CN118282193A - 一种基于反馈式电流补偿的有源emi滤波器及变换器系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于反馈式电流补偿的有源EMI滤波器及变换器系统，包括：供电电路、共模电流检测电路、电压跟随器、反相放大器和电流放大器；供电电路为电路供电；共模电流检测电路检测共模电流并输出电压信号；电压跟随器保持输出电压信号的值；反相放大器放大输出的电压信号，调整输出电流相位与共模电流相位相反；电流放大器将放大的输出电压信号转为电流信号，提供额外电流，使输出的抵消电流达到系统共模电流的值；供电电路与其他电路相连；共模电流检测电路与电压跟随器相连；电压跟随器与反相放大器相连，反相放大器与电流放大器相连，电流放大器输出端接地。本发明在抑制变换器系统共模EMI的同时减小EMI滤波器的体积，降低EMI滤波器成本。

Description

一种基于反馈式电流补偿的有源EMI滤波器及变换器系统

技术领域

本发明涉及电力电子装置传导EMI抑制技术领域，尤其涉及一种基于反馈式电流补偿的有源EMI滤波器及变换器系统。

背景技术

电力电子装置因其优越的性能已经应用于很多的行业中，然而由于电力电子装置的高速开关，从而产生严重的电磁干扰。电磁干扰具有很大的危害性，例如：降低电子设备元器件的寿命、破坏信号的完整性而使信息传递出错等等。为保证系统的可靠运行，必须对其产生的电磁干扰加以抑制，将电磁干扰值限制在标准规定的范围内。

共模电磁干扰在整个系统内传播，相对来说较为复杂。工程上通常采用共模EMI滤波器实现共模电磁干扰的抑制。为了降低EMI滤波器的体积，通常要使用有源EMI滤波器，然而普遍的有源EMI滤波器是通过运放等有源器件构造的，导致构造成本较高，经济效益不够好。

发明内容

本发明提供一种基于反馈式电流补偿的有源EMI滤波器及变换器系统，以克服现有有源EMI滤波器组成器件造价较高的问题。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种基于反馈式电流补偿的有源EMI滤波器，与电力电子变换器和线路阻抗稳定网络相连，包括：供电电路、共模电流检测电路、电压跟随器、反相放大器和电流放大器；

所述供电电路用于提供电源；所述共模电流检测电路用于检测所述线路阻抗稳定网络的共模电流并输出电压信号；所述电压跟随器用于保持所述输出电压信号的值；所述反相放大器用于放大电压跟随器输出的电压信号，并调整输出电流的相位与所述共模电流相位相反；所述电流放大器用于将反相放大器输出的电压信号转换为电流信号，并提供额外电流，使输出的抵消电流与电力电子变换器的共模电流相等；

所述供电电路与所述共模电流检测电路、所述电压跟随器、所述反相放大器和所述电流放大器均相连；所述共模电流检测电路的输出端与所述电压跟随器的输入端相连；所述电压跟随器的输出端与所述反相放大器的输入端相连，所述反相放大器的输出端与所述电流放大器的输入端相连，所述电流放大器的输出端接地。

进一步的，所述反相放大器包括：所述反相放大器包括：第五电阻R₅、第六电阻R₆、第七电阻R₇、第八电阻R₈、第九电阻R₉、第二三极管T₂、第三电容C₃和第四电容C₄；

所述第五电阻R₅的一端分别和所述第六电阻R₆的一端以及所述第二三极管T₂的基极相连，所述第五电阻R₅的另一端与电源的+V_CC相连，所述第六电阻R₆的另一端与电源的-V_CC相连；所述第七电阻R₇的一端分别和所述第三电容C₃的一端以及所述第二三极管T₂的集电极相连，所述第七电阻R₇的另一端与电源的+V_CC相连；所述第八电阻R₈的一端与所述第二三极管T₂的发射极相连，所述第八电阻R₈的另一端分别与所述第九电阻R₉的一端以及所述第四电容C₄的一端相连；所述第九电阻R₉的另一端和所述第四电容C₄的另一端与电源的-V_CC相连。

进一步的，所述电压跟随器包括：第二电阻R₂、第三电阻R₃、第四电阻R₄、第一三极管T₁、第一电容C₁、第二电容C₂；

所述第一电容C₁的一端、所述第二电阻R₂的一端分别和所述第三电阻R₃的一端以及所述第一三极管T₁的基极相连；所述第二电阻R₂的另一端与电源的+V_CC相连；所述第三电阻R₃的另一端与电源的-V_CC相连；所述第一三极管T₁的集电极与电源的+V_CC相连；所述第四电阻R₄的一端分别与所述第一三极管T₁的发射极以及所述第二电容C₂的一端相连；所述第四电阻R₄的另一端与电源的-V_CC相连；所述第二电容C₂的另一端分别与所述第五电阻R₅的一端、所述第六电阻R₆的一端和所述第二三极管T₂的基极相连。

进一步的，所述电流放大电路包括：第十电阻R₁₀、第十一电阻R₁₁、第十二电阻R₁₂、第十三电阻R₁₃、第十四电阻R₁₄、第三三极管T₃、第四三极管T₄、第五电容C₅、第一二极管D₁和第二二极管D₂；

所述第三电容C₃的另一端分别与所述第一二极管D₁的负极以及所述第二二极管D₂的正极相连；所述第一二极管D₁的正极分别与所述第十电阻R₁₀的一端以及所述第三三极管T₃的基极相连；所述第十电阻R₁₀的另一端分别和所述第三三极管T₃的集电极以及电源的+V_CC相连；所述第二二极管D₂的负极分别与所述第十一电阻R₁₁的一端以及所述第四三极管T₄的基极相连；所述第十一电阻R₁₁的另一端分别和所述第四三极管T₄的集电极以及电源的-V_CC相连；所述第三三极管T₃的发射极与所述第十二电阻R₁₂的一端相连；所述第十二电阻R₁₂的另一端分别与所述第十三电阻R₁₃的一端以及所述第十四电阻R₁₄的一端相连；所述第十三电阻R₁₃的另一端与所述第四三极管T₄的发射极相连；所述第十四电阻R₁₄的另一端与所述第五电容C₅相连；所述第五电容C₅的另一端接地。

进一步的，所述共模电流检测电路包括：互感器和第一电阻R₁；

所述互感器一次侧绕组W₁、W₂接入变换器；所述互感器二次侧绕组W₃与所述第一电阻R₁两端相连；所述第一电阻R₁的一端与电源地相连；所述第一电阻R₁的另一端与所述第一电容C₁的另一端相连。

进一步的，所述第五电容C₅为uF级别。

进一步的，所述第一三极管T₁、所述第二三极管T₂和所述第三三极管T₃为NPN结构；所述第四三极管T₄为PNP结构。

进一步的，还包括一种电力电子变换器系统，其包括所述的基于反馈式电流补偿的有源EMI滤波器。

本发明一种基于反馈式电流补偿的有源EMI滤波器及变换器系统通过设计电压跟随器和反相放大器，降低后级对共模电流检测电路的影响并放大电压跟随器的电压，本发明在抑制变换器系统共模EMI的同时，减小EMI滤波器的体积，降低EMI滤波器成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为通用的电力电子变换器系统的示意图；

图2为本发明一种基于反馈式电流补偿的有源EMI滤波器的原理图；

图3为电力电子变换器在接地回路中加入有源EMI滤波器后的示意图；

图4为电力电子变换器在接地回路中加入有源EMI滤波器之后的等效电路图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本实施例提供了一种基于反馈式电流补偿的有源EMI滤波器，如图2所示，与电力电子变换器和线路阻抗稳定网络相连，包括：供电电路、共模电流检测电路、电压跟随器、反相放大器和电流放大器；

所述供电电路用于提供电源；所述共模电流检测电路用于检测所述线路阻抗稳定网络的共模电流并输出电压信号；所述电压跟随器用于保持所述输出电压信号的值；所述反相放大器用于放大电压跟随器输出的电压信号，并调整输出电流的相位与所述共模电流相位相反；所述电流放大器用于将反相放大器输出的电压信号转换为电流信号，并提供额外电流，使输出的抵消电流与电力电子变换器的共模电流相等；

所述供电电路与所述共模电流检测电路、所述电压跟随器、所述反相放大器和所述电流放大器均相连；所述共模电流检测电路的输出端与所述电压跟随器的输入端相连；所述电压跟随器的输出端与所述反相放大器的输入端相连，所述反相放大器的输出端与所述电流放大器的输入端相连，所述电流放大器的输出端接地。

具体地，本发明中有源EMI滤波器电流放大器输出的抵消电流在共模电流检测电路检测共模电流位置的后面，为反馈式电流补偿的有源EMI滤波器；与电力电子变换器和线路阻抗稳定网络相连，供电电路与所述共模电流检测电路、所述电压跟随器、所述反相放大器和所述电流放大器相连；所述共模电流检测电路检测线路阻抗稳定网络的共模电流，与所述电压跟随器的输入端相连，所述电压跟随器输入电阻大，输出电阻小，能够降低后级对共模电流检测电路的影响；所述电压跟随器的输出端与所述反相放大器的输入端相连，所述反相放大器的电压增益大，通过所述反相放大器将电压跟随器的电压值放大，并调整电流的相位，使其输出的抵消电流与检测到的共模电流相位相反；所述反相放大器的输出端与所述电流放大器的输入端相连，用于提升有源EMI滤波器输出电流的能力，保证有源EMI滤波器的抑制效果。

在具体实施例中，所述反相放大器包括：第五电阻R₅、第六电阻R₆、第七电阻R₇、第八电阻R₈、第九电阻R₉、第二三极管T₂、第三电容C₃和第四电容C₄；

所述第五电阻R₅的一端分别和所述第六电阻R₆的一端以及所述第二三极管T₂的基极相连，所述第五电阻R₅的另一端与电源的+V_CC相连，所述第六电阻R₆的另一端与电源的-V_CC相连；所述第七电阻R₇的一端分别和所述第三电容C₃的一端以及所述第二三极管T₂的集电极相连，所述第七电阻R₇的另一端与电源的+V_CC相连；所述第八电阻R₈的一端与所述第二三极管T₂的发射极相连，所述第八电阻R₈的另一端分别与所述第九电阻R₉的一端以及所述第四电容C₄的一端相连；所述第九电阻R₉的另一端分别和所述第四电容C₄的另一端与电源的-V_CC相连。

本实施例设计的反相放大器中，第五电阻R₅为5K欧姆，第六电阻R₆为2K欧姆，第七电阻R₇为100欧姆，第八电阻R₈为10欧姆，第九电阻R₉为510欧姆，第三电容C₃、第四电容C₄均为10微法。

所述反相放大器能够将共模电流检测电路中输出的电压信号进行放大，并调整输出电流的相位与所述电力电子变换器共模电流大小相等，相位相反；在所述反相放大器中设计多个电阻，用来产生偏置电压，所述反相放大器中的电压放大倍数与所述三级管的电流放大倍数β、基极与发射极间电阻r_be、集电极电阻、发射极电阻以及其负载相关，在第九电阻R₉两端并联电容C₄用于提高电压的放大倍数，使用三极管零件简单，能够减少成本。

在具体实施例中，所述电压跟随器包括：第二电阻R₂、第三电阻R₃、第四电阻R₄、第一三极管T₁、第一电容C₁、第二电容C₂；

所述第一电容C₁的一端、所述第二电阻R₂的一端分别和所述第三电阻R₃的一端与所述第一三极管T₁的基极相连；所述第二电阻R₂的另一端与电源的+V_CC相连；所述第三电阻R₃的另一端与电源的-V_CC相连；所述第一三极管T₁的集电极与电源的+V_CC相连；所述第四电阻R₄的一端分别与所述第一三极管T₁的发射极以及所述第二电容C₂的一端相连；所述第四电阻R₄的另一端与电源的-V_CC相连；所述第二电容C₂的另一端分别与所述第五电阻R₅的一端、所述第六电阻R₆的一端和所述第二三极管T₂的基极相连。

本方案中设计的电压跟随器，第二电阻R₂为7.5K欧姆，第三电阻R₃为10K欧姆，第四电阻R₄为2K欧姆，第一电容C₁、第二电容C₂均为10微法。

在所述电压跟随器中设计多个电阻，用于产生偏置电压，电压跟随器输入电阻大，输出电阻小，从而可以降低后级对于共模电流检测电路的影响，设计电压跟随器可以提高有源EMI滤波器的抑制效果。

在具体实施例中，所述电流放大电路包括：第十电阻R₁₀、第十一电阻R₁₁、第十二电阻R₁₂、第十三电阻R₁₃、第十四电阻R₁₄、第三三极管T₃、第四三极管T₄、第五电容C₅、第一二极管D₁和第二二极管D₂；

所述第三电容C₃的另一端分别与所述第一二极管D₁的负极和所述第二二极管D₂的正极相连；所述第一二极管D₁的正极分别与所述第十电阻R₁₀的一端和所述第三三极管T₃的基极相连；所述第十电阻R₁₀的另一端分别和所述第三三极管T₃的集电极与电源的+V_CC相连；所述第二二极管D₂的负极分别与所述第十一电阻R₁₁的一端和所述第四三极管T₄的基极相连；所述第十一电阻R₁₁的另一端分别和所述第四三极管T₄的集电极与电源的-V_CC相连；所述第三三极管T₃的发射极与所述第十二电阻R₁₂的一端相连；所述第十二电阻R₁₂的另一端分别与所述第十三电阻R₁₃的一端和所述第十四电阻R₁₄的一端相连；所述第十三电阻R₁₃的另一端与所述第四三极管T₄的发射极相连；所述第十四电阻R₁₄的另一端与所述第五电容C₅相连；所述第五电容C₅的另一端接地。

本方案设计的电流放大器，第十电阻R₁₀、第十一电阻R₁₁均为1K欧姆，第十二电阻R₁₂、第十三电阻R₁₃、第十四电阻R₁₄均为1欧姆，第五电容C₅为1微法。

所述第十电阻R₁₀和第十一电阻R₁₁用来产生偏置电压，第十二电阻R₁₂和第十三电阻R₁₃是防止三级管运行时发生温漂而加入的电阻，加入的二极管D₁、D₂则是为了消除输入电压过小时的死区效应，设计电流放大器，通过两个互补三极管的交替工作，两个输出级可以提供额外的电流，同时两个输出级能够有效地匹配负载的阻抗，而且可以降低输出阻抗，提高带载能力，从而增加了整个电路的输出电流能力，用于提升有源滤波器输出电流的能力，保证有源滤波器的共模EMI抑制效果。

在具体实施例中，所述共模电流检测电路包括：互感器和第一电阻R₁；

所述互感器一次侧绕组W₁、W₂分别接入变换器；所述互感器二次侧绕组W₃与所述第一电阻R₁两端相连；所述第一电阻R₁的一端与电源地相连；所述第一电阻R₁的另一端与所述第一电容C₁的另一端相连。

本实施例中所述互感器一次侧绕组W₁、W₂闸数相等；所述互感器一次侧绕组W₁、W₂和所述互感器二次侧绕组W₃共用一个磁芯，耦合紧密。

在具体实施例中，所述第五电容C₅为uF级别。

所述第五电容C₅为uF级别，能够保证电流放大器的输出，从而充分抑制变换器系统直流侧的共模电磁干扰。

在具体实施例中，所述第一三极管T₁、所述第二三极管T₂和所述第三三极管T₃为NPN结构；所述第四三极管T₄为PNP结构。

本实施例中选用多个三极管替代功放，零件简单，能够节约有源EMI滤波器的成本。

在具体实施例中，如图1所示，还包括一种电力电子变换器系统，其包括所述的基于反馈式电流补偿的有源EMI滤波器。

所述电力电子变换器系统的示意图如图1所示，图中包括直流电源，用于所述有源EMI滤波器测试的线路阻抗稳定网络LISNs，电力电子变换器和寄生电容C_p；所述系统中的共模电流I_CM由开关器件对大地的所述寄生电容C_p产生。

所述电压跟随器中的第二电阻R₂、第三电阻R₃、第四电阻R₄和所述反相放大器中的第五电阻R₅、第六电阻R₆、第七电阻R₇、第八电阻R₈、第九电阻R₉用来产生偏置电压。

图3为所述电力电子变换器接入本发明设计的有源EMI滤波器后的电路图，所述有源EMI滤波器输出电流数倍于检测到的共模电流且应尽可能增大输出电流的值，从而使其输出电流I_Cancel与系统的共模电流I_CM大小相等、相位相反，从而实现对变换器系统共模EMI的抑制。

图4为所述电力电子变换器接入本发明设计的有源EMI滤波器后的等效电路图。图中，V_CM是整个系统的共模电压源，I_LISN是流过LISN的共模电流，I_CM是流过Z_CM的共模电流，Z_CM是负载的等效共模阻抗，Z_LISN是并联LISN的等效共模阻抗；为了减小互感器的体积，所述互感器的一次侧匝数为1，二次侧匝数为n。对于电压跟随器来说，放大倍数近似为1。由于LISN的共模阻抗较小，此处近似认为直流母线负母线的共模电压近似为0，得到公式(1)，

其中，V₁是电压跟随器的输入电压值，V₂是反相放大器放大的电压值，Z_inj是第十四电阻R₁₄和第五电容C₅的串联阻抗值，I_LISN是流过LISN的共模电流，A是反相放大器的电压放大倍数，I_Cancel是有源EMI滤波器的输出电流；对于Z_inj通常情况下，第五电容C₅的阻抗一般足够小，因此可以认为Z_inj阻抗值与第十四电阻R₁₄的阻值相等；综上，得到有源EMI滤波器的电流放大系数如公式(2)所示，

其中，G表示有源EMI滤波器的电流放大系数；

根据等效电路可以得到公式(3)，

通过化简公式(3)，得到此时直流侧的共模电流I_LISN如公式(4)所示，

可以看到如果放大倍数G足够大，且小于0，那么直流侧的共模电流I_LISN在理论上为0，即注入的抵消电流与系统运行时产生的共模电流相互抵消，那么系统此时的共模EMI得到了充分的抑制。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (8)

1.一种基于反馈式电流补偿的有源EMI滤波器，与电力电子变换器和线路阻抗稳定网络相连，其特征在于，包括：供电电路、共模电流检测电路、电压跟随器、反相放大器和电流放大器；

所述供电电路用于提供电源；所述共模电流检测电路用于检测所述线路阻抗稳定网络的共模电流并输出电压信号；所述电压跟随器用于保持所述输出电压信号的值；所述反相放大器用于放大电压跟随器输出的电压信号，并调整输出电流的相位与所述共模电流相位相反；所述电流放大器用于将反相放大器输出的电压信号转换为电流信号，并提供额外电流，使输出的抵消电流与电力电子变换器的共模电流相等；

所述供电电路与所述共模电流检测电路、所述电压跟随器、所述反相放大器和所述电流放大器均相连；所述共模电流检测电路的输出端与所述电压跟随器的输入端相连；所述电压跟随器的输出端与所述反相放大器的输入端相连，所述反相放大器的输出端与所述电流放大器的输入端相连，所述电流放大器的输出端接地。

2.根据权利要求1所述的一种基于反馈式电流补偿的有源EMI滤波器，其特征在于，所述反相放大器包括：第五电阻R₅、第六电阻R₆、第七电阻R₇、第八电阻R₈、第九电阻R₉、第二三极管T₂、第三电容C₃和第四电容C₄；

所述第五电阻R₅的一端分别和所述第六电阻R₆的一端以及所述第二三极管T₂的基极相连，所述第五电阻R₅的另一端与电源的+V_CC相连，所述第六电阻R₆的另一端与电源的-V_CC相连；所述第七电阻R₇的一端分别和所述第三电容C₃的一端以及所述第二三极管T₂的集电极相连，所述第七电阻R₇的另一端与电源的+V_CC相连；所述第八电阻R₈的一端与所述第二三极管T₂的发射极相连，所述第八电阻R₈的另一端分别与所述第九电阻R₉的一端以及所述第四电容C₄的一端相连；所述第九电阻R₉的另一端分别和所述第四电容C₄的另一端与电源的-V_CC相连。

3.根据权利要求1所述的一种基于反馈式电流补偿的有源EMI滤波器，其特征在于，所述电压跟随器包括：第二电阻R₂、第三电阻R₃、第四电阻R₄、第一三极管T₁、第一电容C₁、第二电容C₂；

所述第一电容C₁的一端、所述第二电阻R₂的一端分别和所述第三电阻R₃的一端与所述第一三极管T₁的基极相连；所述第二电阻R₂的另一端与电源的+V_CC相连；所述第三电阻R₃的另一端与电源的-V_CC相连；所述第一三极管T₁的集电极与电源的+V_CC相连；所述第四电阻R₄的一端分别与所述第一三极管T₁的发射极以及所述第二电容C₂的一端相连；所述第四电阻R₄的另一端与电源的-V_CC相连；所述第二电容C₂的另一端分别与所述第五电阻R₅的一端、所述第六电阻R₆的一端和所述第二三极管T₂的基极相连。

4.根据权利要求1所述的一种基于反馈式电流补偿的有源EMI滤波器，其特征在于，所述电流放大电路包括：第十电阻R₁₀、第十一电阻R₁₁、第十二电阻R₁₂、第十三电阻R₁₃、第十四电阻R₁₄、第三三极管T₃、第四三极管T₄、第五电容C₅、第一二极管D₁和第二二极管D₂；

所述第三电容C₃的另一端分别与所述第一二极管D₁的负极和所述第二二极管D₂的正极相连；所述第一二极管D₁的正极分别与所述第十电阻R₁₀的一端和所述第三三极管T₃的基极相连；所述第十电阻R₁₀的另一端分别和所述第三三极管T₃的集电极与电源的+V_CC相连；所述第二二极管D₂的负极分别与所述第十一电阻R₁₁的一端和所述第四三极管T₄的基极相连；所述第十一电阻R₁₁的另一端分别和所述第四三极管T₄的集电极与电源的-V_CC相连；所述第三三极管T₃的发射极与所述第十二电阻R₁₂的一端相连；所述第十二电阻R₁₂的另一端分别与所述第十三电阻R₁₃的一端和所述第十四电阻R₁₄的一端相连；所述第十三电阻R₁₃的另一端与所述第四三极管T₄的发射极相连；所述第十四电阻R₁₄的另一端与所述第五电容C₅相连；所述第五电容C₅的另一端接地。

5.根据权利要求1所述的一种基于反馈式电流补偿的有源EMI滤波器，其特征在于，所述共模电流检测电路包括：互感器和第一电阻R₁；

所述互感器一次侧绕组W₁、W₂分别接入所述电力电子变换器所述互感器二次侧绕组W₃与所述第一电阻R₁两端相连；所述第一电阻R₁的一端与电源地相连；所述第一电阻R₁的另一端与所述第一电容C₁的另一端相连。

6.根据权利要求4所述的一种基于反馈式电流补偿的有源EMI滤波器，其特征在于，所述第五电容C₅为uF级别。

7.根据权利要求1-6任意所述的一种基于反馈式电流补偿的有源EMI滤波器，其特征在于，所述第一三极管T₁、所述第二三极管T₂和所述第三三极管T₃为NPN结构；所述第四三极管T₄为PNP结构。

8.一种电力电子变换器系统，其包括如权利要求1所述的基于反馈式电流补偿的有源EMI滤波器。