CN112165311A - 接入电力电子变换器系统接地回路的有源emi滤波器及系统 - Google Patents

接入电力电子变换器系统接地回路的有源emi滤波器及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种接入电力电子变换器系统接地回路的有源EMI滤波器及系统，属于电力电子装置传导EMI抑制技术领域，包括：供电电路，其电源地与电力电子变换器系统的直流母线中点相连；反相放大器，其反相输入端通过第一电阻R1与电力电子变换器系统中的负载外壳相连接，其正相输入端与供电电路的电源地相连，第一电阻R1与负载的连接端通过第二电容C2接地；电流放大电路，其输入端与反相放大器的输出端相连，其输出端通过第一电容C1接地；供电电路与反相放大器和电流放大电路相连，反相放大器的反相输入端还与电流放大电路的输出端相连。本发明在抑制电力电子变换器的电磁干扰的同时，减小EMI滤波器的体积，进而减小整个电力电子变换器的体积。

Description

接入电力电子变换器系统接地回路的有源EMI滤波器及系统
技术领域
本发明属于电力电子装置传导EMI抑制技术领域，更具体地，涉及一种接入电力电子变换器系统接地回路的有源EMI滤波器及系统。
背景技术
电力电子装置因其优越的性能现在已经广泛应用于电动汽车、不间断电源、新能源并网等场景中。然而由于电力电子装置工作在开关状态，在电力电子器件开通、关断过程中，会产生快速变化的电压、电流脉冲，从而产生严重的电磁干扰。为保证系统的可靠运行，必须对电力电子装置产生的电磁干扰加以抑制，将电磁干扰值限制在标准规定的范围内。
对于传导电磁干扰根据其传播路径可以分为差模干扰、共模干扰。共模电磁干扰在整个系统内传播，相对来说较为复杂。工程上通常在主回路中加入共模EMI滤波器，以实现共模电磁干扰的抑制。
传统的加入在主电路中的共模EMI滤波器往往包含电感，由于主回路中的功率电流较大，为了承受主回路中的功率电流，绕制电感的导线截面积较大，绕制电感所用的磁芯体积也较大，这导致了共模EMI滤波器的整体体积较大，在抑制共模电磁干扰的同时，会降低系统的功率密度。
发明内容
针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种接入在电力电子变换器系统接地回路中的有源EMI滤波器及系统，其目的在于，在抑制电力电子变换器的电磁干扰的同时，减小EMI滤波器的体积。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种接入电力电子变换器系统接地回路的有源EMI滤波器，用于抑制电力电子变换器系统的电磁干扰，包括：第一电阻R1、第一电容C1、第二电容C2、反相放大器、电流放大电路以及供电电路；
供电电路与反相放大器和电流放大电路相连，供电电路的电源地与电力电子变换器系统的直流母线中点相连；
反相放大器的反相输入端通过第一电阻R1与电力电子变换器系统中的负载外壳相连接，反相放大器的正相输入端与供电电路的电源地相连，第一电阻R1与负载的连接端通过第二电容C2接地；反相放大器的反相输入端还与电流放大电路的输出端相连；
电流放大电路的输入端与反相放大器的输出端相连，电流放大电路的输出端通过第一电容C1接地。
本发明所提供的接入电力电子变换器系统接地回路的有源EMI滤波器，由于其是在电力电子变换器系统的接地回路中实现对电磁干扰的抑制的，仅需承受接地回路中的共模漏电流，远小于主回路中的功率电流，因此，本发明能够在抑制电力电子变换器系统中电磁干扰的情况下，有效减小EMI滤波器的体积，进而有效减小整个电力电子变换器系统的体积。
进一步地，第一电容C1和第二电容C2相等，由此能够使电力电子变换器直流侧的共模电流理想情况下为0，从而充分抑制电力电子变换器的共模电磁干扰。
进一步地，第一电容C1和第二电容C2均为nF级别，由此能够使得第一电容C1和第二电容C2这两个电容接近电力电子变换器对地的寄生电容。
进一步地，第一电阻R1小于预设的阈值。
本发明在设置第一电容C1和第二电容C2相等，且均为nF级别的基础上，将第一电阻R1设置为一个较小的值，能够使电力电子变换器系统中负载外壳的电压维持在较低的水平，以避免发生触电等危险情况，并进一步减小EMI滤波器的体积。
进一步地，本发明提供的接入电力电子变换器系统接地回路的有源EMI滤波器，还包括第二电阻R2，且第二电阻R2设置在反相放大器的反相输入端与电流放大电路的输出端之间。
进一步地，反相放大器、电流放大电路以及供电电路中均不包含电感。
本发明所提供的接入电力电子变换器系统接地回路的有源EMI滤波器，其自身并不包含电感，能够在抑制共模EMI的同时，有效减小EMI滤波器的体积。
进一步地，电流放大电路包括：第一二极管D1，第二二极管D2，第一三极管Q1，第二三极管Q2，第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6；
第一二极管D1的负极与第二二极管D2的正极相连，形成电流放大电路的输入端；
第五电阻R5和第六电阻R6串联，且第一三极管Q1的发射极和第二三极管Q2的发射极通过串联的第五电阻R5和第六电阻R6相连，第五电阻R5和第六电阻R6的连接端形成电流放大电路的输出端；
第一二极管D1的正极与第一三极管Q1的基极相连后与第三电阻R3的一端相连，第三电阻R3的另一端以及第一三极管Q1的集电极与供电电路的电源正极相连；
第二二极管D2的负极与第二三极管Q2的基极相连后与第四电阻R4的一端相连，第四电阻R4的另一端以及第二三极管Q2的集电极与供电电路的电源负极相连。
按照本发明的另一个方面，提供了一种电力电子变换器系统，其接地回路中接入了有源EMI滤波器，该有源滤波器为本发明提供的接入电力电子变换器接地回路的有源EMI滤波器。
本发明所提供的电力电子变换器系统，利用接入其接地回路中的有源EMI滤波器实现共模EMI的干扰，由于该有源EMI滤波器体积较小，整个电力电子变换器系统的整体体积较小。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
(1)本发明所提供的接入电力电子变换器系统接地回路的有源EMI滤波器，由于其是在电力电子变换器的接地回路中实现对电磁干扰的抑制的，仅需承受接地回路中的共模漏电流，远小于主回路中的功率电流，因此，本发明能够在抑制电力电子变化器中电磁干扰的情况下，有效减小由于EMI滤波器的体积，进而有效减小整个电力电子变换器系统的体积。
(2)本发明所提供的接入电力电子变化器系统接地回路中的有源EMI滤波器，在其优选方案中，通过对电容和电阻的设置，能够使得电力电子变换器系统负载的外壳电压维持在较低的水平，有效避免触电等危险情况发生，并进一步减小EMI滤波器的体积。
附图说明
图1为本发明实施例提供的三相两电平电力电子变换器系统示意图；
图2为本发明实施例提供的接入电力电子变换器系统接地回路的有源EMI滤波器示意图；
图3为本发明实施例提供的电力电子变换器系统示意图；
图4为本发明实施例提供的电力电子变换器系统的等效电路图；
图5为本发明实施例提供的加入有源EMI滤波器前、后电力电子变换器的共模EMI测试结果对比示意图；
图6为本发明实施例提供的加入有源EMI滤波器后电力电子变换器的电机外壳电压和有源EMI滤波器的输出电流示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
在本发明中，本发明及附图中的术语“第一”、“第二”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。
电力电子变换器系统的结构示如图1所示，其中包括直流电源、三相变换器、散热器和负载，为了进行EMI测试，本发明还加入了用于EMI测试的线路阻抗稳定网络(LISN)。图1中，电力电子变换器的散热器和负载机壳接地，系统中的共模电流由逆变器对散热器的寄生电容和负载产生。在实际应用中，电力电子变换器系统的负载可以是电机，也可以接电网，也可以是其他类型的负载，不失一般性地，在以下实施例中，均以电机作为负载为例进行说明。
以下为实施例。
实施例1：
一种接入电力电子变换器系统接地回路的有源EMI滤波器，用于抑制电力电子变换器的电磁干扰，如图2和图3所示，包括：第一电阻R1、第一电容C1、第二电容C2、反相放大器、电流放大电路以及供电电路；
供电电路与反相放大器和电流放大电路相连，供电电路的电源地与电力电子变换器系统的直流母线中点相连；
反相放大器的反相输入端通过第一电阻R1与电力电子变换器系统中的电机外壳相连接，反相放大器的正相输入端与供电电路的电源地相连，第一电阻R1与电机外壳的连接端通过第二电容C2接地；反相放大器的反相输入端还与电流放大电路的输出端相连；
电流放大电路的输入端与反相放大器的输出端相连，电流放大电路的输出端通过第一电容C1接地；
为了充分抑制电力电子变换器的共模EMI，本实施例中，第一电容C1和第二电容C2相等；
为了使电机外壳的维持较低的电压，以避免发生触电等危险情况，在本实施例中，第一电容C1和第二电容C2均为nF级别，并且第一电阻R1小于预设的阈值；该阈值可根据实际的电力电子变换器系统的特性以及所要求的负载外壳电压限值设定，可选地，在本实施例中，该阈值设定为5Ohms；
本实施例中，反相放大器、电流放大电路以及供电电路中均不包含电感；
作为一种可选的实施方式，本实施例还包括第二电阻R2，且第二电阻R2设置在反向放大器的反相输入端与电流放大电路的输出端之间；
作为一种可选的实施方式，本实施例中，电流放大电路包括：第一二极管D1，第二二极管D2，第一三极管Q1，第二三极管Q2，第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6；其中的
第一二极管D1的负极与第二二极管D2的正极相连，形成电流放大电路的输入端；
第五电阻R5和第六电阻R6串联，且第一三极管Q1的发射极和第二三极管Q2的发射极通过串联的第五电阻R5和第六电阻R6相连，第五电阻R5和第六电阻R6的连接端形成电流放大电路的输出端；两个三极管通过串联的第五电阻R5和第六电阻R6相连，能够防止电流放大电路运行时发生温漂；
第一二极管D1的正极与第一三极管Q1的基极相连后与第三电阻R3的一端相连，第三电阻R3的另一端以及第一三极管Q1的集电极与供电电路的电源正极(+Vcc)相连；
第二二极管D2的负极与第二三极管Q2的基极相连后与第四电阻R4的一端相连，第四电阻R4的另一端以及第二三极管Q2的集电极与供电电路的电源负极(-Vcc)相连；
其中的第三电阻R3、第四电阻R4用于产生偏置电压；
应当说明的是，此处电流方法电路的结构仅为本发明的一种可选的实施方式，在本发明其他的一些实施例中，也可以采用其他不包含电感的电流放大电路。
本实施例提供的接入电力电子变换器系统接地回路的有源EMI滤波器，可以在较为有效抑制系统运行时产生的共模EMI的同时够维持较低的机壳电压；其设计流程简单，所占用的体积较小，能够有效较低EMI滤波器的体积，提升系统的功率密度。
实施例2：
一种电力电子变换器系统，如图3所示，其接地回路中接入了有源EMI滤波器，该有源EMI滤波器为上述实施例1提供的接入电力电子变换器接地回路的有源EMI滤波器。
本实施例所提供的电力电子变换器系统，利用接入其接地回路中的有源EMI滤波器实现共模EMI的抑制，由于该有源EMI滤波器体积较小，整个电力电子变换器系统的整体体积较小。
以下对上述实施例1所提供的接入电力电子变换器接地回路的有源EMI滤波器抑制共模EMI的相关原理进行简要解释。
上述实施例1所提供的有源EMI滤波器接入电力电子变换器后，其等效电路图如图4所示，根据图4所示的等效电路图可以推导出此时的共模电流和机壳电压；图4中VCM是整个系统的共模电压源，图中的V1、V2和V3是对地电压，ZCM是负载的等效共模阻抗，ZLISN是并联LISN的等效共模阻抗。在这里认为电流放大器工作在理想情况下，同时根据运算放大器的虚短、虚断理论可以得到以下等式：
Figure BDA0002678537190000081
式中，ω表示角频率；这里设置R1＝R2，通过化简，可以得到此时直流侧的共模电流为：
Figure BDA0002678537190000082
此时，可以看出如果C1＝C2，那么直流侧的共模电流ILISN在理论上为0，即系统此时的共模EMI可以得到充分的抑制。
对于系统的机壳电压来说，设置临时变量A，其表达式如下：
A＝(jωC1-jωC2)/(2·jωC1+1/ZLISN)；
那么可以得到此时系统的机壳电压V2为：
Figure BDA0002678537190000083
从上面的推导可知，当C1＝C2时，共模电流可以得到较好的抑制，此时A＝0；因为ZCM在EMI低频段可以认为是一个电容，这样ZCM*jwC2可以认为是jwC2/jwCCM；通常情况下，负载的等效共模阻抗ZCM可以认为是一个nF级别的电容，通过设置C1和C2均为nF级别，则C2接近于负载的等效共模阻抗ZCM时，R1*ZCM*jwC2约等于R1；又由于R1的值远小于ZCM，可以忽略，最终，机壳电压可以化简为：
Figure BDA0002678537190000084
可以看到，此时，如果电阻R1取较小的值，可以维持一个较低的机壳电压；在实际应用中，R1的取值可根据具体的噪声抑制效果设定。
图5是依照上述设计准则下的直流侧共模EMI测试结果对比图，图中的频率测试范围为150kHz到30MHz。可以看到在加入有源EMI滤波器后可以较为有效的抑制系统的共模EMI，尤其是在150kHz，共模EMI大概可以实现接近30dB的衰减。
图6是加入有源EMI滤波器后的机壳电压和有源EMI滤波器的输出电流。从图中可以看出机壳电压的波动很小，大概在2.5V左右，因此使用此EMI滤波器可以维持较低的机壳电压；对于输出电流来说，可以看出两个输出电流幅值接近，相位相反，因此可以实现共模EMI的抑制作用。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种接入电力电子变换器系统接地回路的有源EMI滤波器，用于抑制所述电力电子变换器系统的电磁干扰，其特征在于，包括：第一电阻R1、第一电容C1、第二电容C2、反相放大器、电流放大电路以及供电电路；
所述供电电路与所述反相放大器和所述电流放大电路相连，所述供电电路的电源地与所述电力电子变换器系统的直流母线中点相连；
所述反相放大器的反相输入端通过所述第一电阻R1与所述电力电子变换器系统中的负载外壳相连接，所述反相放大器的正相输入端与所述供电电路的电源地相连，所述第一电阻R1与所述负载的连接端通过所述第二电容C2接地；所述反相放大器的反相输入端还与所述电流放大电路的输出端相连；
所述电流放大电路的输入端与所述反相放大器的输出端相连，所述电流放大电路的输出端通过所述第一电容C1接地。
2.如权利要求1所述的接入电力电子变换器系统接地回路的有源EMI滤波器，其特征在于，所述第一电容C1和所述第二电容C2相等。
3.如权利要求2所述的接入电力电子变换器系统接地回路的有源EMI滤波器，其特征在于，所述第一电容C1和所述第二电容C2均为nF级别。
4.如权利要求3所述的接入电力电子变换器系统接地回路的有源EMI滤波器，其特征在于，所述第一电阻R1小于预设的阈值。
5.如权利要求1-4任一项所述的接入电力电子变换器系统接地回路的有源EMI滤波器，其特征在于，还包括第二电阻R2，且所述第二电阻R2设置在所述反相放大器的反相输入端与所述电流放大电路的输出端之间。
6.如权利要求5所述的接入电力电子变换器系统接地回路的有源EMI滤波器，其特征在于，所述反相放大器、所述电流放大电路以及所述供电电路中均不包含电感。
7.如权利要求6所述的接入电力电子变换器系统接地回路的有源EMI滤波器，其特征在于，所述电流放大电路包括：第一二极管D1，第二二极管D2，第一三极管Q1，第二三极管Q2，第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6；
所述第一二极管D1的负极与所述第二二极管D2的正极相连，形成所述电流放大电路的输入端；
所述第五电阻R5和所述第六电阻R6串联，且所述第一三极管Q1的发射极和所述第二三极管Q2的发射极通过串联的所述第五电阻R5和第六电阻R6相连，所述第五电阻R5和所述第六电阻R6的连接端形成所述电流放大电路的输出端；
所述第一二极管D1的正极与所述第一三极管Q1的基极相连后与所述第三电阻R3的一端相连，所述第三电阻R3的另一端以及所述第一三极管Q1的集电极与所述供电电路的电源正极相连；
所述第二二极管D2的负极与所述第二三极管Q2的基极相连后与所述第四电阻R4的一端相连，所述第四电阻R4的另一端以及所述第二三极管Q2的集电极与所述供电电路的电源负极相连。
8.一种电力电子变换器系统，其特征在于，其接地回路中接入了有源EMI滤波器；所述有源EMI滤波器为权利要求1-7任一项所述的接入电力电子变换器系统接地回路的有源EMI滤波器。
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