CN117674768B - 一种基于黑箱模型的系统级传导干扰滤波电路设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于黑箱模型的系统级传导干扰滤波电路设计方法，包括：测量设备断电状态下端口的S参数矩阵；测量设备开机状态下电源线的干扰电流；通过所述S参数矩阵计算得到设备阻抗矩阵，通过所述设备阻抗矩阵和所述干扰电流计算等效干扰源，构建设备级传导干扰模型；将所述设备级传导干扰模型进行级联，获得系统传导干扰模型；在所述系统级传导干扰模型的基础上在设备输入端增加系统滤波电路，对所述系统滤波电路的参数进行优化，获取最优滤波参数。本发明系统级滤波电路采用标准拓扑结构，只需根据不同设备工况优化电路参数，达到最优滤波效果。

Description

一种基于黑箱模型的系统级传导干扰滤波电路设计方法

技术领域

本发明属于高电压混合供电的独立供电系统传导干扰抑制技术领域，尤其涉及一种基于黑箱模型的系统级传导干扰滤波电路设计方法。

背景技术

飞机和舰船中的独立供电系统多通过发电机经电能变换后输出作为系统的供电母线，多种用电负载直接或间接通过功率变换器从母线上获得多种电压等级的供电，如115V/400Hz交流、28V低压直流负载等。随着供电系统负载功率和设备类型增加，呈现出多等级电网混合交联、多元电气设备动态加载的特征，由此产生的电磁干扰(EMI)呈现出多干扰源、多耦合途径的特点，给独立供电系统的传导电磁干扰分析和抑制带来诸多挑战。

为了抑制独立供电系统的传导电磁干扰，一般在设备的电源输入端加装电磁干扰滤波器。对于单个的电力电子设备，在设计滤波器时一般都把线性阻抗稳定网络(LISN)作为负载进行设计，这种假设认为负载是固定线性的。然而对于像多电飞机电力系统和潜艇中压电力系统是由许多电力电子设备构成的，每个电力电子设备都是独立的干扰源向供电母线发射干扰，同时其他的电力电子设备阻抗都将成为该设备的干扰负载。由于实际系统中对于单台设备的干扰负载是变化的，必然会引起源阻抗和负载阻抗的匹配问题，有些情况下可能与滤波器设计时假设的情况恰恰相反，此时会在某些频段发生谐振，将干扰信号放大，造成对敏感设备的干扰。

现有的EMI滤波器设计方法均是针对设备级开展，仅考虑到了干扰源的阻抗对滤波器插入损耗的影响，未考虑设备接入系统后多种设备负载阻抗对滤波效果的影响。因此，当前尚未有研究针对独立供电系统开展系统级(相对于设备级)传导干扰的滤波方法。虽然接入系统的设备均匹配了满足相应标准的EMI滤波器，但并不能保证系统的电磁兼容性。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出了一种基于黑箱模型的系统级传导干扰滤波电路设计方法，采用标准拓扑结构，只需根据不同设备工况优化电路参数，达到最优滤波效果。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于黑箱模型的系统级传导干扰滤波电路设计方法，包括：

测量设备断电状态下端口的S参数矩阵；

测量设备开机状态下电源线的干扰电流；

通过所述S参数矩阵计算得到设备阻抗矩阵，通过所述设备阻抗矩阵和所述干扰电流计算等效干扰源，构建设备级传导干扰模型；

将所述设备级传导干扰模型进行级联，获得系统传导干扰模型；

在所述系统级传导干扰模型的基础上在设备输入端增加系统滤波电路，对所述系统滤波电路的参数进行优化，获取最优滤波参数。

可选的，测量设备断电状态下端口的S参数矩阵包括：

采用矢量网络分析仪通过同轴电缆接射频开关矩阵，被测设备各端口通过单芯导线接转接板上SMA连接器的插针，转接板上的SMA连接器通过同轴电缆与射频开关矩阵连接，测得被测设备各端口的S参数，通过所述S参数获得被测设备的S参数矩阵。

可选的，通过所述S参数计算得到设备阻抗矩阵包括：

[Z]＝([I_d]-[S_Zref])^-1·([I_d]+[S_Zref])·[Zref]其中，[I_d]为单位矩阵；[Zref]为S参数测量时的参考阻抗矩阵；[S_Zref]为依据参考阻抗矩阵下测得的S参数矩阵。

可选的，测量设备开机状态下电源线的干扰电流包括：

设备电源通过线性阻抗稳定网络接入设备，采用宽频电流探头卡在设备电源线上，并采用频谱分析仪测量每条电源线上的电流频谱，测得设备开机状态下电源线的干扰电流。

可选的，通过所述设备阻抗矩阵和所述干扰电流计算等效干扰源包括：

[E_th]＝([Z]+[Z_o])·[I]

其中，[Z]为设备阻抗矩阵，[Z_o]为50欧姆的对角阵，[I]为每条电源线上的电流频谱。

可选的，所述系统滤波电路由并联电路Zss和串联电路Zsp组成。

可选的，所述并联电路Zss由电容C_S和电阻R_S组成；

所述串联电路Zsp由电感L_P和电阻R_P组成。

可选的，在所述系统级传导干扰模型的基础上在设备输入端增加系统滤波电路，对所述系统滤波电路的参数进行优化，获取最优滤波参数包括：

在系统级传导干扰模型基础上，在设备前端加入并联和串联滤波电路拓扑，通过遗传算法对滤波电路参数进行优化，滤波电路中电感或电容值初始值设置为设备滤波器其中电感或电容值的十分之一；同时元器件值选取遵循约束为：在设备工作频率上，电容Cs的阻抗要远大于电阻Rs值，电感Lp的阻抗则要远小于电阻Rp；在滤波器工作频率150kHz-30MHz内，电容Cs的阻抗要小于电阻Rs值，电感Lp的阻抗则要远大于电阻Rp；遗产算法目标函数采用仿真获得的传导发射频谱P(f)与标准限值Ps(f)的量化差异，计算如下：

本发明技术效果：本发明公开了一种基于黑箱模型的系统级传导干扰滤波电路设计方法，采用黑箱建模方法获取独立供电系统中各设备的传导干扰模型，并通过此模型的级联构建系统级传导干扰模型，基于模型优化系统级传导干扰滤波电路参数；其中设备级黑箱模型可根据设备多种典型工况建立，系统级滤波电路采用标准拓扑结构，只需根据不同设备工况优化电路参数，达到最优滤波效果。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例基于黑箱模型的系统级传导干扰滤波电路设计方法的流程示意图；

图2为本发明实施例断电状态下测量设备的测量接线图；

图3为本发明实施例开机状态下的测量配置图；

图4为本发明实施例设备级传导干扰模型示意图；

图5为本发明实施例增加滤波电路拓扑电路示意图；

图6为本发明实施例滤波电路示意图，其中(a)为Zss电路图，(b)为Zsp电路图；

图7为本发明实施例遗传算法示意图；

图8为本发明实施例仿真效果示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

如图1所示，本实施例中提供一种基于黑箱模型的系统级传导干扰滤波电路设计方法，包括：

测量设备断电状态下端口的S参数矩阵；

测量设备开机状态下电源线的干扰电流；

通过S参数矩阵计算得到设备阻抗矩阵，通过设备阻抗矩阵和干扰电流计算等效干扰源，构建设备级传导干扰模型；

将设备级传导干扰模型进行级联，获得系统传导干扰模型；

在系统级传导干扰模型的基础上在设备输入端增加系统滤波电路，对系统滤波电路的参数进行优化，获取最优滤波参数。

步骤一、设备断电状态下测量设备的电源端口的S参数，测量接线图如图2所示。矢量网络分析仪通过50欧姆同轴电缆接射频开关矩阵，被测设备各端口通过单芯导线接转接板上SMA连接器的插针，转接板上的SMA连接器通过50欧姆同轴电缆与射频开关矩阵连接。通过测得的被测设备各端口S参数可以获得被测设备的阻抗矩阵。

[Z]＝([I_d]-[S_Zref)^-1·([I_d]+[S_Zref])·Zref]

其中，[I_d]为单位矩阵；[Zref]为S参数测量时的参考阻抗矩阵，一般是50W的对角阵；[S_Zref]为依据参考阻抗矩阵[Zref]下测得的S参数矩阵。

步骤二、设备开机状态下，测量设备电源线的干扰电流。测量配置如图3所示，设备电源通过线性阻抗稳定网络LISN接入设备，使用宽频电流探头卡在设备电源线上，并使用频谱分析仪测量每条电源线上的电流频谱[I]。通过测量到的电流和步骤1所得到的阻抗矩阵，可以推导出设备等效干扰电压源。

[E_th]＝([Z]+[Z_o])·[I]

由于使用了线性阻抗稳定网络LISN，所以[Z_o]是50Ω的对角阵。

由此可建立设备级传导干扰模型，如图4所示(以五端口设备为例)。考虑设备不同工况，可以分别测量其电源线干扰电流，进而计算出不同工况下的等效干扰源[Eth]。

重复步骤一和步骤二，获得系统中所有设备的传导干扰模型，将模型按照系统接线图级联即可获得系统级传导干扰模型。

在系统级传导干扰模型基础上，增加滤波电路拓扑，如图5所示，其中滤波电路主要由并联电路Zss和串联电路Zsp组成，电路结构如图6所示，其中(a)为Zss电路图，(b)为Zsp电路图。

采用如图7所示遗传算法，基于系统级传导干扰模型，对图六中每个滤波电路参数Cs_i、Rs_i、Rp_i、Lp_i进行优化，获取最优滤波参数。使用遗传算法进行优化时，滤波电路中电感或电容值初始值设置为设备滤波器其中电感或电容值的十分之一。同时元器件值选取应遵循如下约束：在设备工作频率上，Cs的阻抗要远大于Rs值，Lp的阻抗则要远小于Rp；在滤波器工作频率150kHz-30MHz内，Cs的阻抗要小于Rs值，Lp的阻抗则要远大于Rp；

遗传算法目标函数采用仿真获得的传导发射频谱P(f)与标准限值Ps(f)的量化差异。

通过仿真验证了本发明的效果，如图8所示，针对带有逆变器、电机等负载的独立供电系统，在直流母线上增加优化后的滤波电路可有效抑制系统传导发射。

装置功能介绍：

线性阻抗稳定网络LISN：是传导干扰测试中主要的测量仪器，目前电子电气设备电源端口的传导干扰测试主要是通过线性阻抗稳定网络测量设备工作时对电网的污染即发射干扰信号。

设备传导干扰发射测量配置，LISN的作用包括：

1)隔离。LISN放在电网电源与被测样品之间，滤去来自电网电源的电磁噪声，给被测样品提供纯净的电源，从而保证测量结果只是设备本身的干扰，保证测量的准确性。同样也会隔离来自被测样品的骚扰信号，防止过多的电磁干扰流向电网电源影响同一线路的其它设备。

2)供电。给测样品提供电源，且不能影响电网电源对被测样品正常供电。

3)阻抗稳定。在测量频率范围内提供标准规定的稳定线路阻抗。人为的拟制一个稳定的线路阻抗，为传导发射电压的测量统一测试条件。一般在测量频段范围内提供50Ω网络阻抗。

4)信号拾取。利用LISN的高通滤波器使EUT产生的干扰信号耦合至EMI接收机上，并阻止电网电源电压加至EMI接收机。

矢量网络分析仪：主要用来测量检测被测设备端口的S参数。矢量网络分析仪有两个端口，Port1和Port2，将被测设备端口中的两个分别接Port1和Port2，可以测量这两个端口的S参数，利用射频开关矩阵，依次两两测量，直至将设备所有端口测量完毕。未接入矢量网络分析仪测量端口的设备端对地接入50欧姆电阻。

射频开关矩阵：射频开关矩阵的作用是实现矢量网络分析仪端口的自动测量，而不用人工切换测试端口。本发明中被测设备有N个端口。若要完成所有端口S参数的测量，需要分别将矢量网络分析仪的2个端口连接至设备端中的2个，然后两两循环测量直至覆盖所有端口。一般矢量网络分析仪只有2个端口，为了实现自动切换，提高测量速度，需要使用射频开关矩阵，可以根据上位机发出的控制型号，自动完成测量端口的切换。

以上，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种基于黑箱模型的系统级传导干扰滤波电路设计方法，其特征在于，包括：测量设备断电状态下端口的S参数矩阵；

测量设备开机状态下电源线的干扰电流；

通过所述S参数矩阵计算得到设备阻抗矩阵，通过所述设备阻抗矩阵和所述干扰电流计算等效干扰源，构建设备级传导干扰模型；

将所述设备级传导干扰模型进行级联，获得系统传导干扰模型；

在所述系统级传导干扰模型的基础上在设备输入端增加系统滤波电路，对所述系统滤波电路的参数进行优化，获取最优滤波参数。

2.如权利要求1所述的基于黑箱模型的系统级传导干扰滤波电路设计方法，其特征在于，测量设备断电状态下端口的S参数矩阵包括：

采用矢量网络分析仪通过同轴电缆接射频开关矩阵，被测设备各端口通过单芯导线接转接板上SMA连接器的插针，转接板上的SMA连接器通过同轴电缆与射频开关矩阵连接，测得被测设备各端口的S参数，通过所述S参数获得被测设备的S参数矩阵。

3.如权利要求1所述的基于黑箱模型的系统级传导干扰滤波电路设计方法，其特征在于，通过所述S参数计算得到设备阻抗矩阵包括：

[Z]＝([I_d]-[S_Zref])^-1·([I_d]+[S_Zref])·[Zref]

其中，[I_d]为单位矩阵；[Zref]为S参数测量时的参考阻抗矩阵；[S_Zref]为依据参考阻抗矩阵下测得的S参数矩阵。

4.如权利要求1所述的基于黑箱模型的系统级传导干扰滤波电路设计方法，其特征在于，测量设备开机状态下电源线的干扰电流包括：

设备电源通过线性阻抗稳定网络接入设备，采用宽频电流探头卡在设备电源线上，并采用频谱分析仪测量每条电源线上的电流频谱，测得设备开机状态下电源线的干扰电流。

5.如权利要求1所述的基于黑箱模型的系统级传导干扰滤波电路设计方法，其特征在于，通过所述设备阻抗矩阵和所述干扰电流计算等效干扰源包括：

[E_th]＝([Z]+[Z_o])·[I]

其中，[Z]为设备阻抗矩阵，[Z_o]为50欧姆的对角阵，[I]为每条电源线上的电流频谱。

6.如权利要求1所述的基于黑箱模型的系统级传导干扰滤波电路设计方法，其特征在于，所述系统滤波电路由并联电路Zss和串联电路Zsp组成。

7.如权利要求6所述的基于黑箱模型的系统级传导干扰滤波电路设计方法，其特征在于，

所述并联电路Zss由电容C_S和电阻R_S组成；

所述串联电路Zsp由电感L_P和电阻R_P组成。

8.如权利要求7所述的基于黑箱模型的系统级传导干扰滤波电路设计方法，其特征在于，在所述系统级传导干扰模型的基础上在设备输入端增加系统滤波电路，对所述系统滤波电路的参数进行优化，获取最优滤波参数包括：

在系统级传导干扰模型基础上，在设备前端加入并联和串联滤波电路拓扑，通过遗传算法对滤波电路参数进行优化，滤波电路中电感或电容值初始值设置为设备滤波器其中电感或电容值的十分之一；同时元器件值选取遵循约束为：在设备工作频率上，电容Cs的阻抗要远大于电阻Rs值，电感Lp的阻抗则要远小于电阻Rp；在滤波器工作频率150kHz-30MHz内，电容Cs的阻抗要小于电阻Rs值，电感Lp的阻抗则要远大于电阻Rp；遗产算法目标函数采用仿真获得的传导发射频谱P(f)与标准限值Ps(f)的量化差异，计算如下：