CN112865509B - 一种智能化通用型共模emi滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种智能化通用型共模EMI滤波器，包括共模电感(1)，PCB板(2)和加载在PCB板(2)上的检测调制器(3)；共模电感(1)包括环形磁芯(11)、两个绕制方向相反的共模绕组(12)和检测绕组(13)；检测调制器(3)包括积分电路(31)和数字处理模块(32)。本发明通过在共模EMI滤波器的共模电感磁芯上加入检测绕组，并在内部接入一套能够对共模电感饱和状况进行检测并实现自动调制的动态检测调制装置，使共模EMI滤波器接入不同系统时能根据系统的具体情况进行智能化动态调整，能正常、安全工作于各种功率变换器系统，通过智能化实现了共模EMI滤波器的通用性。

Description

一种智能化通用型共模EMI滤波器

技术领域

本发明属于电力电子技术领域，涉及一种共模EMI滤波器，具体涉及一种适用于电机驱动和光伏电站的功率变换器系统的智能化通用型共模EMI滤波器。

背景技术

电机驱动系统和光伏电站的功率变换器系统中广泛使用到了宽紧带半导体开关器件，这种相较于传统的硅器件具有更高的开关频率和开通速率，会形成幅值较大的陡脉冲，由此会产生宽频带和高幅值的电磁噪声，其中的共模噪声会沿着母线流入电源和负载等敏感设备上。如果不对该部分噪声加以抑制，共模噪声中所包含的高频能量会对电池组造成损害，同于也会向外发出辐射影响通讯系统，对于电机驱动系统，共模噪声还会形成轴电流腐蚀电机轴承，因此共模噪声严重影响着光伏系统和电机驱动系统的正常工作。

在系统中加入共模EMI滤波器是性价比较高的共模噪声抑制手段，共模EMI滤波器的优点是噪声抑制性能好、使用寿命长、设计简便。共模EMI滤波器包括共模电感和共模电容，共模电感的绕组上要流过功率电流，为了保证散热和绝缘，其尺寸通常比较大，而共模电容只流过漏电流，其体积要远小于共模电感。共模电感还会承受系统大部分的共模电压，在电压等级较高的电机驱动或者光伏电站的功率变换器系统中，共模电感很有可能发生饱和。饱和后的共模电感会失去滤波能力，同时其磁芯的温度还会迅速升高，容易引发安全事故，因此饱和问题是共模EMI滤波器设计中的重要考虑因素。共模电感的饱和状况和系统的电路参数有关，而不同系统的电路参数是不同的，因此在某一系统中能正常工作的共模EMI滤波器，难以保证接入到其他系统中后共模电感不发生饱和，为了保证系统的安全，一种共模EMI滤波器只能在其特定系统中工作，应用于其他系统要重新设计和制作,这种通用性很低的共模EMI滤波器提高了系统的设计制作成本。

在面对由共模电感饱和问题导致的共模EMI滤波器通用性低这一问题时，国内外从很多学者通过优化其集成式结构来提高其抗饱和能力，进而提高其通用性。例如申请公布号为CN111446902A，名称为“一种用于电机驱动系统的交直流耦合集成式EMI滤波器”的专利申请，公开了一种应用于电机驱动系统的交直流耦合式滤波器，该发明将电驱系统的直流侧滤波器和交流侧滤波器耦合在了一起，由叠层的多层纳米晶磁环和五根绕组构成交直流耦合共模电感，而后将两个直流输入电容组和一个交流输出电容组布在PCB板上安装在共模电感顶部，实现了交直流EMI滤波器的耦合式集成。该交直流耦合式EMI滤波器中的共模电感绕组采用了多层PCB板工艺和切割铜排工艺组合的方式，在有限体积内提高了共模电感绕组的匝数，从而提高了其抗饱和能力，通用性有所增加。但该集成式EMI滤波器只是通过优化电感绕组结构来提升抗饱和能力，而电感绕组的体积往往比较大，因此其抗饱和能力的提升非常有限，而且该滤波器未对饱和所引发的安全事故做任何考虑，其安全性较低，这种静态的EMI滤波器无法保证能正常、安全工作于各种功率变换器系统，属于非智能的，通用型仍旧不高。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术存在的缺陷，提出了一种智能化通用型共模EMI滤波器，用于解决现有技术中存在的通用性较低的技术问题。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种智能化通用型共模EMI滤波器，包括共模电感1、PCB板2和加载在PCB板2上的动态检测调制器3，其中：

所述共模电感1，包括环形磁芯11，所述环形磁芯11上绕制有两个绕制方向相反的共模绕组12及一个检测绕组13，共同组成电感绕组；

所述动态检测调制器3，包括积分电路31和数字处理模块32；所述积分电路31包括隔直电容311及与其级联的积分器312，用于输出与环形磁芯11内部的磁感应强度B成正比的电压值u；所述数字处理模块32，包括指示灯支路321、x条第一共模电容支路322、x条第二共模电容支路323和数字信号处理芯片324，x≥5，所述指示灯支路321包括LED指示灯及与其级联的第一开关器件，所述第一共模电容支路322和第二共模电容支路323的结构相同，均包括共模电容及与其级联的第二开关器件；

所述共模绕组12通过焊盘固定在PCB板2上，其输入端与外接功率变换器的出线端子相连，输出端正极与x条第一共模电容支路322的输入端连接，输出端负极与x条第二共模电容支路323的输入端连接；检测绕组13的两个输出端分别与积分电路31的正负极连接；所述积分器312的输出端与数字信号处理芯片324的ADC输入端相连；所述第一开关器件的公共控制端及第二开关器件的公共控制端均与数字信号处理芯片324的输入输出端口相连；

当共模电感1饱和时，数字处理模块32通过第二开关器件对第一共模电容支路322和第二共模电容支路323包含的共模电容的容值进行调制，使共模电感1包含的环形磁芯11内部的磁感应强度B恢复正常，若B无法恢复，通过第一开关器件对指示灯支路321进行调制，诱发LED指示灯报警，所述共模电感1的饱和度通过环形磁芯11内的磁感应强度B决定：

2NBS＝nτuT

其中，S表示环形磁芯11的横截面积，N表示共模绕组12的匝数，n表示共模绕组12与检测绕组13的匝数比，τ表示4积分器312的时间常数，u表示数字信号处理芯片324的ADC输入端输入电压幅值,T表示数字信号处理芯片324连续检测到两次u的时间间隔。

上述一种智能化通用型共模EMI滤波器，所述第一开关器件和第二开关器件，其结构相同，均包括两个反向串联的功率半导体器件，两个功率半导体器件的控制端连接在一起构成公共控制端。

上述一种智能化通用型共模EMI滤波器，所述功率半导体器件，采用IGBT或者MOSFET。

上述一种智能化通用型共模EMI滤波器，所述功率变换器，采用整流器或逆变器。

上述一种智能化通用型共模EMI滤波器，所述积分器312，采用单电源供电的运算放大器。

上述一种智能化通用型共模EMI滤波器，所述数字信号处理芯片324，采用带有ADC模块的DSP或者单片机。

上述一种智能化通用型共模EMI滤波器，所述第一共模电容支路322，其中的共模电容采用高压陶瓷贴片电容。

上述一种智能化通用型共模EMI滤波器，所述共模EMI滤波器，还包括外壳。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

1.本发明通过在共模EMI滤波器的共模电感磁芯上加入检测绕组，并在内部接入一套能够对共模电感饱和状况进行检测并实现智能调制的动态检测调制器，当共模电感饱和时，数字处理模块通过第二开关器件对第一共模电容支路和第二共模电容支路包含的共模电容的容值进行调制，使共模电感包含的环形磁芯内部的磁感应强度B恢复正常，若B无法恢复，通过开关器件对指示灯支路进行调制，诱发LED指示灯报警，动态检测调制器使共模EMI滤波器接入不同系统时能根据系统的具体情况对共模电路支路和指示灯之路进行智能化动态调整，从而能正常、安全工作于各种功率变换器系统，通过智能化调制使共模EMI滤波器实现了通用性。

2.本发明通过对共模电容容值进行动态调制增加其能够应用的系统数量，由于共模电容的体积远小于共模电感，因此该共模EMI滤波器能在保证抗饱和能力的情况下，显著减小体积，实现了小型化。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明具体实施例的共模电感结构示意图；

图3是本发明的PCB板和加载在PCB板上的动态检测调制器的结构示意图；

图4是本发明具体实施例的电路结构示意图；

图5是本发明对共模电容的容值和指示灯支路进行智能化动态调制的实现流程图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例，对本发明作进一步详细描述。

参照图1，本发明包括共模电感1、PCB板2，加载在PCB板2上的动态检测调制器3和外壳。

所述共模电感1，结构如图2所示，包括环形磁芯11、两个绕制方向相反的共模绕组12和检测绕组13。所述环形磁芯11可以使用圆环形磁芯和跑到环形磁芯，本具体实施例使用圆环形磁芯，其横截面积S为96.25mm²，内径为17.6mm，外径为33mm，为了保证其滤波性能和抗饱和能力，磁芯选用初始磁导率为70000、饱和磁感应强度为1.2T的纳米晶材料。两个共模绕组在环形磁芯11上各绕6匝，即N＝6，两个绕组要尽量沿直径对称以减小漏感，则流过绕组的共模电流所产生的磁场会相互抵消，使电感失去滤波能力，因此两个共模绕组的绕制方向要相反。检测绕组13在环形磁芯11上绕有1匝，共模绕组检测绕组构成了匝数比n＝6:1的变压器，检测绕组13没有输入端，输入信号依靠变压器原理进行耦合。

所述PCB板2和加载在PCB板上动态检测调制器3的结构如图3所示。所述动态检测调制器3包括积分电路31和数字处理模块32。所述积分电路31包括一个隔直电容311和积分器312，隔直电容311使用2μF的陶瓷电容，可以滤除掉输入电压内的直流分量，使流入后级电路的电压信号是一个正负半周完全对称的交流信号；积分器312的时间常数τ为0.5ms，使用单电源供电的运算放大器，来保证其输入到ADC端口的电压始终为正值；积分电路31的输入端正极为隔直电容311输入端，负极为积分器312反相输入端，隔直电容311的输出端与积分器312的同相输入端相连。所述数字处理模块32包括指示灯支路321、第一共模电容支路322、第二共模电容支路323和数字信号处理芯片324，所述指示灯支路321上的LED灯使用红色发光二极管做饱和指示灯，其与第一开关器件串联；所述第一共模电容支路322和第二共模电容支路323支路均为5条电容支路，每条支路均有一个容值15nF、耐压1000V的高压陶瓷电容和一个第二开关器件；所述第一开关器件和第二开关器件的结构相同，均包括两个反向串联的功率半导体器件，功率半导体器件可以选择IGBT或MOSFET，本具体实施例中使用开关速度较高的MOSFET，MOSFET含有三个电极，分别为栅极G、源极S和漏极D，G极为控制极。将两个MOSFET的两个S极连接到一起形成反向串联结构，便成为了一个开关器件；两个G极连接到一起形成公共控制端，向公共控制端输入高电平信号可使开关器件开通；两个D极分别为该开关器件的输入和输出，将第一电容支路中所有开关器件的输入D极连接在一起，共同构成第一电容支路的输入端。输出D极分别与高压陶瓷电容的输入端相连，所有高压陶瓷电容的输出端连接到一起，共同构成第一电容支路的输出端，第二电容支路与第一电容支路结构完全相同。所述数字处理芯片，可以使用带有ADC模块的DSP或单片机，本具体实施例选用16位51单片机，其ADC的采样频率设置为300kHz。

本发明的电路结构如图4所示，功率变换器可以是整流器或者逆变器，本具体实施例中使用单相逆变器，输出电压幅值为10V，开关频率为10kHz，输入到共模EMI滤波器电压的基波频率f与之相等，共模绕组12的输入端与逆变器的出线端子相连，共模绕组12的输出端焊接在PCB板2的焊盘上，正极和负极分别通过PCB板的走线与第一电容支路322的输入端和第二电容支路323的输入端相连；指示灯支路321的输入端与共模绕组12的输出端正极相连；指示灯支路、第一共模电容支路和第二共模电容支路的输出端连接在一起与外壳一起接地。检测绕组13的两个输出端焊在PCB板2的焊盘上，通过PCB板的走线分别与积分电路31输入端的正负极相连；积分器31的输出端与单片机324的ADC输入端相连，单片机的11个输入输出端口A～K分别与第一开关器件和第二开关器件的公共控制端A～K相连。

本发明的动态检测调制器的检测装置工作原理如下，逆变器施加在共模绕组12两端的共模电压耦合到到检测线圈13并输入到积分电路31中，由隔直电容311滤除掉电压信号中所有的直流分量，再由积分器312对电压信号进行积分，根据法拉第电磁感应定律，积分器312的输出电压幅值u与磁芯11内部的磁感应强度B成正比，u通过ADC输入端输入数字信号处理芯片324中，数字信号处理芯片324内部的计算模块对u进行识别并计算出T，再按照公式2NBS＝nτuT对B进行计算，其中，S表示环形磁芯11的横截面积，N表示共模绕组12的匝数，n表示共模绕组12与检测绕组13的匝数比，τ表示表示积分器312的时间常数，u表示数字信号处理芯片324的ADC输入端输入电压幅值,T表示数字信号处理芯片324连续检测到两次u的时间间隔。除了u和T需要单片机在工作时自行检测计算外，其余参数均已知并写在单片机程序内。

本发明对共模电容的容值和指示灯支路进行调制实现流程图如图5所示。将该流程编为程序写入数字信号处理芯片324中，数字信号处理芯片324按照程序实行动态调制，流程的具体内容为，共模EMI滤波器上电之初，为了实现最大插入损耗，数字信号处理芯片324控制第一共模电容支路322和第二共模电容支路323上的全部开关器件闭合，共模电容值达到最大，此时数字信号处理芯片324计算B并比较其与纳米晶饱和磁感应强度1.2T的大小。若B＜1.2T，说明共模EMI滤波器正常工作，调制结束，反之，说明共模电感饱和。此时便同时断开第一共模电容支路322和第二共模电容支路323各一个开关器件，再次计算B并比较其与1.2T的大小，直到B＜1.2T，调制结束。如果所有共模电容支路的上开关器件全部断开B后仍旧大于1.2T，说明B无法恢复正常，此时闭合指示灯支路321上的第一开关器件，诱发LED指示灯报警，提醒操作者尽快切断电源，调制结束。按照以上流程，共模EMI滤波器会根据不同系统自动调整至正常状态，因此为智能化的通用型EMI滤波器。

以上描述仅是本发明的一个实例，不构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种智能化通用型共模EMI滤波器，其特征在于，包括共模电感(1)、PCB板(2)和加载在PCB板(2)上的动态检测调制器(3)，其中：

所述共模电感(1)，包括环形磁芯(11)，所述环形磁芯(11)上绕制有两个绕制方向相反的共模绕组(12)及一个检测绕组(13)，共同组成电感绕组；

所述动态检测调制器(3)，包括积分电路(31)和数字处理模块(32)；所述积分电路(31)包括隔直电容(311)及与其级联的积分器(312)，用于输出与环形磁芯(11)内部的磁感应强度B成正比的电压值u；所述数字处理模块(32)，包括指示灯支路(321)、x条第一共模电容支路(322)、x条第二共模电容支路(323)和数字信号处理芯片(324)，x≥5，所述指示灯支路(321)包括LED指示灯及与其级联的第一开关器件，所述第一共模电容支路(322)和第二共模电容支路(323)的结构相同，均包括共模电容及与其级联的第二开关器件；

所述共模绕组(12)通过焊盘固定在PCB板(2)上，其输入端与外接功率变换器的出线端子相连，输出端正极与x条第一共模电容支路(322)的输入端连接，输出端负极与x条第二共模电容支路(323)的输入端连接；检测绕组(13)的两个输出端分别与积分电路(31)的正负极连接；所述积分器(312)的输出端与数字信号处理芯片(324)的ADC输入端相连；所述第一开关器件的公共控制端及第二开关器件的公共控制端均与数字信号处理芯片(324)的输入输出端口相连；

当共模电感(1)饱和时，数字处理模块(32)通过第二开关器件对第一共模电容支路(322)和第二共模电容支路(323)包含的共模电容的容值进行调制，使共模电感(1)包含的环形磁芯(11)内部的磁感应强度B恢复正常，若B无法恢复，通过第一开关器件对指示灯支路(321)进行调制，诱发LED指示灯报警，所述共模电感(1)的饱和度通过环形磁芯(11)内的磁感应强度B决定：

2NBS＝nτuT

其中，S表示环形磁芯(11)的横截面积，N表示共模绕组(12)的匝数，n表示共模绕组(12)与检测绕组(13)的匝数比，τ表示积分器(312)的时间常数，u表示数字信号处理芯片(324)的ADC输入端输入电压幅值,T表示数字信号处理芯片(324)连续两次检测到u的时间间隔。

2.根据权利要求1所述的一种智能化通用型共模EMI滤波器，其特征在于，所述第一开关器件和第二开关器件，其结构相同，均包括两个反向串联的功率半导体器件，两个功率半导体器件的控制端连接在一起构成公共控制端。

3.根据权利要求2所述的一种智能化通用型共模EMI滤波器，其特征在于，所述功率半导体器件，采用IGBT或者MOSFET。

4.根据权利要求1所述的一种智能化通用型共模EMI滤波器，其特征在于，所述功率变换器，采用整流器或逆变器。

5.根据权利要求1所述的一种智能化通用型共模EMI滤波器，其特征在于，所述积分器(312)，采用单电源供电的运算放大器。

6.根据权利要求1所述的一种智能化通用型共模EMI滤波器，其特征在于，所述数字信号处理芯片(324)，采用带有ADC模块的DSP或者单片机。

7.根据权利要求1所述的一种智能化通用型共模EMI滤波器，其特征在于，所述第一共模电容支路(322)，其中的共模电容采用高压陶瓷贴片电容。

8.根据权利要求1所述的一种智能化通用型共模EMI滤波器，其特征在于，所述共模EMI滤波器，还包括外壳。

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