CN1774856A

CN1774856A - 具有前馈补偿的有源电磁干扰滤波器

Info

Publication number: CN1774856A
Application number: CNA038020033A
Authority: CN
Inventors: 高桥敏男; 本田润; 布赖恩·佩利
Original assignee: International Rectifier Corp USA
Current assignee: Infineon Technologies Americas Corp
Priority date: 2002-01-07
Filing date: 2003-01-03
Publication date: 2006-05-17
Anticipated expiration: 2023-01-03
Also published as: CN100448162C; TW200301990A; TWI256760B

Abstract

用于减小电路中共模电流的有源电磁干扰滤波器，包括：跨接于直流总线间的晶体管切换级(Q1，Q2)；电流传感器(CT)，连接到直流总线，用于检测直流总线中流动的共模电流，该共模电流与接地返回线中流动的流进/流出负载的共模电流成比例；电容器，将晶体管切换级和接地返回线连接，其中电流传感器和切换级按照前馈结构方式连接，从而切换级被跨接于整流器和电流传感器之间的直流总线上。电容器从晶体管切换级向接地返回线提供消除电流，以基本消除接地返回线中的共模电流。

Description

具有前馈补偿的有源电磁干扰滤波器

发明背景

发明领域

本发明涉及滤波器，更具体地说，涉及一种具有简单电路结构的有源EMI(电磁干扰)滤波器。

有源EMI滤波器已是众所周知的，并且，例如在题为“用于减小共模电流的有源滤波器”的共同未决的专利申请(序列号为No.09/816,590，2001年3月提交)中有所描述，在此引用其公开内容为参考(IR-1744)。

有源EMI滤波器电路可使用上面提到的序列号为No.09/816,590的申请中所披露的前馈设计。示于图1B中的前馈设计比示于图1A中的传统的反馈设计具有更优良的性能特性。然而需要减少用于该电路的部件数并减少其成本。

图1A显示了现有技术的反馈构造。在用于减小共模电流的有源EMI噪声滤波器的反馈结构中，噪声传感器包括，例如，一个变流器(currenttransformer)CT，所述变流器具有两个初级，每个都连接到DC(直流)总线的相应引线(leg)，所述DC总线输入从AC(交流)电源来的经整流电路R整流的DC电流。每个初级与DC总线串联。DC总线与一逆变器I相连，所述逆变器被控制来向负载，例如，电动机M，提供AC三相电流。

变流器CT的次级绕组与一放大器A连接。共模电流是在DC总线的两个引线中以相同方向流动到逆变器的噪声电流，是由电机绕组和电机壳和/或逆变器散热片之间的固有的电抗部分(典型的，如电容)引起的。如果不经电容器C_FILT滤波，所述共模电流将返回主网络(mainsnetwork)接地GND，并表现为AC电源上不期望的噪声电流。有源EMI滤波器电路的目的是提供一通路，使经过电容器C_FILT的共模电流通过一有源开关电路回到DC总线，从而在DC总线、逆变器和电机中将共模电流作为循环电流，阻止它传导回AC网络。这样就抵消了所述返回接地GND的共模电流。

图1A的放大器A的输出控制两个互补晶体管Q1和Q2，使共模电流通过电容器C_FILT从连接电动机壳和地面的接地线L旁路。要最小化的共模电流包括一普通的极化电流，该极化电流在每个DC总线引线中流动，通过逆变器流向电机M，且由于固有电容器的影响，被加于在电机绕组和电机壳/逆变器散热片之间流动的电流上。因此，所述共模电流通过地线流回，且通常是流向地面。这就在AC线上产生了不必要的噪声电流和谐波。为了使这些电流最小，过去使用无源滤波器使共模电流旁路。图1A显示了现有技术的有源反馈滤波器电路，其中，共模电流是由电容器C_FILT通过晶体管Q1或Q2旁路的，这取决于哪个晶体管导通(取决于特定瞬间共模电流的流向)，返回到DC总线，从而消除返回地面的共模电流，使AC线中表现的噪声电流最小。然而，示于图1A的系统要求具有高增益的放大器A和变流器，以使返回地面的共模电流最小。

理论上，如图1A中的公式和图1Aa的等效电路所示，要求系统的增益无穷大，以使返回地面的共模电流为零。这导致系统可能会振荡，而且需要尺寸规格适中的变流器。而且，要使信噪比低，就需要高增益放大器。

相反，对如图1B中所示的前馈结构来说，从线L回到接地点GND的共模电流对于一个增益为1的系统，理论上为零。相应地，放大器的增益也易于达到，系统具有优良的稳定性。而且，由于高信噪比，可使用较小的变流器。相应地，由于变流器可以是较小的尺寸，示于图1B中的前馈设计具有相当的优点，易于配备放大器，系统具有良好的稳定性，不会发生振荡。

发明内容

本发明提出的电路具有以下共同特征：电路不需要提供外部电源，不需要集成电路。因此，与基于集成电路的电路的实现相比，比较简单且成本低。基本电路结构仅包含一对功率双极晶体管或功率MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)，和单个共模变流器。这种低成本实现可用于设备/工业电机的驱动和其它电力电子应用中，如切换模式电源，UPS(不间断电源)等。尽管不需要IC设计，本发明也可通过IC设计来实现。

本文所描述的本发明的特征是：

1.基于NPN/PNP晶体管的简单有源EMI滤波器电路。

2.基于NPN/NPN或PNP/PNP晶体管的简单有源EMI滤波器电路。

3.基于NMOS/PMOS MOSFET的简单有源EMI滤波器电路。

4.简单中点控制电路。

5.用于提高性能的简单偏置结构。

6.一种新的基于电流镜电路和栅-阴(cascode)电路的电流放大方法和频率补偿方法。

7.一N极多极有源EMI滤波器。

附图简述

下面将参考附图进一步详细描述本发明，其中，

图1A是一个反馈有源EMI滤波器电路的电路图；

图1Aa是一个等效电路；

图1B是前馈有源EMI滤波器电路的电路图；

图1Ba是等效电路；

图2是基于具有共集电极放大器连接的NPN/PNP晶体管的本发明的

实施例的电路图；

图3是与图2相似的电路图，其中使用了共基极放大器连接；

图3A和3B是图3所示电路的变形；

图4是与图2相似的电路图，其中使用了共发射极放大器结构；

图5显示了一种简单的偏置(AB类)结构；

图6显示了本发明的采用NPN/NPN晶体管的滤波器电路；

图7显示了本发明的采用PNP/PNP晶体管的滤波器电路；

图8显示了增加B类放大器系统中有源EMI滤波器的驱动电流的电流镜结构；

图9显示了具有变流器频率特性增益补偿的图8的电路；

图10显示了图9的电路的高速电流镜电路；

图11显示了图8的电路的变型，使用了栅-阴结构以提高频率响应；

图12是图11的电路的改进，其中加入了偏置功能；

图13显示了一个新的峰值储备(head-room)控制结构；

图14显示了一个新的用于图13的电路的中点控制；

图15显示了类似14那样的中点控制，但使用了AB类，共集电极结构；

图16是类似图2，3和4那样的电路图，但是是基于MOSFET的；

图17显示了N极多极有源EMI滤波器。

具体实施方式的说明

下面将参考附图，对本发明的几个特征分类详细说明：

1.基于NPN/PNP晶体管的简单有源EMI滤波器电路

由两个双极晶体管Q1和Q2和共模扼流圈，CT实现的一前馈型EMI滤波器电路示于图2。共模变流器CT有时称为“扼流圈”，这个词并不是要要说明它是无源滤波元件。该元件的功能检测共模电流并提供信号以驱动晶体管。其本身并不提供任何滤波作用。也有差动模式噪声电流，它包含两个电流，这两个电流在DC总线的两个引线中具有相反的方向。由于两个初级绕组的连接，消除了所述差动模式电流。

图2中的变流器CT具有三个绕组。三个绕组中的两个，T1和T2，是DC总线的共模电流检测绕组，它们将共模电流连接到第三绕组T3。在逆变器I中主IGBT或MOSFET设备的每个开关瞬间，产生高频共模电流流动。如果该共模电流未被消除，则通过所述逆变器散热片/电机外壳和电机绕组之间的固有电容流回系统地线。

从绕组T3得到的共模电流流过NPN双极晶体管Q1，或PNP双极晶体管Q2，并根据电流方向分别使它们导通。这样，Q1和Q2通过电容器C_FILT向系统注入同量的对应的共模电流，以根本上减少或消除系统地线上的共模电流。

图2，3和4的电路是基于不同性能的电流-电流放大器结构。图2和图4的电路是基于共集电极/共发射极放大器电路，而图3的电路是基于共基极放大器连接。这些连接的差异在于，示于图3的共基极放大器连接，由于没有由图2和图4中所示的连接造成的密勒电容效应，具有较好的频率响应。这种共基极放大器方法还为次级绕组T3和T4上产生的共模电流提供了低阻抗输入，而其输出提供了高阻抗。这提高了向系统接地节点的噪声电流传递特性的保真度。图2和图4中的电路的区别在于，图2的电路中使用了一个次级绕组，而图4的电路中使用了两个独立的/专用的次级绕组。其性能和作用基本相同。

参考图3，显示了一个基于晶体管Q1和Q2的共基极放大器方式连接的共模滤波器。变流器CT包括两个初级T1和T2，如图所示那样连接到DC总线，以及相同的次级T3和T4，分别连接到各自的DC总线和各自的晶体管Q1和Q2的发射极。

当共模电流在DC总线中流动时，所述电流被连接到次级T3和T4。根据电流流动的方向，晶体管Q1或Q2被导通。其它晶体管被关闭。显示的实施例中Q1是一个PNP晶体管，Q2是一个NPN晶体管。如图3所示，晶体管Q1将连接于次级绕组T3的共模电流信号通过电容器CFILT分流到地线，由地连接表示。通过抵消，返回AC线的电流降为零。

图3A和3B显示了图3的电路的变型，图3A中所示的变流器仅由两个次级绕组T3和T4表示。图3A中，通过使分阻器包括R1和R2，将偏置电平应用到晶体管Q1和Q2的共集电极连接，它们提供了中点控制，以使每个晶体管Q1和Q2的电流增益相等。

图3B中，提供了用于每个初级绕组/次级绕组的中心抽头连接，但是电路的操作与图3中所示的相同。

2.基于NPN/NPN或PNP/PNP的简单有源EMI滤波器电路

图6和图7中，基本功能等同于那些前面描述过的基于NPN/PNP晶体管的电路。其差异在于，由于缺少某些晶体管对，实际使用的NPN或PNP晶体管的不同。图6显示了一个基于NPN/NPN晶体管(共集电极放大器连接)的有源EMI滤波器电路，图7是基于PNP/PNP晶体管的方案(共发射极放大器连接)。其缺点是，与那些NPN/PNP晶体管方案相比，NPN/NPN或PNP/PNP电路总是需要两个共模扼流圈的次级绕组(T3和T4)，这不同于基于互补的晶体管对的电路，如图2所示，其仅需一个次级T3。

3.基于NMOS/PMOS MOSFET的简单有源EMI滤波器

示于图3中的双极晶体管可用适当的N沟道和P沟道MOSFET来调换。图16显示了基于MOSFET的电路图。其基本操作和功能相同。根据由次级绕组注入的电流产生每个栅极阈值电压。因此，就初始偏置来说具有优越性，如果电流基于由次级绕组驱动的门，初始偏置是必要的。

除互补N和P沟道器件之外，还可以使用两个N沟道器件。特别是，因为合适的N沟道器件比P沟道器件容易得到。而且，因为次级(栅)电压较低，有利于使用N沟道逻辑电平，不需要大的共模电流传感器。也可以使用两个P沟道器件。

4.简单的中点控制

通常，一个有源EMI滤波器需要中点控制(图13)，从而当需要的电流流入电容器C_FILT，流到系统接地节点时，每个输出晶体管(图2中的Q1和Q2)具有足够的电压峰值储备。图14和图15是用于中点控制的简单的分立电路。图14中，Q3和Q4是控制滤波器输出的双极晶体管。其基本电路功能与图13所示的大体上相同。图13中的串联电感器和电阻是由基于两个双极晶体管(图14中的Q3和Q4)的等效有源电路实现的。图14中的Q1和Q2被构造为共基极有源EMI滤波器，如图3所示。

图14中，中点控制电路的阻抗Zhf由下式给出。

R1小于晶体管Q1和Q2的R2×h_FE。频率接近4kHz时，该式显示输入控制电路具有高阻抗。频率低(如60Hz)时，阻抗低。

图15是用于中点控制的另一电路，它基于AB类共集电极放大器配置。如图所示，该电路仅需要一个双极晶体管Q3。

5.用于提高性能的简单偏置(AB类)结构

偏置电流的存在通常有助于提高电路响应，特别是在有源EMI滤波器的波形跟踪能力的初始阶段。

总体上，它能帮助增加频率响应，这样使得在较高的操作频率范围，能够更为有效地减小EMI噪声。

图5显示了一个基于共基极结构的简单的AB类有源EMI放大器。偏置电流可基于关系ibias＝*Io/hfe来由电阻Ro设置。

图5中，晶体管Q3和Q4作为电流镜来操作。通过晶体管Q3的电流在晶体管Q4中反射，应用于晶体管Q2的基极，控制其偏置电流。类似的，晶体管Q5和Q6控制施加于晶体管Q1基极的偏置电流。施加于晶体管Q1和Q2的偏置电流可通过适当地设置电阻Ro来控制。分压电阻R1向晶体管Q6的基极提供偏置电压，从而在Q1和Q2的共集电极设置一个中点电平。

6.基于电流镜电路和共发共基放大器的电流放大方法和频率补偿方法

电流镜电路可用于增加有源EMI滤波器的驱动电流。图8显示了B类放大器结构。

示于图9的电路将其能力扩展到补偿CT(变流器)频率特性，以实现较好的整体频率响应，并消除由于CT的铁芯材料产生的频率限制。根据频率特性选择适当的Q1和Q2，并通过外部电阻Z1和Z2控制它们的增益。图10显示了另一形式的电流镜电路，高速电流镜可用于替换图9的电流镜。

如图11和12所示，采用栅-阴结构作为晶体管的连接，也可以改善频率响应特性。图12的电路除了具有如图11所示的特性以外，还具有提供偏压的能力。

7.N级多极有源EMI滤波器

所述有源EMI滤波器可分为N级。该方案的优点在于：对噪声频谱衰减的整体要求可扩展到多放大器级。图17显示了一个两级有源EMI滤波器结构。在图17中，Q1和Q2主要消除具有高电流幅值和较低频率的噪声，而Q3和Q4则主要降低具有较高频率和较小电流幅值的噪声。由于峰值储备要求也不同，可以为每个放大器提供具有总线电压的多电平。这是通过例如由稳压二极管ZD1和ZD2和电阻Rdrop提供到Q3和Q4的不同电平来表现的。

本发明的其它特征包括：将接地故障检测电路集成到一个芯片上；和AC-AC简单有源EMI滤波器的生产。

尽管已经参考特定实施例对本发明进行了描述，对那些熟悉本领域的人来说，许多其它变型、改进和其它用法都是显而易见的。因此，本发明不仅局限于这里所介绍的特定实施例。

Claims

1.用于减小电路中的共模电流的电磁干扰滤波器，该电路包括连接于一交流网络的整流器，所述整流器向直流总线提供直流电源，所述直流总线向逆变器级馈电，以向负载提供交流电源，所述负载具有到交流网络的接地连接点的接地返回线，所述有源滤波器包括：

跨接于直流总线上的晶体管切换级；

电流传感器，连接于所述直流总线上，用于检测共模电流，所述共模电流在直流总线中流动，并与接地返回线中的来自或流向负载的共模电流成比例；

所述电流传感器具有与直流总线的各引线连接的输入，和用于驱动晶体管切换级的输出，所述晶体管切换级包括两个晶体管，所述两个晶体管由所述电流传感器的输出驱动，从而根据所述直流总线中的共模电流的方向使得所述晶体管之一被所述电流传感器的输出导通；

电容器，所述电容器将所述晶体管切换级和所述接地返回线连接，其中所述电流传感器和所述切换级按照前馈结构连接，从而使切换级被跨接在所述整流器和所述电流传感器之间的所述直流总线上；

所述电容器从所述晶体管切换级向所述接地返回线提供消除电流，以基本消除接地返回线中的共模电流；

所述晶体管切换级和所述电流传感器具有近似为1的幅值增益；

所述电流传感器包括变流器，所述变流器具有与所述直流总线的各引线串联连接的初级；

所述晶体管切换级的所述两个晶体管包括两个互补型晶体管，它们相互连接，使得每个晶体管的相应的主电极连接在公共连接上，每个晶体管的另一个相应的主电极连接到所述变流器的次级上，其中，每个所述晶体管的控制电极连接到所述直流总线的各引线上。

2.如权利要求1所述的滤波器，其中所述两个晶体管是双极晶体管。

3.如权利要求1所述的滤波器，其中所述的两个晶体管是MOSFET。

4.如权利要求1所述的有源滤波器，还包括跨接于所述直流总线间的分压器，所述分压器连接到所述晶体管的公共连接上。

5.如权利要求1所述的有源滤波器，其中所述变流器的两个次级可导电地连接到所述变流器的各初级。

6.如权利要求1所述的有源滤波器，还包括偏置电路，用于向所述两个晶体管的基极提供偏置电流。

7.如权利要求6所述的有源滤波器，其中所述偏置电路包括电流镜电路。

8.如权利要求1所述的有源滤波器，其中两个开关晶体管以串联方式被连接到两个相应的附加晶体管上。

9.如权利要求1所述的有源滤波器，还包括有源峰值储备控制电路，所述有源峰值储备控制电路连接到所述开关晶体管极上，用于当电流流过所述电容器和各个所述晶体管时，确保每个所述晶体管的主电极上有足够的电平。

10.如权利要求9所述的有源滤波器，还包括一个电路，所述电路用于将所述晶体管的所述公共连接处的电平控制为所述直流总线的引线之间电压的中点。

11.用于减小电路中共模电流的有源电磁干扰滤波器，该电路包括连接到一交流网络的整流器，所述整流器向直流总线提供直流电源，所述直流总线向用于为负载提供交流电源的逆变器级馈电，所述负载具有到交流网络的接地连接的接地返回线，所述有源滤波器包括：

连接在直流总线之间的晶体管切换级；

电流传感器，连接到直流总线，用于检测直流总线中的共模电流，所述共模电流与接地返回线中的流入或流出负载的共模电流成比例；

所述电流传感器具有与直流总线的各引线连接的输入，和用于驱动晶体管切换级的输出，所述晶体管切换级包括两个晶体管，所述两个晶体管由所述电流传感器的所述输出驱动，由此根据所述直流总线中的共模电流的方向使所述晶体管之一由所述电流传感器的输出导通；

电容器，将所述晶体管切换级和所述接地返回线连接，其中所述电流传感器和所述切换级按照前馈结构方式连接，切换级连接于所述整流器和所述电流传感器之间的所述直流总线之间；

所述晶体管切换级的所述两个晶体管包括两个相同类型的晶体管，它们相互连接，使得通过所述两个晶体管的主电极路径相互串联，并与所述变流器的各次级串联，每个晶体管的控制电极被连接到所述变流器的各次级上。

12.如权利要求11所述的有源滤波器，其中所述两个晶体管包括NPN晶体管。

13.如权利要求11所述的有源滤波器，其中所述两个晶体管包括PNP晶体管。

14.如权利要求11所述的有源滤波器，其中所述两个晶体管是以共发射极放大器连接的方式布置。

15.如权利要求11所述的有源滤波器，其中所述两个晶体管是以共集电极放大器连接的方式布置。

16.如权利要求11所述的有源滤波器，还包括一电流镜电路，用于向每个晶体管的控制电极提供偏置电流。

17.如权利要求11所述的有源滤波器，还包括一第二有源滤波器，所述第二有源滤波器与所述有源滤波器串行排列，每个有源滤波器被配置来过滤不同频率的所述共模电流。

18.用于减小电路中共模电流的有源电磁干扰滤波器，该电路包括连接到一交流网络的整流器，所述整流器向直流总线提供直流电源，所述直流总线向用于为负载提供交流电源的逆变器级馈电，所述负载具有到交流网络的接地连接的接地返回线，所述有源滤波器包括：

连接在直流总线间的晶体管切换级；

电流传感器，连接到直流总线，用于检测直流总线中的共模电流，所述共模电流与接地返回线中的进入或流出负载的共模电流成比例；

所述电流传感器具有与直流总线的各引线连接的输入，以及用于驱动晶体管切换级的输出，所述晶体管切换级包括两个晶体管，所述两个晶体管由所述电流传感器的所述输出驱动，由此根据所述直流总线中的共模电流的方向使所述晶体管之一由所述电流传感器的输出导通；

电容器，将所述晶体管切换级和所述接地返回线连接，其中所述电流传感器和所述切换级按照前馈结构方式连接，所述切换级连接于所述整流器和所述电流传感器之间的所述直流总线间；

所述电容器从所述晶体管切换级向所述接地返回线提供消除电流，以基本消除所述接地返回线中的共模电流；

所述晶体管切换级的所述两个晶体管包括两个晶体管，它们相互连接，使得每个晶体管的相应主电极在一公共连接处与连接到所述变流器的各次级的每个晶体管的相应主电极连接，其中所述两个晶体管包括双极晶体管，所述双极晶体管相互连接，使得所述晶体管的集电极连接在一起，发射极连接到所述变流器的各次级上，所述晶体管的基极被连接到所述直流总线的各引线上，由此使所述晶体管以共基极放大器连接的方式连接。

19.用于减小电路中共模电流的有源电磁干扰滤波器，所述电路包括连接到一交流网络的整流器，所述整流器向直流总线提供直流电源，所述直流总线向用于为负载提供交流电源的逆变器级馈电，所述负载具有到交流网络的接地连接的接地返回线，所述有源滤波器包括：

连接在直流总线间的晶体管切换级；

电流传感器，连接到直流总线，用于检测在直流总线中的共模电流，所述共模电流与接地返回线中的流进或流出负载的共模电流成比例；

所述电流传感器具有与直流总线的各引线连接的输入，以及用于驱动晶体管切换级的输出，所述晶体管切换级包括两个晶体管，所述两个晶体管由所述电流传感器的所述输出驱动，由此根据所述直流总线中的共模电流的方向使所述晶体管由所述电流传感器的输出导通；

电容器，所述电容器将所述晶体管切换级和所述接地返回线连接，其中所述电流传感器和所述切换级按照前馈结构方式连接，所述切换级连接于所述整流器和所述电流传感器之间的所述直流总线间；

所述晶体管切换级和所述电流传感器的幅值增益近似为1；

所述晶体管切换级的所述两个晶体管包括两个MOSFET，它们相互连接，使得每个晶体管的相应主电极连接在一公共连接处，每个晶体管的另一相应主电极被连接到所述变流器的各次级，其中所述晶体管的控制电极被连接到所述直流总线的各引线上。