CN111478578A

CN111478578A - 一种新能源汽车电机控制器高压直流电源电磁干扰滤波器

Info

Publication number: CN111478578A
Application number: CN202010366895.6A
Authority: CN
Inventors: 翟丽; 吕梦圆; 胡桂兴; 高洪民; 李爱青
Original assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Current assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Priority date: 2020-04-30
Filing date: 2020-04-30
Publication date: 2020-07-31

Abstract

本发明提供了一种新能源汽车电机控制器高压直流电源电磁干扰滤波器，通过多个电路元件的配合，在滤波器中形成了兼具共模滤波器与差模滤波器的结构，能够对电机控制器高压电源线上的共模干扰和差模干扰同时实现有效抑制，克服了现有技术中所存在的EMI抑制效果难以满足实际要求的缺陷。

Description

一种新能源汽车电机控制器高压直流电源电磁干扰滤波器

技术领域

本发明涉及电磁干扰(EMI)滤波技术领域，特别是涉及一种新能源汽车电机控制器高压直流电源电磁干扰滤波器。

背景技术

当前，电机控制器作为一种新能源汽车的关重部件，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EMI，现有技术中所采用的抑制手段主要有PWM控制策略优化、系统结构优化、安装EMI滤波器三种方法。PWM控制策略优化方法较多用于减小共模干扰，但对差模干扰欠缺减小作用。系统结构优化方法通常采用逆变器拓扑结构和电机定子绕组结构优化方法，来减小共模干扰，这种方法也不能有效地减小差模干扰；另外，这种方法需要重新进行系统设计，周期较长，难度较大。在电机控制器直流电源输入端口安装滤波器是抑制电机控制器电源EMI有效方法，电源EMI滤波器包括有源滤波器、无源滤波器和混合滤波器。有源滤波器和混合滤波器结构复杂、其电子控制单元和信号采集单元的特性会限值高频EMI抑制效果，对环境适用性也要求较高。无源滤波器是抑制电源EMI的最常用、便于工程实现的方法，但由于新能源汽车与其他工业应用场合对应的电压、频率、插入损耗等多项指标要求均存在巨大差异，因此现有EMI滤波手段尚不能满足新能源汽车应用的需要。虽然在一些现有技术中，如专利CN108566081B中公开了具有不确定级数的多级电磁干扰滤除装置，能够根据滤波原理、安装滤波器元件的装置，适用于现场测试电磁干扰抑制效果，但其仅能为后续滤波器设计提供简单依据，对如何针对新能源汽车电机控制器进行适合的设计与改进，尚缺乏必要的技术教导。

发明内容

有鉴于此，针对以上本领域中存在的技术问题，本发明提供了一种新能源汽车电机控制器高压直流电源电磁干扰滤波器，该滤波器包括：作为高压直流母线的正极铜条与负极铜条、第一级差模电容C_X1、第一级共模电容组C_Y1和C_Y2、电阻R₁、第一级超微晶磁环和铁氧体磁环、第二级差模电容C_X2、第二级共模电容组C_Y3和C_Y4、第二级超微晶磁环和铁氧体磁环、第三级差模电容C_X3、第三级共模电容组C_Y5和C_Y6、以及机壳；

其中，由所述正极铜条、负极铜条的输入端至输出端，上述部件依次设置为：

第一级差模电容C_X1的两端分别与正极铜条和负极铜条连接；第一级共模电容C_Y1与C_Y2的一端均与机壳连接，C_Y1与C_Y2各自不相互连接的另一端分别连接正极铜条和负极铜条；电阻R₁的两端分别与正极铜条和负极铜条连接；第二级差模电容C_X2两端分别与正极铜条和负极铜条连接；第二级共模电容C_Y3与C_Y4的一端均与机壳连接，C_Y3与C_Y4各自不相互连接的另一端分别连接正极铜条和负极铜条；第三级差模电容C_X3两端分别与正极铜条和负极铜条连接；第三级共模电容C_Y5与C_Y6的一端均与机壳连接，C_Y5与C_Y6各自不相互连接的另一端分别连接正极铜条和负极铜条；

第一级超微晶磁环和铁氧体磁环套设于正极铜条与负极铜条上，在电阻R₁与第二级差模电容C_X2之间形成电感L₁；第二级超微晶磁环和铁氧体磁环套设于正极铜条与负极铜条上，在第二级共模电容C_Y3、C_Y4与第三级差模电容C_X3之间形成电感L₂。

本发明所提供的滤波器在使用时，将电机控制器的正负母线端子与正极铜条、负极铜条的输入端连接，并且将直流供电电源的正负电缆端子与正极铜条、负极铜条的输出端连接，即可实现有效的EMI屏蔽作用。

进一步地，上述滤波器中的多个部件，分别构成了共模滤波器与差模滤波器。其中，共模滤波器由正极铜条、负极铜条、第一级共模电容C_Y1与C_Y2、电感L₁、第二级共模电容C_Y3与C_Y4、电感L₂、第三级共模电容C_Y5与C_Y6，以及机壳组成；差模滤波器由正极铜条、负极铜条、第一级差模电容C_X1、电阻R₁、电感L₁的漏感L₃、第二级差模电容C_X2、电感L₂的漏感L₄、第三级差模电容C_X3，以及机壳组成。

进一步地，所述正极铜条与负极铜条的外表面均设置于绝缘膜，并通过螺丝固定于绝缘支座上，设置于所述机壳内。

进一步地，所述滤波器适用的输入直流电压范围在200V～900V之间，输入直流电流不小于300A。

上述本发明所提供的新能源汽车电机控制器高压直流电源电磁干扰滤波器，通过多个电路元件的配合，在滤波器中形成了兼具共模滤波器与差模滤波器的结构，能够对电机控制器高压电源线上的共模干扰和差模干扰同时实现有效抑制，克服了现有技术中所存在的EMI抑制效果难以满足实际要求的缺陷。利用超微晶磁环与铁氧体磁环结合分别构成两级电感，在实现良好滤波效果的同时还兼顾了系统的整体性优化设计，从而使本发明具有了现有技术中所不具备的诸多有益效果。

附图说明

图1为本发明所提供的滤波器电路拓扑结构图；

图2为本发明所提供的滤波器立体结构图；

图3为本发明所提供滤波器中的共模干扰抑制等效电路；

图4为本发明所提供滤波器中的差模干扰抑制等效电路；

图5为本发明一实例中的滤波器共模插入损耗仿真结果；

图6为本发明一实例中的滤波器差模插入损耗仿真结果；

图7为本发明一实例中的电机控制器的传导发射测试结果。

图中：1、绝缘支座，2、第一级超微晶磁环，3、第二级超微晶磁环，4、电磁防护连接器，5、第三级差模电容CX3，6、第二级铁氧体磁环，7、第二级差模电容CX2，8、第一级铁氧体磁环，9、第一级差模电容CX1。

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新能源汽车电机控制器高压直流电源电磁干扰滤波器，如图1和2所示，该滤波器包括：作为高压直流母线的正极铜条与负极铜条、第一级差模电容C_X1、第一级共模电容组C_Y1和C_Y2、电阻R₁、第一级超微晶磁环和铁氧体磁环、第二级差模电容C_X2、第二级共模电容组C_Y3和C_Y4、第二级超微晶磁环和铁氧体磁环、第三级差模电容C_X3、第三级共模电容组C_Y5和C_Y6、以及机壳；

滤波器具有共模滤波器与差模滤波器，其中，共模滤波器由正极铜条、负极铜条、第一级共模电容C_Y1与C_Y2、电感L₁、第二级共模电容C_Y3与C_Y4、电感L₂、第三级共模电容C_Y5与C_Y6，以及机壳组成；差模滤波器由正极铜条、负极铜条、第一级差模电容C_X1、电阻R₁、电感L₁的漏感L₃、第二级差模电容C_X2、电感L₂的漏感L₄、第三级差模电容C_X3，以及机壳组成。其对共模干扰及差模干扰的电磁干扰抑制如图3和4所示，在共模干扰源U_CM的作用下，产生共模干扰电流，如图3所示的共模干扰抑制电路可以抑制共模干扰电流。第一路共模干扰电流I_CM1通过共模电容C_Y1流入机壳；第二路共模干扰电流I_CM2通过由超微晶磁环和铁氧体磁环组成的电感L₁衰减，之后分为两路，第一路I_CM3通过共模电容C_Y3流入机壳，第二路I_CM4通过由超微晶磁环和铁氧体磁环组成的电感L₂衰减，之后分为两路，第一路I_CM5通过共模电容C_Y5流入机壳，第二路电流I_CM6流向输出端。第一路共模干扰电流I_CM7通过共模电容C_Y2流入机壳；第二路共模干扰电流I_CM8通过由超微晶磁环和铁氧体磁环组成的电感L₁衰减，之后分为两路，第一路I_CM9通过共模电容C_Y4流入机壳，第二路I_CM10通过由超微晶磁环和铁氧体磁环组成的电感L₂衰减，之后分为两路，第一路I_CM11通过共模电容C_Y6流入机壳，第二路I_CM12电流流向输出端。

在差模干扰源U_DM的作用下，产生差模干扰电流，如图4所示的差模干扰抑制电路可以抑制差模干扰电流。第一路差模干扰电流I_DM1通过电容C_X1之后流入负极；第二路差模干扰电流I_DM2通过电感L₁的漏感L₃衰减之后分为两路，第一路I_DM3通过电容C_X2之后流入干扰源U_DM负极，第二路差模干扰电流I_DM4通过电感L₂的漏感L₄衰减之后分为两路，第一路I_DM5通过电容C_X3流入负极，第二路I_DM6流入输出端，之后流入负极。

在本发明的一优选实施例中，根据插入损耗60dB的设计需求，共模滤波电路为两极π型结构，电感L₁、L₂均由一个超微晶磁环和一个铁氧体磁环组成，其感量为在10kHz时测量值为47uH，三级Y电容均选择0.22uF的安规电容；差模滤波电路选择使用差模电容C_X1和C_X2和C_X3分别与由超微晶磁环和铁氧体磁环组成的电感L₁、L₂的漏感L₃、L₄共同构成两级π型电路，三个X电容容值均为10uF，磁环漏感约为其电感量的2％，0.94uH。电容的电压等级大于600V；铜条尺寸271mm*25mm*5mm，可以承载300A电流；机壳采用镀锡铝板，厚度为2mm；机壳上有2个输入和2个输出线缆电磁防护连接器。

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5所示，在150kHz频率处插损为68.9dB，插损在150kHz-108MHz频段大于60dB。差模插入损耗仿真结果如图6所示，在150kHz频率处插损为107.6dB,插损在150kHz-108MHz频段大于60dB。

根据GB/T 18655-2018,加入滤波器的电机控制器高压直流电源线的传导电压实验结果，如图7所示，电机控制器高压正极电源线传导电压峰值和均值均有大幅度的下降，满足GB/T 18655-2018限值3。

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

1.一种新能源汽车电机控制器高压直流电源电磁干扰滤波器，其特征在于：该滤波器包括：作为高压直流母线的正极铜条与负极铜条、第一级差模电容C_X1、第一级共模电容组C_Y1和C_Y2、电阻R₁、第一级超微晶磁环和铁氧体磁环、第二级差模电容C_X2、第二级共模电容组C_Y3和C_Y4、第二级超微晶磁环和铁氧体磁环、第三级差模电容C_X3、第三级共模电容组C_Y5和C_Y6、以及机壳；

2.如权利要求1所述的滤波器，其特征在于：滤波器中的多个部件分别构成了共模滤波器与差模滤波器，其中，共模滤波器由正极铜条、负极铜条、第一级共模电容C_Y1与C_Y2、电感L₁、第二级共模电容C_Y3与C_Y4、电感L₂、第三级共模电容C_Y5与C_Y6，以及机壳组成；差模滤波器由正极铜条、负极铜条、第一级差模电容C_X1、电阻R₁、电感L₁的漏感L₃、第二级差模电容C_X2、电感L₂的漏感L₄、第三级差模电容C_X3，以及机壳组成。

3.如权利要求1所述的滤波器，其特征在于：所述正极铜条与负极铜条的外表面均设置于绝缘膜，并通过螺丝固定于绝缘支座上，设置于所述机壳内。

4.如权利要求1所述的滤波器，其特征在于：所述滤波器适用的输入直流电压范围在200V～900V之间，输入直流电流不小于300A。