CN1679222A - 有源emi滤波器 - Google Patents

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Abstract

一种有源EMI滤波器(100)，根据连接到地线或电力传输线的电容器(C1)上的电压感测该线的电流。EMI滤波器(100)感测共模电压并确定共模电压与噪声之间的差，提供使差为零的输出。获得的有源闭环EMI滤波器(100)产生好的EMI抑制，具有明显优于电流互感器型EMI滤波器的增加的性能。误差放大器(102)的电压调整器提高噪声降低性能，同时增加滤波器效率。有源EMI滤波器(100)工作在宽的线性范围内，该范围大于同等的电流互感器电路的工作范围，同时提供低成本和高可靠性。

Description

有源EMI滤波器
相关申请
本申请基于并主张于2002年6月25日提交的标题为“不具有电流感应器件的有源EMI滤波器”的美国临时申请第60/391,987号，以及于2002年9月5日提交的标题为“有源EMI滤波器”的美国临时申请第60/408,534号的权益，此处要求上述两者的优先权。
技术领域
本发明涉及动力传送系统中电磁干扰(EMI)的衰减，特别涉及电动机驱动系统中的EMI降低。
背景技术
例如双极型晶体管、MOSFET和IGBT的高速开关器件能够增加电压源PWM(脉宽调制)倒相器的载频，因此产生更好的工作特性。但是，源自于电压和/或电流中的高变化率，高速开关产生以下的严重问题：
a)通过电动机内的杂散电容器并通过长的导线流到地的接地电流；
b)传导并辐射的EMI；
c)电动机轴承电流和轴电压；以及
c)缩短电动机和变压器的绝缘寿命。
当开关器件改变状态时，因为在如交流电动机的负载内以及开关转换器内不可避免的存在寄生的杂散电容，所以高速开关导致的电压和/或电流变化产生高频振荡的共模和正常模式电流。因此，每次在出现倒相器开关动作时，对应于倒相器输出终端的电势相对于地快速移动，并且共模电流的脉冲流进直流传输线到达倒相器，经过散热(heatsink)电动机电缆和电动机线圈的电容接到达地面。对于乙类(民用的)电动机驱动，脉冲电流的幅度通常为几百毫安至几安；脉冲宽度通常为250至500纳秒。对于甲类驱动(工业的)，根据电动机的尺寸和电动机电缆的长度，脉冲电流幅度通常具有250纳秒至500纳秒脉冲宽度的几安，到具有1至2毫秒脉冲宽度的20安或者更大。
共模振荡电流的频谱范围可以从转换器的开关频率到几十兆赫兹，其产生磁场并且时钟产生辐射的电磁干扰(EMI)，因此有害地影响电子设备，例如无线电接收机、医疗器械等。
许多的政府限制应用到某种电动机应用中的可允许线电流EMI以及可允许接地电流的程度。因此，在B类民用(器具)应用中，接地电流在频率范围从0至30千赫兹(在对数曲线)上必须分别地保持在1至20毫安以下；传导的线电流EMI在频率范围从150千赫兹至300兆赫兹上必须保持在指定值(小于约60dBμV)以下。对于作为A类工业应用指定的电动机驱动应用，对于接地电流的限制较不严格，但是线电流EMI仍限制在150千赫赫兹30兆赫兹。
通常，基于无源元件的共模扼流圈(common mode choke)和EMI滤波器不能完全解决这些问题。由输入交流线中的共模电感器和“Y”电容器构成的无源滤波器已经用于过滤这种电动机驱动电路中的共模电流。无源共模滤波器可以对能被使用的PWM频率设置限制，该滤波器体积很大(经常是电动机驱动结构体积的主要部分)并且昂贵。此外，它们功能缺陷在于它们表现出不期望的与预期的滤波作用相反的共振。再者，在通常用途的工业设备中，驱动电路和电动机经常由电缆连接，电缆长达100米或更长。电缆越长，电动机电缆中传导的共模EMI就越大，并且传统的无源共模输入滤波器所需的尺寸也越大。
已知具有通过电阻器缩短的附加绕组的共模变压器能够抑制振荡的接地电流。遗憾的是，电路中仍存在小量的非周期接地电流。
用于控制脉宽调制(PWM)受控电动机驱动电路中共模电流的有源滤波器是众所周知的。在Satosbi Ogasawara等人的论文“Active Circuit forCancellation of Common-Mode Voltage Generated by a PWM Inverter”(IEESTransactions on Power Electronics，Vol.13，No.5，1998年9月)以及Ogasawara等人同名专利5831842中典型说明了这样的器件。
图10给出了典型的现有技术的有源滤波器电路或用于交流电动机的EMI和噪声消除器。因此，在图10中，包括输入端L和中性端的交流源连接到全波电桥连接的整流器40的交流输入接线端。尽管显示了单相电源，但是此处以及所有附图中将说明的原理适用于三相或多相输入。整流器40的正和负总线分别含有点A和D，并且在倒相器接线端B和F连接到三相桥式连接的PWM受控倒相器41。倒相器的输入交流接线端连接到交流电动机42。滤波器电容器40a也跨接在接线端B和F之间。电动机42具有接地的外壳，该外壳由接地接线端43a连接到地线43。
有源滤波器由一对晶体管Q1和Q2构成，Q1和Q2通过它们在节点E连接的射极与整流器40的直流输出线相交。这限定了由差接变压器的输出绕组44控制的放大器，差接变压器具有连接在整流器40的正和负输出总线的输入绕组45和46。绕组极性由传统的点符号指定。绕组44连接在晶体管Q1和Q2的控制端与共射节点E之间。直流隔离电容器47在节点C连接到地线43。
包括电容器47的有源滤波器定义了用于转移大部分共模电流的通路，共模电流能够另外地流入通路L或N、A、B、M(电动机42)、43、43a并回到L或N；(或者在极性相反时流入相反的通路)；或者流入通路L或N、D、F、M、43、43a(或者在极性相反时流入相反的通路)。因此，通过晶体管Q1和Q2的适当控制，对于“正电流”，对于来自正接线端A的电流，大部分共模电流可转移到通路B、M、C、E、Q2、F、B中，对于“负电流”大部分共模电流可转移到通路B、M、C、E、Q1、B中。共模电流流入负接线端D的通路，对于“正电流”经过通路F、M、C、E、Q2、F，对于“负电流”经过通路F、M、C、E、Q1、B。对于“正电流”转移的程度取决于绕组44的电流增益和Q2的电流增益，对于“负电流”取决于绕组44的电流增益和Q1的电流增益。为了获得足够程度的共模电流转移，绕组44与晶体管Q1和Q2的全部电流增益必须是高的。
为了提供足够高的电流增益，图10的感应变压器44、45、46很大且昂贵。非常期望降低该变压器的尺寸和成本，又不会危害电路的工作。另外的问题是由于需要高的电流增益，所以闭环电路具有产生有害振荡的趋势。
此外，已经发现晶体管Q1和Q2在由电路限定的“净空高度(headroom)”内的足够大的范围不能工作在它们的线性区，因此使有源滤波作用失败。通过考虑图10的近似等效电路能更好的理解晶体管Q1和Q2的集电极和发射极之间的净空高度或电压，如图11所示，其中C点的地电势与图10的中性线的电势相同。晶体管Q1和Q2分别显示分别具有并联二极管的电阻器R1和R2。直流桥40显示为两个直流电压源50和51，每个产生VDC/2的输出电压，其中VDC是接线端A和D处的正负总线之间的全输出电压，交流电压源52具有VDC/2的峰值交流电压。
从图11能够看出，净空高度能够在电压源52的循环的不同部分消失。因此考虑晶体管Q1和Q2的漏电阻抗相同的第一状况。在此情况下，电阻器R1和R2的值大约相等。如果假设电容器47的阻抗远小于R1和R2，在图11中，当接线端C处的地电势在(+)VDC/2与(-)VDC/2之间关于节点53的直流中点摆动，晶体管Q1和Q2的发射极处的电势也在(+)VDC/2与(-)VDC/2之间摆动。因此，在当节点E处的电势接近或等于直流总线(在点B或F)的电势的该期间内，对于有关晶体管Q1和Q2存在不充分的电压净空高度以作为线性放大器工作，并且有源滤波失去作用。
EMI滤波器在许多电磁应用中是公知的，特别是在功率转换系统中。包括功率变压器的系统通常含有功率倒相器，除了电动机驱动之外功率倒相器能够用于电源供应。功率倒相器通常通过以多相模式工作的电力传输线供应电功率。例如，在包括倒相器操作和电动机驱动的应用中通常是三相电源。三相电源包括三根在三对功率输送线之间具有电势的传输线。即，如果通过线L1、L2和L3施加三相输入，则在线L1和L2、线L2和L3、以及线L1和L3之间存在电势。这些相到相的电压通常是正弦的，并且彼此异相以提供足够的功率转换。
在如上所述的三相系统中，传输线用作传输电力信号中的差分电压对，电力信号是各对线之间的电压的值。这种电力传输方案在传输对于同时影响所有电力线的噪声干扰不敏感的电力信号中非常有用。即，如果所有电力线受到共同干扰或噪声信号的冲击，则所有线受影响程度相同，差分电压保持相同。因此，例如经常使用三相传输线承载共模电压，共模电压不会必然冲击输送到倒相器的电力信号。
当倒相器用于供能和控制电动机驱动系统时，倒相器通常使用高频开关将适当的电力信号引导至电动机绕组，以产生预期的操作性能。例如，能够操作倒相器用于指定的扭矩操作或预期的速度来控制电动机。由于倒相器的高频开关，所以经常出现在驱动电动机的线上存在电压突变的情况，这是EMI的固有来源。EMI能够产生共模噪声，共模噪声引起电动机控制信号、反馈信号I/O、传感器等内的干扰。此外，与倒相器输出和地的容性耦合，或电动机自身的接地能够产生高频接地电流，接地电流对控制信号和其它通信信号提供了进一步的干扰。高频接地电流还能够导致辐射干扰并产生接地环路，接地环路作为环形天线增加了辐射噪声的产生。高频接地电流还能够导致两个地电位点之间的瞬间电压差，其干扰控制和通信信号的合适基准。
有多种方法可用来降低和控制共模噪声和辐射的EMI。例如，使用屏蔽的电力电缆连接倒相器到电动机，以防止噪声电流从电动机驱动系统流到地面。连到电动机的电力线也可以是扭绞的，以提供平衡的容性耦合，以降低与地面的寄生容性耦合。经常在电动机的电力线上使用共模式扼流圈，以消弱共模噪声。EMI滤波器经常连接到倒相器的输出端作为低通滤波器，以从大地去除可能对电动机驱动系统的一个或多个部件产生接地电压差的共模噪声。
其它降低EMI噪声的技术是测量高频噪声电流，并对任何检测的电流提供补偿。电流互感器用于感测噪声电流以确定适当的补偿来控制EMI。但是，适当尺寸和标称的电流互感器体积巨大且昂贵，并在实际中产生非线性操作。期望提供一种用于降低EMI而不使用电流互感器的电路和技术。
发明内容
本发明提供一种有源EMI滤波器，其提供极好的EMI降低特性而不使用电流互感器。按照本发明的电路和方法感测表示地线中电流的电压，并获得与倒相器输出线上共模电压相比较的差动信号。放大差动信号并将其用作闭环控制中的误差信号，以使共模电压与感测的接地电压之间的差降低至零。因此，本发明通过测量接地电流感应的电压来确定高频接地电流，然后补偿接地电流。该电路可用于单相或多相电力系统，同时在传统用于降低EMI的电流互感器系统或线性电压调整器提供增强的效率。
按照本发明，对误差放大器提供共模电压输入。也将接地电压输入施加到误差放大器，以基于两个信号获得放大的误差信号。将误差放大器的输出施加到地线来补偿高频接地电流，以避免电动机驱动系统中的高频接地电流的传播。
误差放大器工作在关于输入电力信号的上限和下限的范围内，以便自动的将误差放大器的工作调整到输入电力线上的共模电压。通过操作MOSFET作为受控的电阻获得高的开环增益以提供恒定电压输出，而不考虑取消的噪声量。受控电阻降低了高频电流转换以进一步降低了电路产生的EMI。
附图说明
以下参照附图更详细的说明了本发明，其中：
图1是示意性说明本发明的电路图；
图2是图1中电路的提炼的等效电路；
图3是根据本发明的多个有源EMI滤波器的使用的电路图；
图4是根据说明噪声消除的本发明的提炼的等效电路；
图5是根据按照本发明的共模噪声消除的提炼的等效电路；
图6是说明按照本发明的三相共模有源EMI滤波器的电路图；
图7是说明按照本发明的用于三相输入的共模和差模有源EMI滤波器的电路图；
图8是说明用于本发明的有源EMI滤波器的电压下降调整器的电路图；
图9是本发明的电压调整器中降低高频噪声的图示；
图10是已知的有源EMI滤波器的电路图；
图11是图10所示电路的等效电路图。
具体实施方式
现参照图1给出了有源EMI滤波器电路100。通过R1和C1上的电压感测到来自电动机外壳的共模电流，其被施加到误差放大器102的反相输入端。放大器102的增益由R1和C1与R2的组合来确定。
通过电容器C5至C7感测到电力线L1、L2和L3上的共模电压，并将其提供给放大器102的非反相输入端。如果通过电容器C5至C7感测到的共模电压相对于通过R1和C1测量的接地参考电压稍稍偏正，则误差放大器102输出增加的电压以驱动两个电压之间的差为零。此情况的一个结果是放大器102的电压幅值(voltage rail)降低，并且输入线的共模电压通过C3至C7被降低。
该电路的工作倾向于提供放大器102的非反相和反相输入端之间的理论的短路。因此，该电路避免了地与输入线之间的共模电压。
回到图2，共模等效电路通常作为电路20被给出。等效电路20包括输入线阻抗21和误差放大器22。如上所述，误差放大器22用于获得非反相和反相输入端之间的理论的短路。电压VN和阻抗ZM表示由输入线驱动的电动机系统中的倒相器。共模电流通过电压源VC和阻抗ZC补偿。由于放大器22的输入端之间虚短，所以电压VC和VN公共节点处的电流和由以下等式给出：
VN/ZM+VC/ZC＝0          (1)
通过等式(1)可以看出，电压VC的调制使得等式(1)平衡，以便电流抵消。因此，共模消除电路防止共模电流在地线上传播。
参照图3，说明使用过滤有源EMI滤波器31、32的共模和差模噪声的电路30。在操作中，滤波器31、32提供电力线上的虚拟或理论的短路，电力线连接到放大器33、34的非反相输入端。放大器33、34感测输入线上的共模电压，并驱动它们各自的输出以产生关于地的平衡电压。这种配置和操作倾向于消除经过输入线的共模电流。此外，由于滤波器31和32单独工作在每个输入线，所以差动输入线之间的差被低偿，由此过滤了差模EMI噪声。
参照图4，等效电路40给出了图3的共模和差模EMI滤波器。提供包括阻抗41和电压源42的共模噪声源模块。噪声源使用阻抗43将共模噪声注入到电力线中。放大器44检测地电势与输入线之间的任何差值，并驱动信号进入输入线以平衡共模噪声。
参照图5，模拟了表示使用线阻抗51消除注入到输入线的共模噪声的有源EMI滤波器50。放大器52结合补偿阻抗ZC产生了补偿电压VC，以平衡通过电压源VN与阻抗ZM协作所施加的共模噪声电流。因此，通过提供与噪声源提供的电流匹配的补偿电流，有源EMI滤波器电路50防止共模电流噪声注入到传输线。
参照图6，给出了具有三相整流器61的三相共模滤波器60。整流器61的输出将操作电压幅值施加到放大器62。放大器62没有反馈通路，并且仅使用电容器63、64工作提供电压信号以平衡输入线L1至L3上的共模电压。因此，在电容器63上感测地线电流，并地线电流与来自输入线L1至L3的共模电压提供的基准相比较。通过电容器64获得放大器62的输出电压，改输出电压倾向于提供平衡的电压以匹配线L1至L3上感测的共模电压。
参照图7，给出了三相共模和差模滤波器70。滤波器70的配置是图3和6中提供的滤波器的组合。例如，滤波器71为输入线L3提供共模和差模滤波，而滤波器72和73分别为输入线L2和L1提供滤波。共模电压从输入线L2施加到放大器74的非反相输入端，而输入线L2和L3为放大器74提供电压幅值功率。电容器C3和C4用于提高反馈到放大器74的反相输入端的电压，以平衡从输入线L2感测的电压。通过补偿从输入线L2上感测的共模电压，滤波器71提供相对于输入线L3的共模滤波。因为每个具有相同的有源配置的EMI滤波器71至73以地电位为基准，所以除了每个输入线L1至L3的共模噪声之外，还过虑了输入线L1至L3之间的差模噪声。
参照图8，给出了按照本发明的用于共模EMI滤波器的电压调整器电路80。电路80类似于图3所示电路，除了供给放大器81、82的幅值电压来自于电压调整器83而不是直接来自输入线。图3所示的EMI滤波器31、32依靠相对于输入线阻抗的高阻抗电源，以获得适当的最大开环增益。因此，MOSFET Q20用于恒定电阻源以产生调整的直流电源供给到误差放大器81、82。驱动控制晶体管Q21以维持Q20的特别电阻。该结果是调整的电压被供给到误差放大器81、82。包括齐纳二极管D9和晶体管Q22的电路提供恒定的电压反馈，而不考虑消除的噪声量。因此，在电容器C13获得的电源与输入线L之间提供一定量的电阻，其提供在二极管D7的节点。维持此电阻对于在有源滤波器80中执行差模噪声消除是重要的。不在输入线和和电源到电容器C13之间维持电阻，误差放大器会损失其增益，并获得较差的差模噪声衰减。
电路80还提供了用于降低由电压调整电路83产生的差模噪声的特性。即，施加到电容器C13的充电电流具有由开关电压调整器和充电电容器C13产生的di/dt尖峰。电阻控制中的反馈包括电阻量以用于减少在二极管D7处观测的di/dt。
图9给出了在没有电阻控制时二极管D7处观测到的电流充电波形，以及具有电阻控制反馈时的波形。因此，晶体管Q21和电阻器R24至R27提供了闭环电阻控制，并且还减少了电流尖峰以避免了在电路80的有源滤波器中引入更多的差模噪声。
尽管已经关于本发明具体实施例说明了本发明，但其它变化和修改以及其它使用对于本领域技术人员将是显而易见的。因此，优选的是本发明不是由此处的具体公开限制，而是由后附的权利要求限制。

Claims (18)

1.一种用于电力系统的滤波器，包括：
多个电压存储设备，所述电压存储设备连接到系统线以获得与各条线中电流相关的电压；
误差放大器，所述误差放大器连接到电压存储设备，并所述误差放大器可用于根据所述电压存储设备之间的电压差输出信号；
所述输出的信号连接到另一个电压存储设备以获得关于所述输出的信号的电压；
其中从所述输出的信号获得的电压影响电压存储设备之间的电压差以减少所述差。
2.如权利要求1的电路，其中所述电压存储设备是电容器。
3.如权利要求1的电路，其中至少一条系统线是输入电力线，并且至少一条另外的系统线是接地线。
4.如权利要求1的电路，其中所述系统线是输入电力线。
5.如权利要求1的电路，还包括：
连到误差放大器以用于为误差放大器供电的电源；
该电源连接到所述电力系统中的一条或更多输入线。
6.如权利要求1的电路，其中所述电力系统是单相系统。
7.如权利要求1的电路，其中所述电力系统是三相系统。
8.如权利要求5的电路，其中所述电源包括整流器。
9.如权利要求5的电路，其中所述电源包括受控电阻设备。
10.如权利要求8的电路，其中所述电源还包括受控电阻器件。
11.如权利要求1的电路，还包括受调整的电压源，所述电压源施加到误差放大器以用于为误差放大器供电。
12.如权利要求11的电路，其中所述电压调整器连接到所述电力系统中的一条或多条输入线。
13.如权利要求11的电路，其中所述电压调整器包括受控电阻。
14.如权利要求13的电路，其中所述受控电阻连接到电压控制反馈回路以获得受调整电压输出。
15.一种使用有源EMI滤波器降低电力电路中EMI的方法，包括：
感测输入线和接地线中至少一条上的与通过该线的电流相关的电压；
感测所述输入线和接地线中至少另一条上的电压；
比较感测的电压，并根据所述电压之间的差提供电压信号；
将所述电压信号施加到输入线和地线中的至少一条以由此降低所述电压差。
16.如权利要求15的方法，还包括放大所述电压差以获得闭环反馈控制。
17.一种有源EMI滤波器，包括：
用于放大误差信号的误差放大器；
连接到所述误差放大器输入端的电容器，所述电容器用于获得与感测的电流相关的电压；
连接到所述误差放大器第二输入端的第二电容器，所述第二电容器用于获得与感测的电流相关的电压；
输出电容器，所述输出电容器连接到所述误差放大器的输出端以及第一和第二电容器中至少一个；
连接到所述误差放大器的电源输入端的电压调整器；
其中所述误差放大器可用于检测从第一和第二电容器之间获得的电压差，并将电压施加到所述输出电容器以补偿第一和第二电容器之间的电压差。
18.一种有源滤波器，包括：
可变电压源，基于感测的电信号可控制所述可变电压源；
连接到所述可变电压源的阻抗；
具有包括噪声电压和设备阻抗的共模噪声的节点，该节点与所述可变电压源共用；
用于可变电压源的控制器，所述控制器连接到可变电压源，并且可与所述阻抗结合产生电流以匹配从节点处的噪声电压源和器件阻抗获得的电流。
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