CN114731110A

CN114731110A - 具有改进衰减的dc-链路的emc滤波器部件、半导体部件和dc-链路emc系统

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Publication number: CN114731110A
Application number: CN202180005512.5A
Authority: CN
Inventors: F·贝克; K·尼克拉斯; W·兰博
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2020-03-31
Filing date: 2021-03-24
Publication date: 2022-07-08
Also published as: EP4128504A1; WO2021197956A1; JP2022549664A; US20220337130A1; DE102020108879A1

Abstract

提供了一种具有改进的噪声水平的EMC滤波器部件。该部件包括第一接口、第二接口、滤波电路和机械连接。滤波电路在第一接口和第二接口之间电连接。机械连接被提供并且配置用于将部件机械连接到外部安装位置。机械连接还被提供并且配置用于将滤波电路电连接到外部安装位置的接地电位。

Description

具有改进衰减的DC-链路的EMC滤波器部件、半导体部件和DC- 链路EMC系统

本发明涉及具有改进的噪声水平、例如具有增加的衰减的EMC滤波器部件，可以连接到EMC滤波器部件的半导体部件，以及可以包括EMC滤波器部件和半导体部件的对应DC-链路EMC系统。

EMC滤波器（EMC =电磁兼容性）可以用于减少或消除电气或电子部件的有害影响，使得电磁部件可以与一个或几个其他电气或电子部件一起使用，或在其他电气部件附近使用。

例如，电动机驱动器可能是此类有害排放的源，应减少或消除此类有害排放的源，以避免与其他电路部件的有害干扰。为此，EMC滤波器可以例如在电源和电动机驱动器之间电连接。

例如，在电驱动车辆中，电池向电动机驱动器提供电能。电池在特定的电压下提供DC（直流）电流。当电动机驱动器需要另一形式的电能，例如AC（交流电）或另一电压时，则可以采用逆变器来转换电池的电能，使得它可以被电动机驱动器很好地利用。然而，逆变器也可能是有害排放的源。对应地，可以使用EMC滤波器来减少或消除来自逆变器的有害排放。

EMC滤波器的性能的特征在于有害排放、即在EMC滤波器的输出提供的噪声量的减少。

对应地，目的是提供具有在其输出侧的降低噪声水平的EMC滤波器。

为此，根据独立权利要求，提供了一种EMC滤波器部件和连接到该EMC滤波器部件的对应的另外部件。从属权利要求提供了优选实施例，诸如包括滤波器部件和另外电子部件的系统。

EMC滤波器部件包括第一接口、第二接口、滤波电路和机械连接。滤波电路在第一接口和第二接口之间电连接。机械连接被提供并且配置用于将部件机械连接到外部安装位置。机械连接还被提供并且配置用于将滤波电路电连接到外部安装位置的接地电位。

本EMC滤波器部件基于提供改进接地连接的理念，以降低在EMC滤波器部件输出侧提供的噪声水平。常规的EMC滤波器部件除了电源连接之外还具有单独的连接，其中该单独的连接专用于连接到EMC滤波器部件的环境的接地电位。

显然，通过改进接地连接来增强衰减的直观方法将是延长单独的接地连接，例如，通过添加去往接地的并联分流路径。因此，与常规的EMC滤波器部件相比，直观的方法将是增加接地连接和去往接地电位的导体的数量。

因此，本EMC滤波器部件建议的方法违反直觉，因为不是通过提供附加的接地导体来增加接地连接器的数量和增强效果，而是减少专用接地导体的数量。具体而言，完全消除了仅专用于提供接地连接的接地导体。取而代之，建议安装连接到另一电路部件并使用其他的电路部件的接地连接。

然而，尽管对省略特定专用接地连接的共同理解应导致部件接地连接的恶化，但发现了可以获得改进的接地连接，从而降低噪声水平。该令人惊讶的效果的原因是所得到的接地连接可以具有较短的有效连接器长度。因此，减少获得接地连接的努力导致需要更少的空间、更小的部件、减少的导体材料和改进的性能。

在EMC滤波器部件中，第一接口可以包括与电气部件的电连接，EMC滤波器从该电气部件获得电能。第二接口可以包括电连接，经由该电连接，EMC滤波器部件向外部电路环境提供电功率——具有降低的噪声水平和减少的有害排放量。具体而言，第一接口可以被提供并且配置用于将EMC滤波器部件与电池或者与在电池和EMC滤波器部件之间电连接的逆变器连接。第二接口可以用于将EMC滤波器部件电连接到例如电动车辆的电动机驱动器。

EMC滤波器部件的滤波电路可以包括滤波器元件，诸如有源或无源滤波器元件，诸如构建滤波器网络的电感元件、电阻元件和/或电容元件。常规的滤波器网络拓扑可能用于本EMC滤波器部件。外部安装位置被布置在EMC滤波器部件的直接附近之内。机械连接可以用于以机械稳定的配置安装EMC滤波器部件，使得振动或惯性力不能重新定位EMC滤波器部件。外部安装位置可以是EMC滤波器部件附近的另外电气部件的安装位置。具体而言，可能的是外部安装位置是EMC滤波器部件直接连接到的电气部件处的安装位置，所述电气部件例如是电池、逆变器或电动机驱动器。

可能的是EMC滤波器部件进一步包括DC-链路电容器作为电路元件。

可能的是外部安装位置是向EMC滤波器部件提供接地电位的部件（例如，半导体部件，例如，逆变器）的安装位置。

因此，机械连接具有双重目的，从而提供机械稳定连接和去往接地电位的电连接，该电连接具有短的有效导体长度。

可能的是机械连接包括选自导电材料、金属和合金的材料或者由选自导电材料、金属和合金的材料组成。

具体而言，导电材料可以包括铜、铝、银、金或其合金或由铜、铝、银、金或其合金组成。

可能的是机械连接具有细长形状，该细长形状具有指向远离部件的延伸。

该部件可以具有外壳或底盘，其中布置有滤波电路的电气元件。为了向EMC滤波器部件的环境提供电和机械稳定的连接，指向远离部件外壳或底盘的细长形状和延伸确保了到外部安装位置的最短可能连接。

可能的是细长形状具有沿着延伸方向的截面，该截面具有均匀的横截面。

可能的是细长形状具有横截面，该横截面可以选自方形横截面、矩形横截面、圆形横截面和椭圆形横截面或其他形状，例如提供机械和电连接可能性的L形。

此外，可能的是机械连接具有包括平坦截面的远端，其中平坦截面具有孔。

在这方面，机械连接的远端是与将连接直接附接到EMC滤波器部件的其他元件的端部相对的机械连接的端部。

提供机械连接的平坦截面确保向外部安装位置的对应连接端部提供大的接触面积。

在平坦截面中提供孔确保了——例如利用螺栓和螺母——可以确保机械稳定连接。

可能的是机械连接包括一段、两段、三段或更多段。

机械连接的每段提供单独的机械稳定连接和具有短的有效导体长度的电连接。每段可以具有类似的构造，例如具有指向远离滤波器部件主体的细长形状，并且包括具有孔的平坦远端截面。

可能的是机械连接的所有段——至少与两个接口中的一个相关联——布置在部件的同一侧。

这确保了短导体长度和机械稳定连接。

此外，可能的是至少在机械连接段之间的水平平面上在两个机械连接段之间布置纯电连接。

可能的是第一接口被提供并且配置用于至部件的电连接，该部件选自另外的电气部件、半导体部件、逆变器、电池、电动机驱动器。

可能的是第一接口包括用于连接到第一电位的一个、两个、三个或更多个连接，以及用于连接到第二电位的一个、两个、三个或更多个连接。可能的是第一电位和第二电位不同于接地电位。

类似地，可能的是第二接口被提供并且配置用于至部件的电连接，该部件选自另外的电气部件、半导体部件、逆变器、电池、电动机驱动器。

在这方面，电动机也可以视为发电机。

可能的是EMC滤波器部件进一步包括在第二接口侧的第二机械连接。类似于上面的描述，第二机械连接可以被提供并且配置用于将部件机械连接到第二外部安装位置。第二机械连接还可以被提供并且配置用于将滤波器部件电连接到第二外部安装位置的接地电位。

因此，可能的是第二接口包括用于第一电位的一个、两个、三个或更多个连接，用于第二电位的一个、两个、三个或更多个连接，以及用于接地电位的一个、两个、三个或更多个连接。

在这方面，电连接可以分别是第一和/或第二接口的连接。

进一步可能的是滤波电路包括电阻元件、电容元件和电感元件作为电路元件。

可能的是滤波电路的两个电感元件磁耦合。

在EMC滤波器部件的第一实施例中，EMC滤波器包括两个电源线。在每个电源线中，两个电感元件串联电连接。每个电感元件磁耦合到相应的其他电源线的对应电感元件。三个电容元件可以在两个电源线之间电连接。第一接口可以包括电连接到两个电源线中的一个的三个连接和电连接到相应的其他电源线的三个其他连接。

此外，第一接口包括机械连接的第一段和第二段。此外，第一接口的两个机械连接中的每一个都电耦合到滤波器的两个电源线中的一个。具体而言，可以通过电阻元件的串联连接和两个电容元件的并联连接来执行耦合。电容元件的并联连接可以建立Y2级安全电容器，即具有高达5000 V电压的脉冲能力的安全电容器。

此外，在第二接口处，EMC滤波器部件可以具有电连接到第一电源线的第一连接和电连接到第二电源线的第二连接以及附加的接地连接，例如经由如上述在第二接口侧的机械连接。接地连接可以利用电阻元件和电容元件的相应串联连接电连接到两个电源线中的每一个。电容元件相应地也可以建立Y2级安全电容器。

在第二实施例中，第一接口与上述第一接口的不同之处在于，仅存在一个机械连接。这一个机械连接分别经由两个电容元件和电阻元件的并联连接的串联连接电连接到两个电源线中的每一个。

DC-链路EMC系统可以包括如上所述的EMC滤波器部件和如下所述的半导体部件。EMC滤波器部件和半导体部件可以经由它们的机械连接彼此电连接和机械连接。

半导体部件建立了另外的电气部件电连接和机械连接到EMC滤波器部件的可能性。半导体部件还可以包括第一接口、第二接口和半导体电路连同机械连接。半导体电路在第一接口和第二接口之间电连接。机械连接被提供并且配置用于将部件机械连接到例如EMC滤波器部件的外部安装位置。机械连接还被提供并且配置用于将半导体电路电连接到EMC滤波器部件的机械连接。

可能的是半导体部件是逆变器。因此，半导体部件的半导体电路包括对应的半导体开关和对于建立逆变器功能所需的另外的电路，例如用于将电池提供的电能转换成电动机驱动器所需的电能。

可能的是在选自电气系统和车辆电气系统的系统中使用例如滤波器部件或半导体部件的部件或者包括半导体部件和滤波器部件的系统。具体而言，可能的是在电池和电动机驱动器之间使用对应的部件或部件系统。

优选实施例的中心工作原理和细节在随附示意图中示出。

在附图中：

图1示出了EMC滤波器部件EFC的基本元件；

图2示出了半导体电路SC的基本元件；

图3示出了包括半导体部件SC和EMC滤波器部件EFC的系统；

图4示出了EMC滤波器部件EFC的第一接口的透视图；

图5示出了包括半导体部件和滤波器部件的系统的透视图；

图6示出了机械连接的实际接触区域的放大视图；

图7示出了一个可能的滤波电路的等效电路图；

图8示出了滤波电路FC的替代等效电路图；

图9图示了具有常规接地连接的EMC滤波器部件的性能；和

图10示出了常规部件和改进的EMC滤波器部件的性能水平之间的比较。

图1图示了EMC滤波器部件EFC的基本元件。滤波器部件EFC包括第一接口I1和第二接口I2。在第一接口I1的一侧，布置了机械连接MC。机械连接MC被创建为具有足以将EMC滤波器部件EFC牢固地安装到外部安装位置的机械强度。此外，机械连接MC进一步提供电功能，因为机械连接MC被提供并且配置用于将EMC滤波器部件电连接到外部安装位置的接地电位。

因此，在图1中，第一接口包括布置在机械连接MC和两个另外双重目的机械连接MC之间的两个纯电连接，用于将部件EFC机械和电连接到外部电路环境。

在相应的其他侧，第二接口I2包括专用于向或从滤波器部件传播电功率的电连接。

当然，如在第一接口I1提供的机械连接MC提供在第二接口I2处也是可能的。

对应地，图2图示了专用于连接到如图1中所示的EMC滤波器部件EFC的电路部件的基本元件。仅作为示例，该部件可以是半导体部件SC，其除了在第二接口I2处的电连接之外，还在第二接口I2处具有机械连接MC。半导体器件SC在第一接口I1具有另外的电连接。

图3示出了包括图2的半导体部件SC的系统，该半导体部件SC电连接和机械连接到如图1中所示的EMC滤波器部件。EMC滤波器部件EFC的机械连接MC机械和电连接到半导体部件SC的对应机械连接MC。具体而言，EMC滤波器部件EFC的第一接口I1经由机械连接电连接和机械连接到第二接口I2。

对于本申请中所示的部件可能的是，第一接口是被电气配置为从外部电路环境接收电能的接口，而第二接口是被提供用于向电路环境的其他元件转发电能的接口。对应地，半导体电路可以在其第一接口I1接收电能，并在其第二接口I2向EMC滤波器部件EFC提供电能，而EMC滤波器部件EFC在其第一接口I1接收电能，并经由其第二接口I2向例如电机驱动器提供电能。

可能的是半导体电路SC可以具有至系统电路环境的接地电位的良好连接。在这种情况下，机械连接MC可以用于也将半导体部件的接地连接用于EMC滤波器部件EFC的电路部件，使得在EMC滤波器部件侧创建单独的接地连接的努力是不必要的，同时改进了EMC滤波器部件的性能。

每个接口的连接数可以是2（如图2中所示）或3（如关于图2中第一接口所示）或更高。当连接数是3时，则接口可以被配置为处理3相电源信号。

图4图示了EMC滤波器部件EFC的外壳侧的透视图，其中布置了第一接口I1的连接。具体而言，第一接口可以包括机械连接MC的第一段和机械连接MC的第二段，其中这两段被布置在滤波器部件EFC的主体的相对侧。在两段机械连接MC之间，第一接口包括专用于电连接到第一电位的三个连接C1，以及专用于连接到第二电位的三个另外的电连接C2。此外，该部件在机械连接MC的对应段的侧具有容纳Y2电容器的一个隔间。机械连接件段本身具有指向远离滤波器部件EFC主体的细长形状。细长部分具有带有矩形或方形横截面的截面。各段的远端具有带有孔的平坦截面，该平坦截面允许经由螺栓和螺母执行容易但刚性的连接。

对于接口的连接C1、C2中的每一个以及对于机械连接MC的每个段，在具有外部安装位置的部件侧提供对应的对应元件，使得获得良好的电和机械连接。

在这方面，应注意的是，提供电连接的连接C1、C2在连接至其对应的对应物时也可以提供一定程度的机械稳定性。然而，经由机械连接的连接机械稳定性实质上更强，例如相对于拉力或剪切力是2、5或10倍。

图5示出了在一侧包括EMC滤波器部件EFC并且在相应的其他侧上包括半导体部件SC的系统的透视图。

半导体部件还具有用于接收电功率的第一接口I1，并且滤波器部件EFC具有用于提供电功率的对应的第二接口I2。

图6图示了图5中所示各段中的一个的机械连接MC的连接区域的放大图。滤波器部件的机械连接的远端的平坦表面与半导体部件的机械连接MC的对应平坦表面直接接触。每个对应的远端具有孔。执行安装，使得孔相对于它们的位置重叠，从而可以使用公共螺栓插入机械连接的公共孔中。

图7示出了滤波电路FC的一个实施例的等效电路图。滤波电路FC具有第一电源线PL1和第二电源线PL2。第一电源线PL1将第二接口I2的连接电连接到第一接口的三个连接。第二电源线PL2将第二接口I2的相应的其他连接电连接到第一接口I1的三个连接。每个电源线包括彼此串联电连接的两个电感元件。每个电感元件磁耦合到相应的其他电源线的电感元件。此外，三个电容元件C5、C6、C7将两个电源线PL1、PL2彼此电连接。由第二接口I2的机械连接MC2建立的接地连接GND经由电容元件C9和电阻元件R4的串联连接电连接到第一电源线，并且经由电容元件C8和电阻元件R3的串联连接电连接到第二电源线PL2。

在第一接口I1侧，布置了机械连接MC的第一段和第二段。第一段经由串联连接与第一电源线PL1电连接。串联连接包括建立了Y2级安全电容器的电容元件C3和C4的并联连接和电阻元件R2。此外，机械连接MC的相应第二段经由串联连接电连接到第二电源线PL2。串联连接包括也建立了Y2级安全电容器的两个电容元件C1、C2的并联连接和电阻元件R1。

经由非常短的导体提供接地连接减少了接地连接的努力、减少了部件所需的空间面积并且增强了滤波器部件的性能。

滤波电路FC的替代可能性在图8中示出。用于滤波器功能的电路和在第二接口侧的电路对应于图7中所示的电路。然而，图8中所示的部件仅具有一段机械连接MC。该段经由串联连接电连接到第二电源线PL2，该串联连接由电容元件C3和C4的并联连接和电阻元件R2组成。机械连接MC和第一电源线PL1之间的连接经由电容元件C1、C2的并联连接与电阻元件R1的串联连接来建立。

图9和图10图示了常规EMC滤波器部件与如上所述改进的EMC滤波器部件相比较的电气性能。特别地，图9的左上部分示出了（曲线A）差模衰减和（曲线B）典型的共模衰减。

图9的右上方示出了曲线C中来自滤波电机驱动器的典型噪声。

图9的右下部分分别示出了相对于接地电位的共模噪声CMN以及在典型噪声电位之间作为噪声的差模噪声DMN。

相比之下，图10的左上方示出了（曲线D）差模衰减、具有未优化接地连接的共模衰减（曲线F）和（曲线E）如上所述改进接地连接的共模衰减。

图10的右上部分示出了具有滤波器的逆变器系统的典型噪声（曲线G的峰值）。

图10的右下部分图示了关于噪声水平的性能差异。具体来说，在400 KHz的操作频率下，改进的EMC滤波器元件（曲线I）由于其反直觉但有效的接地连接与不具有上述滤波器的噪声水平（曲线H）相比具有降低了近似20 dB的噪声水平。

参考符号列表

C1、C2：第一、第二电连接

CMN：共模噪声

DMN：差模噪声

EFC：EMC滤波器部件

FC：滤波电路

GND：接地连接

HV-、HV+：第一、第二电位

I1、I2：第一、第二接口

MC：机械连接

MC2：机械连接

PL1、PL2：滤波电路的第一、第二电源线

SC：半导体元件

Y2： Y2级安全电容器。

Claims

1.一种EMC滤波器部件，包括

-第一接口、第二接口、滤波电路、机械连接，

其中

-滤波电路在第一接口和第二接口之间电连接，

-机械连接被提供并且配置用于将部件机械连接到外部安装位置，

-机械连接还被提供并且配置用于将滤波电路电连接到外部安装位置的接地电位。

2.根据前述权利要求所述的EMC滤波器部件，进一步包括作为电路元件的DC-链路电容器。

3.根据前述权利要求中的一项所述的EMC滤波器部件，其中，所述外部安装位置是向所述EMC滤波器部件提供接地电位的半导体部件的安装位置。

4.根据前述权利要求中的一项所述的EMC滤波器部件，其中，所述机械连接包括选自导电材料、金属、合金的材料或者由选自导电材料、金属、合金的材料组成。

5.根据前述权利要求中的一项所述的EMC滤波器部件，其中，所述机械连接具有细长形状，所述细长形状具有指向远离部件的延伸。

6.根据前述权利要求所述的EMC滤波器部件，其中，所述细长形状具有沿着延伸方向的截面，所述截面具有均匀的横截面。

7.根据两项前述权利要求中的一项所述的EMC滤波器部件，其中，所述细长形状具有横截面，所述横截面选自方形横截面、矩形横截面、圆形横截面、椭圆形横截面。

8.根据前述权利要求中的一项所述的EMC滤波器部件，其中，所述机械连接具有远端，所述远端包括带有孔的平坦截面。

9.根据前述权利要求中的一项所述的EMC滤波器部件，其中，所述机械连接包括2个、3个或更多个段。

10.根据前述权利要求所述的EMC滤波器部件，其中，所述机械连接的所有段均布置在部件的同一侧。

11.根据前述权利要求中的一项所述的EMC滤波器部件，其中，第一接口被提供并且配置用于至部件的电连接，所述部件选自另外的电气部件、半导体部件、逆变器、电池、电动机驱动器。

12.根据前述权利要求中的一项所述的EMC滤波器部件，其中，第一接口包括

连接到第一电位的1个、2个、3个或更多个连接，以及

用于连接到第二电位的1个、2个、3个或更多个连接。

13.根据前述权利要求中的一项所述的EMC滤波器部件，其中，第二接口被提供并且配置用于至部件的电连接，所述部件选自另外的电气部件、半导体部件、逆变器、电池、电动机驱动器。

14.根据前述权利要求中的一项所述的EMC滤波器部件，进一步包括在第二接口侧的第二机械连接，

其中

-第二机械连接被提供并且配置用于将部件机械连接到第二外部安装位置，

-第二机械连接也被提供并且配置用于将滤波电路电连接到第二外部安装位置的接地电位。

15.根据前述权利要求中的一项所述的EMC滤波器部件，其中，第二接口包括

用于第一电位的1个、2个、3个或更多个连接，

用于第二电位的1个、2个、3个或更多个连接，

用于接地电位的1个、2个、3个或更多个连接。

16.根据前述权利要求中的一项所述的EMC滤波器部件，其中，所述滤波电路包括电阻元件、电容元件和电感元件。

17.根据前述权利要求所述的EMC滤波器部件，其中两个电感元件磁耦合。

18.DC-链路EMC系统，包括

-根据前述权利要求中的一项的EMC滤波器部件，以及

-以下两项权利要求中的一项的半导体元件，

其中

EMC滤波器部件和半导体部件经由它们的机械连接彼此电连接和机械连接。

19.一种半导体元件，包括

-第一接口、第二接口、半导体电路、机械连接，

其中

-半导体电路在第一接口和第二接口之间电连接，

-机械连接还被提供并且配置用于将半导体电路电连接到EMC滤波器部件的机械连接。

20.根据前述权利要求所述的半导体元件，是逆变器。

21.根据前述权利要求中的一项的部件或系统的用途，

-在选自电气系统、车辆电气系统的系统中，

-在电池和电动机驱动器之间。