电感L1～L6感量相同，根据滤波器的体积要求，选定绕组的平均直径取为5cm，线圈长度取为4.1cm,匝数取为4，根据公式计算得到空芯电感电感量为L1～L6＝0.64uH。
由步骤三可知，f1＝20kHz，f2＝60kHz，f3＝130kHz，并根据公式五可计算求得第一级滤波电路Y电容Cy1＝Cy2＝98.9uF，选定为100uF；第二级滤波电路Y电容Cy3＝Cy4＝11uF，选定为10uF；第三级滤波电路Y电容Cy5＝Cy6＝2.3uF，选定为2.2uF。同时，在每个电容旁并联阻值为1MΩ的吸收电阻。最终滤波器拓扑及参数如图4所示。
设计好的滤波器元件在安装过程中，为了减小滤波器每一级空心电感之间的噪声耦合，三级滤波电路的空心电感呈直线分布，Y电容直接布置在电感下面，并且引脚就近与电感以及滤波器外壳连接。同时为了保证滤波器的绝缘问题，在空芯电感外面包裹滤波器专用的绝缘青壳纸，并用环氧树脂灌封，滤波器三维模型如图5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6所示，在150kHz频率处插损为52dB，在150kHz-108MHz整个频段插损大于50dB。差模插入损耗仿真结果如图7所示，在150kHz频率处插损为50dB，在150kHz-108MHz整个频段插损大于50dB。
根据GB/T 18655-2018，加入滤波器前后的电机控制器高压直流电源线传导骚扰电压试验结果，如图8所示，电机控制器高压正极电源线传导骚扰电压峰值和均值均有大幅度的下降，在150kHz-108MHz频段能够满足标准限值等级3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 (5)

1.一种滤波器设计方法，适用于新能源汽车电机控制器中的高压直流电源电磁干扰，其特征在于：所述方法具体包括以下步骤：
步骤一、基于新能源汽车电机控制器高压直流侧传导干扰测试结果，确定滤波器的目标插入损耗曲线；
步骤二、依据阻抗失配原则，根据电机驱动系统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，具体包括：
在步骤一中所确定的目标插入损耗曲线上，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，使其与目标插入损耗曲线相切，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 FDA0002887684740000011
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 FDA0002887684740000012
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；
步骤四、根据电机驱动系统额定电压、工作电流信息确定差模电感，并基于所确定的差模电感确定各级共模电容；
在所述步骤四中，确定滤波器的体积要求，由所述电流等级确定作为差模电感的空芯电感线径，根据滤波器的级数和体积要求确定每一级空芯电感L的线圈长度l、匝数N以及绕组截面直径D。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：作为差模电感的每一级空芯电感L的线圈长度l、匝数N以及绕组截面直径D，采用以下公式计算：
Figure FDA0002887684740000013
对于每一级电路中的共模电容，采用以下公式计算：
Figure FDA0002887684740000014
其中，f为该级转折频率。
3.如权利要求1或2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电机驱动系统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。
4.如权利要求3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。
5.如权利要求3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n＝3。
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