CN112352383B - 用于对电流源和负载之间的共模干扰滤波的电滤波器装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于对电流源和负载之间的共模干扰滤波的电滤波器装置（1），包括：信号输入端（E），所述信号输入端包括至少一个第一连接端（E1）并且能够连接到所述电流源；信号输出端（A），所述信号输出端能够连接到所述负载；具有第一主电感（2a）的主级（H0），所述第一主电感包括具有第一芯（3）的线圈，其中所述第一主电感（2a）连接到所述第一连接端（E1）；以及具有至少一个第一去干扰电容器（C1）和第一辅助电感（4）的辅助级（H1），其中所述第一辅助电感（4）连接在所述第一连接端（E1）和所述第一去干扰电容器（C1）之间，其中所述第一辅助电感（4）与所述第一主电感（2a）感应耦合。

Description

用于对电流源和负载之间的共模干扰滤波的电滤波器装置
技术领域
本发明涉及一种用于对电流源和负载之间的共模干扰滤波的电滤波器装置。
背景技术
在汽车工业中，通过共模扼流圈或Y电容器、无源EMV（电磁兼容性）滤波器（例如具有不同级数），通过发动机容量和电缆容量的优化设计，或通过专用于最小化共模干扰的PWM方法（脉宽调制）来减小（滤波）针对脉宽转换器（例如，在中波范围内的PWR）发射的共模干扰频谱。诸如LC、CLC或LCL的典型的滤波器拓扑结构通常具有这样的插入衰减，所述插入衰减取决于分级性而对每个频率十进位具有高达40dB或高达60dB的边沿陡度。为了实现更陡峭和/或更高的插入衰减，必须增大滤波器组件的标称部件值或必须使用多个滤波器级。
在M. L. Heldwein和J. W. Kolar的出版物，“Impact of EMC Filters on thePower Density of Modern Three- Phase PWM Converters”IEEE Trans. PowerElectron.，第24卷，编号6，1577 – 1588页，2009年；C. Jettanasen的出版物，“Modellingand optimizing a passive EMI Filter to attenuate common mode currents at highfrequency in a three-phase adjustable speed ac mode drive”，2011年，以及在FangLuo等人的出版物“Analysis of CM Volt- Second Influence on CM InductorSaturation and Design for Input EMI Filters in Three-Phase DC-Fed Motor DriveSystems”，IEEE Trans. Power Electron.，第25卷，编号7，1905-1914页，2010年中，描述了用于改善插入衰减的原理，特别是涉及EMV滤波器的高频组件，以在那里影响EMV滤波器的高频组件的干扰频谱。为了改善低频率情况下的插入衰减，描述了具有增大的电感的电感组件和/或具有较大的电容的增大的电容器的应用或者其他滤波器级的先后连接。
发明内容
本发明提供根据权利要求1的用于对电流源和负载之间的共模干扰滤波的电滤波器装置，以及根据权利要求11的电滤波器装置的用途。
优选的扩展是从属权利要求的主题。
本发明的优点
本发明所基于的思想在于，说明一种电滤波器装置，该电滤波器装置能够以有利的方式对电流源和负载之间的共模干扰滤波。由于小型化增加和电子设备的复杂性提高，控制技术与电力系统之间的相互干扰影响变得越来越明显，其中每个电装置都可能扮演其他电装置的干扰汇点或干扰源的角色。借助于EMV适配，可以有利地将干扰影响限制在可容忍的程度，从而保证电装置充分工作。
根据本发明，用于对电流源和负载之间的共模干扰滤波的电滤波器装置包括：信号输入端，所述信号输入端包括至少一个第一连接端并且可以连接到所述电流源；信号输出端，所述信号输出端可以连接到所述负载；具有第一主电感的主级，所述第一主电感包括具有第一芯的线圈，其中所述第一主电感连接到所述第一连接端；以及具有至少一个第一去干扰电容器和第一辅助电感的辅助级，其中所述第一辅助电感连接在所述第一连接端和所述第一去干扰电容器之间，其中所述第一辅助电感与所述第一主电感感应耦合。
所述共模干扰也可以由其他干扰源触发并且被有利地滤波。所述电流源可以包括直流电流源。
所述第一辅助电感可以有利地以任意顺序与所述信号输入端和所述第一去干扰电容器串联连接，其中所述第一辅助电感与所述第一主电感感应耦合。
所述信号输入端包括至少一个连接端，但是也可以有利地包括多个连接端，由此可以将其他输入信号施加到一个或多个主电感和/或辅助电感上。
所述电流源可以有利地包括至少一个电池组，例如用于运行功率电子设备或电动机的HV电池组，或以下任意储能装置，在所述储能装置的情况下可以在所述负载和所述电流源之间借助于滤波器装置影响低频干扰（在高达几百MHz的范围中的频率）。该原理可以有利地应用于AC/DC、AC/AC和三相设备，也可用于工业、航空和运输领域。所述功率电子设备可以是例如逆变器（inverter），并且所述负载可以是例如电机（例如用于汽车工业）。
通过选择所述线圈的特征性变量（绕组数、材料、电感）和/或所述第一芯的特征性变量（通过选择材料获得的磁导率），所述滤波器装置的主级可以有利地适配于待滤波的频率。
为了滤波效果，所述第一主电感有利地包括电流补偿的扼流圈（CMC，common modechoke，共模扼流圈），借助于所述电流补偿的扼流圈可以减小所述直流电流源和所述负载之间的干扰信号。所述电流补偿的扼流圈可以包括两个内部导体。在具有两个内部导体的情况下，所述电流补偿的扼流圈为此有利地分别在同一个第一芯上具有两个线圈，这两个线圈以相同方向围绕所述第一芯缠绕，所述第一芯例如是环形芯，但是在所述第一芯中两个线圈并不直接物理接触。所述第一芯有利地包括磁性材料，所述磁性材料即使在高频时也在磁导率的效果方面具有良好的特性。对于具有对应更多数量的线圈的更多数量的导体，这也是有利的。
通过这种方式，可以通过所述第一主电感实现所述电流源与所述负载之间的共模干扰抑制。
所述第一辅助电感与所述第一主电感的感应耦合有利地通过以下方式进行，即，所述第一辅助电感被布置为使其暴露于所述第一主电感的磁场中，其中所述第一辅助电感和所述第一去干扰电容器被设计为使得干扰信号的频率可以将所述辅助级，特别是所述第一去干扰电容器和所述第一辅助电感激励到振荡。所述第一辅助电感和所述第一去干扰电容器有利地彼此串联连接。
将所述去干扰电容器与所述第一辅助电感耦合有利地改善了所述主级的滤波效果。通过这种改善有利地可以通过所述电滤波器装置实现类似或更佳的插入衰减，如以公知的方式在仅芯的磁导率增大、仅主电容器的电容增大或连接了其他滤波器组件的滤波器（大多数情况下没有辅助电感）的情况下可以实现的。所述第一辅助电感有利地与所述信号输入端的第一连接端连接以及与地电位连接。
根据所述电滤波器装置的优选实施，所述第一辅助电感恰好包括一个绕组。
根据所述电滤波器装置的优选实施，所述第一辅助电感包括缠绕在所述第一芯上的线圈。
根据所述电滤波器装置的优选实施，所述第一去干扰电容器与地电位连接并且与所述第一辅助电感一起与所述第一主电感形成串联谐振。
由此有利地得到两个去干扰电容器与两个辅助电感的串联互换性。
所述第一辅助电感的线圈有利地沿与所述第一主电感的线圈相同的方向缠绕到所述第一芯上。通过将所述第一辅助电感的有利的一个绕组与所述第一去干扰电容器连接并且通过感应耦合到所述第一主电感，针对干扰频率（例如在高达几百MHz的范围内）可以通过以下方式改善插入衰减，即，与所述第一辅助电感的谐振效果与所述第一主电感的振荡行为耦合，特别是作为彼此串联的谐振。根据用于滤波效果的期望规范，可以有利地通过所述第一辅助电感的绕组数、通过所述第一芯的磁导率以及通过所述第一去干扰电容器的电容大小来适配所述第一辅助电感的谐振行为。有利地，第一辅助电感和第一主电感之间的感应耦合特别是当该感应耦合较大时，优选尽可能接近1.0时是完全的。串联谐振有利地提高了插入衰减的值，而无需应用额外的滤波器级。所述第一去干扰电容器有利地具有小于主电容器的电容的电容。由此，与没有辅助电感的实施相比，为了实现滤波器装置的期望的插入衰减，有利地可以在所述滤波器装置中连接具有比一个或多个主电容器的情况低的电容值的去干扰电容器，这特别适用于具有Y电容器但没有辅助电感（串联谐振）的多级滤波器装置的情况。这降低了成本，并且减少了多级和较大部件情况下的更多耗费，增加了可获得和可组合器件的选择。此外，有利地在（供电）线路和壳体之间得到了较小的电容。
根据所述电滤波器装置的优选实施，所述辅助级包括至少一个第二去干扰电容器和至少一个第二辅助电感，其中所述信号输入端包括第二连接端，并且所述第二辅助电感连接在所述信号输入端的第二连接端和所述第二去干扰电容器之间，以及其中所述第二辅助电感与所述第一主电感感应耦合。
所述第二辅助电感有利地包括线圈，所述线圈布置在所述滤波器装置中，使得该线圈暴露于所述第一主电感的磁场中，使得所述第二辅助电感和所述第二去干扰电容器可以被所述第一主电感的磁场激励到振荡（谐振）。在此，有利地设计所述第二辅助电感和所述第二去干扰电容器，使得所述干扰信号的频率可以将所述辅助级，特别是所述第二去干扰电容器和所述第二辅助电感激励到振荡（谐振）。有利地，所述第二辅助电感相对于所述第一辅助电感平行于信号输入端地定位并且形成自己的从所述信号输入端至地电位的切换路径，其中所述第二辅助电感与所述第二去干扰电容器串联连接。
根据所述电滤波器装置的优选实施，所述第二辅助电感包括缠绕在所述第一芯上的线圈。
根据所述电滤波器装置的优选实施，所述第二辅助电感恰好包括一个绕组。
根据所述电滤波器装置的优选实施，第一或第二去干扰电容器与地电位连接并且与所述第一主电感形成串联谐振。
所述第二辅助电感的线圈有利地沿与所述第一辅助电感的线圈并且与所述第一主电感的线圈相同的方向缠绕到所述第一芯上。通过将所述第二辅助电感的有利的一个绕组与所述第二去干扰电容器连接并且通过感应耦合到所述第一主电感以及有利地耦合到所述第一辅助电感，针对干扰频率（例如在高达几百MHz的范围内）可以比仅使用一个辅助电感无论如何已经实现的那样更进一步改善插入衰减。根据用于滤波效果的期望规范，可以有利地通过所述辅助电感的绕组数、通过所述第一芯的磁导率以及通过第一和第二去干扰电容器的电容大小来适配所述第一辅助电感器、所述第一主电感和所述第二辅助电感的谐振行为。有利地，第一和第二辅助电感与第一主电感之间的感应耦合特别是当该感应耦合较大时，优选接近1.0时是完全的。所述第二去干扰电容器有利地具有小于主电容器的电容的电容，由此与在仅包括主级的类似作用的滤波器电路中使用主电容器相比，有利地可以用更小电容的元件实现衰减值。这是有利的，因为可以限制Y电容器的内置电容。
可以有利地适配第一和第二辅助电感的绕组数以用于滤波效果的精细协调。第一去干扰电容器和第二去干扰电容器有利地均分别与Y电容器（Cy拓扑结构）连接。但是，也可以将两个去干扰电容器在其他拓扑结构中，或者补充所述其他拓扑结构（例如LCL、CLC或其他）地与相应的辅助电感连接。此外，可以向所述滤波器装置增加具有其他去干扰电容器的其他辅助电感，并与第一和/或第二主电感感应耦合。
有利地，也能够以已经提到的维度尺寸来改善插入衰减而无需提高耗费，据此诸如去干扰电容器和主电容器的器件、线圈的维度尺寸和绕组数或芯的材料必须高精度地彼此适配，因为在所描述的辅助电感与主电感的耦合情况下可以有利地使用器件的任何参数而无需特别的公差要求。换句话说，通过根据本发明的原理，公差和制造不精确性有利地仅对插入衰减的改善效果产生最小的影响。
所示出的使用一个或多个辅助级的概念也可以有利地与其他滤波器级连接和扩展。
根据所述电滤波器装置的优选实施，第一和/或第二去干扰电容器包括Y电容器。
然而，作为对此的替代，第一和第二去干扰电容器也可以不同地实施，或者可以通过附加的结构级（阻尼电阻和/或其他电感或其他部件）来补充。可以适配电容器的电容和连接方式，以便在将所述滤波器装置安装到网络中时有利地实现最佳网络特性。例如，也可以连接两个辅助电感器和仅一个去干扰电容器或多于两个的去干扰电容器。原则上，可以通过选择部件值和构建所述滤波器装置来确定待滤波的频率范围，并且可以在所述构建时将主电感和辅助电感以及电容器和铁芯与所述待滤波的频率范围适配。
所述滤波器装置的滤波效果有利地用于例如在100kHz至2MHz的频率时进行EMV去干扰，并且对于该通信频带（MW），每频率十进位实现高达70dB的插入衰减。同样可以对其他频带进行调谐。
根据所述电滤波器装置的优选实施，第一和/或第二去干扰电容器可以增加任意R、RL、RLC网络。
根据本发明，所述电滤波器装置用在驱动系统、电动和/或混合动力车辆或工业应用中。
所描述的电滤波器装置可以有利地用于具有脉宽转换器（PWR）的任何驱动系统，在该脉宽转换器中利用逆变器向发动机供电，并且在所述驱动系统的情况下应当通过功率电子电路来减小发动机侧的干扰。所述电滤波器装置可以有利地用在电动和混合动力车辆领域（在所有电压的情况下）、逆变器馈电的工业驱动器中或用在工业逆变器中（例如，在太阳能设施、电梯、铁路、飞机等中）。
由以下参考附图的描述得到本发明实施方式的其他特征和优点。
附图说明
下面基于在附图的示意图中说明的实施例详细解释本发明。
图1以DC应用为例示出了根据本发明实施例的滤波器装置的电路图；
图2以AC三相应用为例示出了根据本发明实施例的滤波器装置的电路图；以及
图3示出了图2的滤波器装置的示意图。
在附图中，相同的附图标记表示相同或功能相同的元件。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的实施例的滤波器装置的电路图。
电滤波器装置1具有信号输入端E和信号输出端A，它们分别有利地具有两个接触部，其中电流源可以连接至信号输入端E，并且负载（例如具有电机的逆变器）可连接至信号输出端A。在此，所述信号输入端具有第一连接端E1并且有利地具有第二连接端E2。滤波器装置1包括主级H0，该主级H0在信号输入端E处包括第一主电感2a，该第一主电感有利地与信号输入端E的两个连接端E1和E2连接，并且有利地可以在信号输出端A处具有第二主电感2b。第一主电感2a还可以包括多个主电感，所述多个主电感可以分别与输出端或输入端处的连接端连接。有利地，第一主电感2a在第一芯3上具有两个线圈，这两个线圈沿相同方向（通过绕组上方的点标记）但彼此分开地缠绕在第一芯3上（Z标志）。两个线圈的绕组数可以有利地相同。这两个在第一芯3上同向旋转的线圈有利地形成电流补偿的扼流圈，有利地是共模扼流圈。
此外，所述滤波器装置可以包括第二主电感2b，但这不是绝对必要的。有利地，这也是具有第二芯3'的电流补偿的扼流圈，该第二芯3'可以具有与第一芯3相似或相同的磁导率（电感），以便在所述滤波器装置中具有相似或相同的振荡行为。两个主电感可以与两个主电容器Cy一起有利地表示所述滤波器装置的LCL拓扑结构。两个主电容器Cy有利地分别包括一个或多个Y电容器，并且可以连接在第一主电感2a和第二主电感2b之间。
此外，在第一主电感2a处，第一辅助电感4和有利地第二辅助电感4a感应地耦合至第一主电感2a，其中第一辅助电感4和第二辅助电感4a可以分别作为有利地具有一个绕组的线圈缠绕在第一芯3上（Z标志），沿与第一主电感2a的有利地两个线圈相同的方向缠绕。
将第一去干扰电容器C1施加到第一辅助电感4上，该第一去干扰电容器可以有利地在第一辅助电感4的背离所述信号输入端的一侧上与地电位M连接。可以将第二去干扰电容器C2施加到第二辅助电感4a上，该第二去干扰电容器在另一侧上与地电位M连接，其中第一去干扰电容器和第二去干扰电容器有利地都分别以Cy拓扑结构连接。两个辅助电感和所述去干扰电容器一起形成辅助级H1。也可以有利地向这两个去干扰电容器补充其他去干扰电容器或不同的器件，并且这两个去干扰电容器可以彼此不同。由此可以有利地实现对滤波器效果的单独的精细调谐，以便实现最佳的网络行为。第一辅助电感4有利地与信号输入端E的第一连接端E1连接，而第二辅助电感4a有利地与信号输入端E的第二连接端E2连接。
辅助电感与去干扰电容器以及串联耦合的连接可以很容易地利用现有部件来构建（因此无需提高实现部件的耗费），并且与没有辅助级的常规滤波器装置相比，可以更有效地利用所使用的部件（其变量）来实现高衰减和/或预定衰减。
图2以AC三相应用为例示出了根据本发明实施例的滤波器装置的电路图。
图2的滤波器装置1与图1的滤波器装置的不同之处在于，图2的滤波器装置包括主级H0，该主级H0在信号输入端E处仅具有第一主电感2a，所述主级可以包括三个连接端，所述第一主电感可以从信号输入端E利用三个信号U，V和W（电压）进行操控，并且所述第一主电感同样可以连接到信号输出端A并且可以将三个输出信号U'，V'和W'输出到三个输出连接端（经过滤波）。该滤波器级同样可以在两侧增加其他滤波器级。在此，第一主电感2a包括三个分开的绕组布置，这些绕组布置有利地全部布置（缠绕）在第一芯3上。滤波器装置1包括辅助级H1，并且对于三个输入信号U，V和W中的每一个都具有有利地分开的辅助电感4、4a和4b，换句话说即第一辅助电感4、第二辅助电感4a和第三辅助电感4b，这些辅助电感可以与第一去干扰电容器C1、第二去干扰电容器C2和第三去干扰电容器C3连接以及与地电位M连接。在这些辅助电感之一和相关联的去干扰电容器之间的节点处有利地分别施加电势U''，V''或W''。有利地，所有三个辅助电感都同样布置（缠绕）在第一芯3上。
图3示出了图2的滤波器装置的示意图。
该示意图示出了作为第一芯3的环形芯，主电感和相关联的辅助电感4、4a和4b可以缠绕在该环形芯上。因此，从用于电压U的接触部开始的路径通过主电感H1到达用于输出信号U'的接触部，并且同时通过第一辅助电感4到达用于信号U''的接触部。对于第二和第三信号V和W到V'，W'和V''和W''同样如此。去干扰电容器的拓扑结构可以连接到接触部U''，V''或W''（未示出）。
尽管上面已经基于优选实施例对本发明进行了全面描述，但是本发明不限于此，而是可以以多种方式进行修改，并且可以在输入侧和输出侧都可以增加标准滤波器。

Claims (11)

1.一种用于对电流源和负载之间的共模干扰滤波的电滤波器装置(1)，包括：
-信号输入端(E)，所述信号输入端包括至少一个第一连接端(E1)并且能够连接到所述电流源；
-信号输出端(A)，所述信号输出端能够连接到所述负载；
-具有第一主电感(2a)的主级(H0)，所述第一主电感包括具有第一芯(3)的线圈，其中所述第一主电感(2a)连接到所述第一连接端(E1)；以及
-具有至少一个第一去干扰电容器(C1)和第一辅助电感(4)的辅助级(H1)，其中所述第一辅助电感(4)连接在所述第一连接端(E1)和所述第一去干扰电容器(C1)之间，其中所述第一辅助电感(4)与所述第一主电感(2a)感应耦合，
其中所述电滤波器装置(1)在所述信号输出端(A)包括第二主电感(2b)以及主电容器(Cy)，其中所述主电容器(Cy)包括Y电容器并且连接到所述第一主电感(2a)和所述第二主电感(2b)之间。
2.根据权利要求1所述的电滤波器装置(1)，其中，所述第一辅助电感(4)恰好包括一个绕组。
3.根据权利要求1或2所述的电滤波器装置(1)，其中，所述第一辅助电感(4)包括缠绕在所述第一芯(3)上的线圈。
4.根据权利要求1至2中任一项所述的电滤波器装置(1)，其中，所述第一去干扰电容器(C1)与地电位(M)连接并且与所述第一辅助电感(4)一起与所述第一主电感(2a)形成串联谐振。
5.根据权利要求1至2中任一项所述的电滤波器装置(1)，其中，所述辅助级(H1)包括至少一个第二去干扰电容器(C2)和至少一个第二辅助电感(4a)，其中所述信号输入端(E)包括第二连接端(E2)，并且所述第二辅助电感(4a)连接在所述信号输入端(E)的第二连接端(E2)和所述第二去干扰电容器(C2)之间，以及其中所述第二辅助电感(4a)与所述第一主电感(2a)感应耦合。
6.根据权利要求5所述的电滤波器装置(1)，其中，所述第二辅助电感(4a)包括缠绕在所述第一芯(3)上的线圈。
7.根据权利要求5所述的电滤波器装置(1)，其中，所述第二辅助电感(4a)恰好包括一个绕组。
8.根据权利要求5所述的电滤波器装置(1)，其中，所述第一去干扰电容器(C1)或所述第二去干扰电容器(C2)与地电位(M)连接并且与所述第二辅助电感(4a)一起与所述第一主电感(4a)形成串联谐振。
9.根据权利要求5所述的电滤波器装置(1)，其中，所述第一去干扰电容器和/或所述第二去干扰电容器(C1，C2)包括Y电容器。
10.根据权利要求5所述的电滤波器装置(1)，其中，所述第一去干扰电容器和/或所述第二去干扰电容器(C1，C2)能够增加任意R、RL、RLC网络。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的电滤波器装置(1)在驱动系统、电动车辆和/或混合动力车辆或工业应用中的用途。
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