CN116192090A - 面向交流驱动系统的混合emi滤波器设计方法 - Google Patents

面向交流驱动系统的混合emi滤波器设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种面向交流驱动系统的混合EMI滤波器设计方法，该方法通过有源EMI滤波器和无源电感的配合来实现，首先通过采样电容将三相输出的共模噪声进行采集，通过运算放大环节对采样得到的共模噪声进行方向方法，最后通过补偿电容补偿交流驱动系统中的共模噪声。本发明根据等效电容思路采用反馈型电压采样电流补偿方式设计了一种有源EMI滤波器，给出了滤波器拓扑并提供了完整的参数选取方案，大大降低了滤波器的体积。此外，本发明引入共模电感与有源EMI滤波器组成混合EMI滤波器，解决了高压交流驱动系统中由于共模电压过大而导致的有源EMI滤波器饱和问题，为交流驱动系统的共模干扰抑制提供了新方法。

Description

面向交流驱动系统的混合EMI滤波器设计方法
技术领域
本发明属于滤波器设计技术领域，具体涉及一种面向交流驱动系统的混合EMI(电磁干扰)滤波器设计方法。
背景技术
交流驱动系统可以有效的降低了能量损耗，提高了工作效率，被广泛应用于机械、化工、医疗、公共交通、新能源发电等领域。交流驱动系统中的电力电子器件在正常工作时处于高速开关状态输出的电压和电流波形含有丰富的高次谐波，从而引发一系列电磁干扰问题。添加EMI滤波器是目前应用最广的EMI噪声抑制手段，但随着电力电子器件高频化的发展，以GaN、SiC材料为基础的逆变器的开关频率远远高于以Si材料为基础的逆变器，对于无源EMI滤波器而言，所需滤波器体积也在逐渐加大，现有的无源滤波器优化方案也很难满足电力电子变换器小型化的趋势。为了能够降低EMI滤波器的体积，除了可以对无源EMI滤波器进行优化设计，还可以通过设计有源EMI滤波器来满足要求。有源EMI滤波器虽然可以在一定程度降低EMI滤波器的体积，但是现有的有源EMI滤波器方案大多是采用电流采样结构，采样结构中的互感器体积在整个有源EMI滤波器总体积中占比较大，滤波器的体积降低不明显，同时有效工作带宽受限严重。而且现有的滤波器都没有考虑有源元件饱和问题，实验也都是在滤波器不饱和的情况下进行的，对于大功率交流驱动系统中有源EMI滤波器的应用分析较少。
文献[L.Dai,W.Chen,X.Yang,M.Zheng,Y.Yang and R.Wang.A Multi-FunctionCommon Mode Choke Based on Active CM EMI Filters for AC/DC Power Converters[J].IEEE Access,2019,7:43534-43546]提出了一种新型的多功能共模扼流圈结构，这种结构使有源EMI滤波器减少了一个磁环的使用，在很大程度上缩小了滤波器的体积和重量，但是有源EMI滤波器的自身结构没有改变，而且不适应于高压交流驱动系统的应用。
文献[Y.Zhang,Q.Li and D.Jiang.A Motor CM Impedance BasedTransformerless Active EMI Filter for DC-Side Common-Mode EMI Suppression inMotor Drive System[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2020,35(10):10238-10248]将有源EMI滤波器接在电机机壳和大地之间，有源EMI滤波器通过输出两个可以抵消的电流来实现EMI噪声的抑制，此时滤波器不需要承受主功率回路的电压和电流，不需要选取高耐压高耐流的器件。但是由于滤波器接在机壳和地回路之间，电机机壳带电的问题无法避免，应用场景比较受限。
为了解决交流驱动系统共模干扰问题，实现低成本、有效的解决方案，有必要研究有源EMI滤波器的设计方法，同时为实现大功率交流驱动系统的应用，对交流驱动系统的混合EMI滤波器的研究至关重要。
发明内容
鉴于上述，本发明提供了一种面向交流驱动系统的混合EMI滤波器设计方法，通过引入共模电感来降低高幅值噪声，保证有源EMI滤波器的补偿电压在规定范围内，根据所需插损要求和交流驱动系统的源阻抗和电机负载阻抗来确定共模电感的数值。
一种面向交流驱动系统的混合EMI滤波器设计方法，包括如下步骤：
(1)对交流驱动系统电机侧的共模电压时域波形进行测量，之后对其进行快速傅里叶变换，分析共模电压的频谱特点，得到共模电压的时域幅值大小以及共模噪声的主要分布频段；
(2)计算确定系统所需的滤波器插入损耗，基于等效电容原理设计有源EMI滤波器，其包括采样环节、放大环节和补偿环节；
(3)根据有源EMI滤波器的器件参数及选型对其进行实物制作，并测试接入有源EMI滤波器后系统电机侧的共模电压，验证有源EMI滤波器对系统共模干扰的抑制效果；
(4)针对系统共模噪声过大以及滤波器饱和问题，引入共模电感与有源EMI滤波器组成混合EMI滤波器，通过设计共模电感参数，使混合EMI滤波器满足交流驱动系统的共模干扰抑制要求。
进一步地，所述步骤(2)中通过以下公式计算滤波器插入损耗：
ILDM,CM＝20lgVDM,CM-20lgVPK
其中：ILDM,CM为系统所需的滤波器插入损耗，VDM,CM为未接入滤波器前系统电机侧的共模电压，VPK为EMC(电磁兼容性)标准电压限值。
进一步地，所述采样环节包括三个采样电容C1以及一个采样电阻R1，三个采样电容C1的一端分别挂接在交流驱动系统与电机之间的三相输出电缆上，三个采样电容C1的另一端采用星形接法且中性点与采样电阻R1的一端相连，R1的另一端作为采样环节的输出端，采样环节的截止频率fL的表达式如下：
Figure BDA0004118247840000031
其中：c1为采样电容C1的电容值，r1为采样电阻R1的电阻值。
进一步地，所述放大环节包括六个电阻R3～R7、一个运算放大器、一个直流供电电源、两个二极管D1～D2、一个NPN型晶体管T1以及一个PNP型晶体管T2，其中运算放大器的正相输入端与R4的一端相连，R4的另一端接地，运算放大器的反相输入端与R3的一端以及采样环节的输出端相连，运算放大器的正极电源端与R5的一端、T1的集电极以及直流供电电源的正极相连，运算放大器的负极电源端与R6的一端、T2的集电极以及直流供电电源的负极相连，R5的另一端与T1的基极以及D1的阳极相连，D1的阴极与D2的阳极以及运算放大器的输出端相连，D2的阴极与R6的另一端以及T2的基极相连，T1的发射极与R7的一端相连，R7的另一端与R8的一端相连作为放大环节的输出端，R8的另一端与T2的发射极相连。
进一步地，所述放大环节在运算放大器后面接入推挽电路来提高其电流输出能力，同时引入了二极管进行防止交越失真处理，使得推挽电路的加入不会对有源EMI滤波器其他部分的设计产生影响；此外，放大环节中的晶体管输出侧增加两个相同阻值的电阻R7和R8，用来引入负反馈防止晶体管损坏，可以防止晶体管在工作中发生热失控问题。
进一步地，所述补偿环节包括三个补偿电容C2以及一个补偿电阻R2，三个补偿电容C2的一端分别挂接在交流驱动系统与电机之间的三相输出电缆上，三个补偿电容C2的另一端采用星形接法且中性点与补偿电阻R2的一端相连，R2的另一端与放大环节的输出端相连。
进一步地，所述步骤(4)中引入的共模电感串联在交流驱动系统与电机之间的三相输出电缆上，其一端与交流驱动系统的交流输出端口相连，另一端与采样环节及补偿环节的接入点相连。
进一步地，所述步骤(4)中通过合理设计共模电感参数以将部分共模噪声进行滤除，即利用仿真软件来提取共模电感的数值，在仿真软件Pspice中搭建噪声源阻抗和电机负载阻抗的频域模型，并将有源EMI滤波器的单相等效电路加入到仿真系统中来确定最终的共模电感数值。
本发明所设计的混合EMI滤波器包括无互感器的有源EMI滤波器和无源防饱和电感，有源EMI滤波器由采样环节、放大环节和补偿环节三部分组成。采样环节不同于常规的对地采样，由阻容采样网络构成高通滤波器，对目标频率以上的共模噪声进行提取；放大环节是运算放大器构成的反向放大网络，用来对采样得到的有源EMI滤波器进行放大，运算放大器输出端连接由推挽电路构成的功率放大电路，用来对补偿信号进行功率放大，提高运算放大器电流传输能力；补偿环节由阻容网络构成，用来对采样的共模噪声进行反馈补偿。此外本发明提出引入共模电感对有源EMI滤波器进行防饱和设计，不同于常规混合EMI滤波器的试错配合，本发明根据所需插入损耗给出了防饱和电感的具体设计方案。
本发明混合EMI滤波器设计方法实现了逆变器电机负载侧共模电压的有效抑制，由于交流系统中带有互感器结构的有源EMI滤波器不再具有明显的体积优势，为此本发明根据等效电容思路采用反馈型电压采样电流补偿方式设计了一种有源EMI滤波器，给出了滤波器拓扑并提供了完整的参数选取方案，大大降低了滤波器的体积。此外，本发明引入共模电感与有源EMI滤波器组成混合EMI滤波器，解决了高压交流驱动系统中由于共模电压过大而导致的有源EMI滤波器饱和问题，为交流驱动系统的共模干扰抑制提供了新方法。
附图说明
图1为本发明实施例中交流驱动系统的电路拓扑结构示意图。
图2为本发明实施例中交流驱动系统原始共模噪声频谱图。
图3为本发明实施例中系统所需的滤波器插入损耗频谱图。
图4为本发明设计的有源EMI滤波器电路拓扑结构示意图。
图5为滤波器中运放的开环增益和闭环增益曲线示意图。
图6为本发明设计的混合EMI滤波器电路拓扑结构示意图。
图7为接入混合EMI滤波器后系统的单相等效简化电路图。
图8为有源EMI滤波器的实物图。
图9为接入混合EMI滤波器前后系统的共模噪声对比示意图。
具体实施方式
为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。
本实施方式中交流驱动系统的基本结构如图1所示，它由直流输入电源、NPC三电平逆变器、连接线缆和电机组成，其中直流输入电源UDC为800V，NPC三电平逆变器采用同相载波层叠的调制方式，调制波频率为25Hz，载波频率为15kHz，电机使用型号为DVEV1G-200L-24的永磁同步电机，其额定电压为380V，额定频率为25Hz，逆变器系统运行时电机空转。
使用示波器和无源探头对三相交流电机侧共模电压进行测量，并进行频域变化后得到共模电压频域测量结果如图2所示。本实施方式采用GJB151b-2013标准作为滤波器的传导标准限值，选取100kHz～10MHz作为研究的共模干扰频率范围，可见共模电压在大部分频段均未能满足要求；因此，要对逆变器系统共模电压进行抑制，我们可以计算逆变器所需要的滤波器插入损耗计算公式如下：
ILDM,CM＝20lgVDM,CM-20lgVPK
其中：VDM,CM为未接入滤波器前系统电机侧的共模电压，VPK为EMC标准限值，插损低于0的部分按0计算，计算得到的交流驱动系统所需插损如图3所示。
现有的有源EMI滤波器大多需要使用互感器结构来实现共模噪声的采样和补偿，互感器的引入会增加滤波器的设计难度，同时也是有源EMI滤波器体积最大的结构。如图4所示，本发明设计了一款无互感器的有源EMI滤波器，主要由三部分组成：采样环节，放大环节和补偿环节；采样环节不同于常规的对地采样，由阻容采样网络构成高通滤波器，对目标频率以上的共模噪声进行提取；放大环节是运算放大器构成的反向放大网络，用来对采样得到的有源EMI滤波器进行放大，运算放大器输出端连接由推挽电路构成的功率放大电路，用来对补偿信号进行功率放大，提高运算放大器电流传输能力；补偿环节由阻容网络构成，用来对采样的共模噪声进行反馈补偿。
本发明通过改变采样电容和采样电阻的数值来控制采样环节的高通截止频率，实现特定频率范围的共模噪声采样，共模电压采样环节的低频高通截止频率为：
Figure BDA0004118247840000061
本实施方式主要抑制的谐波范围在100kHz～10MHz，设计的滤波器的截止频率应小于100kHz，考虑到器件选型，故选择R1为1kΩ，C1为820pF，设计的滤波器的截止频率为64.7kHz。为防止波形失真，补偿电容C2设计和C1数值相同，我们采用电压反馈型运算作为有源环节，电压反馈型运放可视为一阶单极点系统，其开环增益曲线如图5所示，转折频率f1可以按下式求得：
Figure BDA0004118247840000062
其中：GBP为运放的增益带宽积，A为运放的反馈增益，选择反馈增益为6.9，即反馈电阻R3为6.9kΩ。
为了确定运算放大器所需的转折频率，防止当运放增益过大时运放的有效带宽减小，导致反相补偿的高频信号失真，影响AEF高频滤波效果，本实施方式中f1取研究的最大频率10MHz，可以求得所需的增益带宽积最小要高于80MHz，为了留有足够的裕度，选取增益带宽积两倍以上即所需运放的增益带宽积要达到160MHz以上。为了减少供电电源，考虑运放和功率放大环节共用一个供电电源，运放的供电电压需要选择较高的±15V，同时选取运放时还要由足够大的压摆率，当欲实现的输出信号变化率高于压摆率时，就会导致运放输出波形失真。最终根据这些要求选择运算放大器LM7171，运放的压摆率4100V/μs，增益带宽积200MHz；根据LM7171运算放大器的数据手册，驱动大于10pF电容需要加电阻补偿，为此本实施方式选择数据手册上推荐补偿电阻R2＝50Ω。
对于电流放大环节，BJT三极管作为功率放大器最重要的部分，决定了放大环节的输出电流能力，因此关于BJT三极管的选择应该满足电流放大倍数β尽量大，同时要求在相同供电情况下，保证β不下降时的最大集电极输出电流ICmax要大。为了保证输出电压的对称性，NPN型二极管和PNP型二极管要为互补二极管，最终选择的BJT三极管型号为TIP41C(NPN型)与TIP42C(PNP型)，因为BJT晶体管存在导通电压，所以当功率放大环节的输入电压小于导通电压时，两个BJT晶体管处于截止状态，此时输出电流为零，出现交越失真现象。为了消除推挽放大结构交越失真现象，需要选用具有和BJT相同导通电压的二极管引入合适的静态偏压，通过查阅数据手册，选取二极管型号为IN4148；R5、R6作为偏置电阻用来设置电路的静态工作点，偏置电阻数值应设置的足够大，从而减少不必要的静态电流，R5、R6设置为3kΩ。由于三极管运行时温度会上升，此时基极与发射极之间的结电压会下降，然而基极与发射极之间的偏置电压并未发生变化，这会导致更多的电流流入从而产生一个正反馈导致三极管温度继续升高。为了防止发生热失控问题，本实施方式在晶体管输出侧增加两个相同阻值的小电阻R7、R8，用来引入负反馈防止晶体管损坏，并设置R7＝R8＝2Ω。
本发明设计的有源EMI滤波器加入到系统中会导致滤波器饱和，影响滤波器的抑制效果，为了能使滤波器发挥效果，我们引入共模电感和有源EMI滤波器组成混合EMI滤波器如图6所示，从而实现有源EMI滤波器在高压交流驱动系统中的应用。
对于共模电感参数的求解，我们利用仿真软件来提取共模电感的数值，在仿真软件Pspice中搭建噪声源阻抗和电机负载阻抗的频域模型，并将等效单相有源EMI滤波器加入到仿真系统中，如图7所示，通过调节等效电感的数值，来确定最后的共模电感数值，参数调节流程如下：
(1)首先观测扫频结果，设置一个电感初值，然后利用噪声源进行交流传输特性分析，测试100kHz～10MHz范围内Y点电压的衰减情况。
(2)若衰减达不到共模电压衰减要求，则增大共模电感的数值，如果Y点的电压衰减远远高于共模电压的衰减要求，则降低共模电感的初值；通过调节共模电感的数值使混合EMI滤波器能够达到共模噪声的衰减要求，并保证满足设计裕度，不能过设计增加共模电感体积。
(3)当满足衰减要求以后，利用时域分析，将共模电压的幅值大小设置为共模电压时域幅值大小，测试P点的共模电压幅值，若P点电压没有超过15V，则此时选择的电感值就是最终的共模电感参数。
(4)若此时的P点电压超过15V，说明此时有源EMI滤波器已经饱和，需要增大共模电感的数值，直到P点的共模电压低于15V，将满足条件的电感值确定为共模电感的参数。
最后提取得到共模电感的数值为42mH，将设计好的混合EMI滤波器加入交流驱动系统中，有源EMI滤波器实物如图8所示，加入混合EMI滤波器后的共模噪声如图9所示，可以发现混合EMI滤波器达到了设计要求。
上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明，熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种面向交流驱动系统的混合EMI滤波器设计方法，包括如下步骤：
(1)对交流驱动系统电机侧的共模电压时域波形进行测量，之后对其进行快速傅里叶变换，分析共模电压的频谱特点，得到共模电压的时域幅值大小以及共模噪声的主要分布频段；
(2)计算确定系统所需的滤波器插入损耗，基于等效电容原理设计有源EMI滤波器，其包括采样环节、放大环节和补偿环节；
(3)根据有源EMI滤波器的器件参数及选型对其进行实物制作，并测试接入有源EMI滤波器后系统电机侧的共模电压，验证有源EMI滤波器对系统共模干扰的抑制效果；
(4)针对系统共模噪声过大以及滤波器饱和问题，引入共模电感与有源EMI滤波器组成混合EMI滤波器，通过设计共模电感参数，使混合EMI滤波器满足交流驱动系统的共模干扰抑制要求。
2.根据权利要求1所述的混合EMI滤波器设计方法，其特征在于：所述步骤(2)中通过以下公式计算滤波器插入损耗：
ILDM,CM＝20lgVDM,CM-20lgVPK
其中：ILDM,CM为系统所需的滤波器插入损耗，VDM,CM为未接入滤波器前系统电机侧的共模电压，VPK为EMC标准电压限值。
3.根据权利要求1所述的混合EMI滤波器设计方法，其特征在于：所述采样环节包括三个采样电容C1以及一个采样电阻R1，三个采样电容C1的一端分别挂接在交流驱动系统与电机之间的三相输出电缆上，三个采样电容C1的另一端采用星形接法且中性点与采样电阻R1的一端相连，R1的另一端作为采样环节的输出端，采样环节的截止频率fL的表达式如下：
Figure FDA0004118247830000011
其中：c1为采样电容C1的电容值，r1为采样电阻R1的电阻值。
4.根据权利要求1所述的混合EMI滤波器设计方法，其特征在于：所述放大环节包括六个电阻R3～R7、一个运算放大器、一个直流供电电源、两个二极管D1～D2、一个NPN型晶体管T1以及一个PNP型晶体管T2，其中运算放大器的正相输入端与R4的一端相连，R4的另一端接地，运算放大器的反相输入端与R3的一端以及采样环节的输出端相连，运算放大器的正极电源端与R5的一端、T1的集电极以及直流供电电源的正极相连，运算放大器的负极电源端与R6的一端、T2的集电极以及直流供电电源的负极相连，R5的另一端与T1的基极以及D1的阳极相连，D1的阴极与D2的阳极以及运算放大器的输出端相连，D2的阴极与R6的另一端以及T2的基极相连，T1的发射极与R7的一端相连，R7的另一端与R8的一端相连作为放大环节的输出端，R8的另一端与T2的发射极相连。
5.根据权利要求4所述的混合EMI滤波器设计方法，其特征在于：所述放大环节在运算放大器后面接入推挽电路来提高其电流输出能力，同时引入了二极管进行防止交越失真处理，使得推挽电路的加入不会对有源EMI滤波器其他部分的设计产生影响；此外，放大环节中的晶体管输出侧增加两个相同阻值的电阻R7和R8，用来引入负反馈防止晶体管损坏，可以防止晶体管在工作中发生热失控问题。
6.根据权利要求1所述的混合EMI滤波器设计方法，其特征在于：所述补偿环节包括三个补偿电容C2以及一个补偿电阻R2，三个补偿电容C2的一端分别挂接在交流驱动系统与电机之间的三相输出电缆上，三个补偿电容C2的另一端采用星形接法且中性点与补偿电阻R2的一端相连，R2的另一端与放大环节的输出端相连。
7.根据权利要求1所述的混合EMI滤波器设计方法，其特征在于：所述步骤(4)中引入的共模电感串联在交流驱动系统与电机之间的三相输出电缆上，其一端与交流驱动系统的交流输出端口相连，另一端与采样环节及补偿环节的接入点相连。
8.根据权利要求1所述的混合EMI滤波器设计方法，其特征在于：所述步骤(4)中通过合理设计共模电感参数以将部分共模噪声进行滤除，即利用仿真软件来提取共模电感的数值，在仿真软件Pspice中搭建噪声源阻抗和电机负载阻抗的频域模型，并将有源EMI滤波器的单相等效电路加入到仿真系统中来确定最终的共模电感数值。
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