CN205029633U - 一种电动汽车变换设备用滤波器 - Google Patents

Abstract

一种电动汽车变换设备用滤波器，属于电动汽车技术领域。其特征在于：包括连接在输入端与输出端之间的阻尼滤波单元以及连接在阻尼滤波单元与接地端之间的用于通过高频信号的阻容滤波单元。本实用新型的电动汽车变换设备用滤波器包括阻尼滤波单元以及连接在阻尼滤波单元与接地端之间的用于通过高频信号的阻容滤波单元，结构简单。通过设置阻容滤波单元，可以使高频信号通过，减小阻尼电阻的能量损耗。通过进行伯德图和奈奎斯特图的仿真，结合稳定性判据，本电动汽车变换设备用滤波器在实际使用时具有性能稳定的优点。

Description

一种电动汽车变换设备用滤波器

技术领域

一种电动汽车变换设备用滤波器，属于电动汽车技术领域。

背景技术

输入滤波器和输出滤波器是开关电源中的重要组成部分。在开关电源的输入端，EMI滤波器既能抑制开关尖峰电流流入电源，也能阻止电源线上的高频干扰传入后级变换器。而且开关电源的输入滤波器有利于提高系统内部和系统之间的电磁兼容性。输入滤波器与后级变换器的相互作用对系统稳定性有一定的影响。而输出滤波器能够保证负载稳定工作并提供一个平滑的输出电压波形。

在现有技术中，EMI滤波器按照源端和负载端的阻抗特性划分，主要由以下几种：具有低源阻抗和低负载阻抗特性的T型滤波器；具有低源阻抗和低负载阻抗特性的π型滤波器；具有低源阻抗和高负载阻抗特性的LC型滤波器以及具有高源阻抗和低负载阻抗特性的CL型滤波器。

通常，一个简单的LC低通滤波器能满足低频的滤波效果，但由于它是一个无阻尼或欠阻尼的系统，当把它用作系统的输入滤波器时，容易造成系统的不稳定性，当它作为系统的输出滤波器时，容易使输出端产生阻尼震荡，有时候还会造成严重的电磁干扰问题。通常，在开关变换器的前端都会增加一个低通滤波器用来抑制EMI，但是增加输入滤波器会改变系统的传输函数，影响后级系统的稳定性，因此，研究输入滤波器对系统传输函数影响的工作是尤为必要的。

发明内容

本实用新型要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种结构简单，性能稳定可靠，可以有效抑制电磁干扰的电动汽车变换设备用滤波器。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：该电动汽车变换设备用滤波器，其特征在于：包括连接在输入端与输出端之间的阻尼滤波单元以及连接在阻尼滤波单元与接地端之间的用于通过高频信号的阻容滤波单元。

优选的，所述的阻尼滤波单元为电感L1和电容C1组成的LC滤波电路，所述的阻容滤波单元连接在电容C1与接地端之间。

优选的，所述的阻容滤波单元为并联连接的电阻R1以及电容C2。

优选的，所述的电阻R1的取值为：

$R_1=R_0\frac{1-n}{1+n}\sqrt{\frac{1+2n}{1+n}}$

其中R₀为LC滤波单元的谐振阻抗。

与现有技术相比，本实用新型所具有的有益效果是：

1、本实用新型的电动汽车变换设备用滤波器包括阻尼滤波单元以及连接在阻尼滤波单元与接地端之间的用于通过高频信号的阻容滤波单元，结构简单。

2、对滤波器进行最佳阻尼设计的原则是在滤波器的谐振频率处，滤波器的输出阻抗达到峰值，通过设置阻容滤波单元，干扰频率越高，高频信号越容易通过，减小阻尼电阻的能量损耗。输出端增加一个含有阻尼设计的滤波器，能够有效抑制EMI。当采用最佳阻尼设计的滤波器时，输出电压基本稳定在某一固定电压值。

3、通过进行伯德图和奈奎斯特图的仿真，结合稳定性判据，本电动汽车变换设备用滤波器在实际使用时具有性能稳定的优点。

4、本实用新型的电动汽车变换设备用滤波器电阻和电容的参数值相比较传统的Ri-Cb并联型模型下的参数值要小得多，从而减小了电阻和电容的大小和体积，有利于滤波器的研制和应用。

附图说明

图1为本电动汽车变换设备用滤波器电路原理图。

图2为本电动汽车变换设备用滤波器电路伯德图。

图3为本电动汽车变换设备用滤波器电路奈奎斯特图。

图4为现有技术Buck电路原理图。

图5为现有技术带有LC滤波器的Buck电路原理图。

图6为带有LC滤波器的Buck电路伯德图。

图7为带有LC滤波器的Buck电路奈奎斯特图。

图8为Buck电路输出电压波形图。

图9为加入无阻尼输入滤波器时Buck电路输出电压波形图。

图10为输入端加入本电动汽车变换设备用滤波器时Buck电路输出电压波形图。

图11为加入无阻尼输出滤波器时Buck电路输出电压波形图。

图12为输入端输出端加入本电动汽车变换设备用滤波器时Buck电路输出电压波形图。

具体实施方式

图1～3是本实用新型的最佳实施例，下面结合附图1～12对本实用新型做进一步说明。

如图1所示，一种电动汽车变换设备用滤波器，包括电容C1～C2，电阻R1以及电感L1。输入端正极串联电感L1之后同时并联电容C1的一端以及输出端正极，电感C1的另一端同时并联电阻R1以及电容C2的一端，电阻R1以及电容C2的另一端同时连接输入端和输出端负极。电阻R1与电容C1并联，电容C2与电阻R1并联使高频信号通过，减少阻尼电阻的能量损耗。

对滤波器进行最佳阻尼设计的原则是在滤波器的谐振频率处，滤波器的输出阻抗达到峰值。通过设置电阻R1以及电容C2，干扰频率越高，高频信号越容易通过。输出端增加一个含有阻尼设计的滤波器，能够有效抑制EMI。当采用最佳阻尼设计的滤波器时，输出电压基本稳定在某一固定电压值。

针对于本电动汽车变换设备用滤波器，假设同时假设Z_∞(s)为电阻R1无穷大时的输出阻抗，Z₀(s)为电阻0大时的输出阻抗，由此得到式(1)和式(2)：

$Z_{\mathrm{\∞}}\left(s\right)={\mathrm{sL}}_1//(\frac{1}{{\mathrm{sC}}_1}+\frac{1}{{\mathrm{sC}}_2})---\left(1\right)$

$Z_0\left(s\right)={\mathrm{sL}}_1//\frac{1}{{\mathrm{sC}}_1}---\left(2\right)$

在f＝f_m时，有||Z_∞(jω)||＝||Z₀(jω)||，

计算得：

$f_m=f_i\sqrt{\frac{2(1+n)}{1+2n}}---\left(3\right)$

f_m为本电动汽车变换设备用滤波器的谐振频率，f_i为常规LC滤波器的谐振频率。

在f＝f_m时，滤波器的输出阻抗：

||Z_O(jω)||＝||Z_∞(jω)||＝||Z₀(jω)||(4)

代入得：

$\left|\right|Z_O|{|}_m=R_0\sqrt{2(1+n)(1+2n)}---\left(5\right)$

其中R₀为LC滤波器的谐振阻抗，n为C2/C1。

对滤波器进行最佳阻尼设计的原则是在滤波器的谐振频率处，滤波器的输出阻抗达到峰值，即当f＝f_m时，||Z_O(jω)||的倒数为零，推导得到最佳阻尼电阻R₁为：

$R_1=R_0\frac{1-n}{1+n}\sqrt{\frac{1+2n}{1+n}}---\left(6\right)$

其中，输出阻抗的峰值大于等于由此得到输入滤波器的电感L1＝330uH，电容C1＝470uF，则谐振阻抗R₀＝0.84Ω，令||Zo||m＝1.5Ω，由上面结论可得n＝0.177，C2＝83.19uF，R1＝0.6315Ω。

在表1中，对R-C串联模型以及R-C并联模型进行比较，由表1可知，这种模型下的阻尼电阻和电容的参数值比Ri-Cb并联型模型下的参数值要小得多，从而减小了电阻和电容的大小和体积，有利于滤波器的研制和应用。

阻尼滤波器类型	||Zo||m	n	R1	C2
					R-C并联型	1.5Ω	0.177	0.6315Ω	83.19uF
R-C串联型	1Ω	2.5	0.67Ω	1200uF

表1

下面通过常规的Buck电路对本电动汽车变换设备用滤波器的性能进行验证：在如图4所示的Buck电路中，电源E1的输入电压Vin＝30V，经过Buck电路后，得到15V的输出，电感L2＝100uH，电容C3＝100uF，电阻R2＝3Ω，开关频率为50kHz，占空比为0.5。Buck电路工作在CCM模式。

Buck变换器中开关电路的后级含有LC滤波器，因此该LC滤波器可以看做与开关管级联的结构单元，控制器的传递函数也被称作“控制到输出的传递函数”，它可以看作是PWM、开关和LC滤波器的传递函数之积，如下式：

G_vd(s)＝G_PWM×G_switch×G_LCfliter(7)

$G_{PWM}=\frac{\mathrm{\Δ}D}{{\mathrm{\ΔV}}_{control}},D=\frac{V_{control}}{V_{RAMP}},G_{PWM}=\frac{1}{V_{RAMP}}---\left(8\right)$

其中：V_control为脉宽调制器的输入是控制电压，D为输出时占空比，V_RAMP为锯齿波斜坡的峰峰值，

开关的输入是占空比，设输入电压为V_IN，输出电压为V_OUT，则开关的增益为：

$G_{switch}=\frac{{\mathrm{dV}}_{out}}{dD}=V_{IN}---\left(9\right)$

LC二阶滤波器的传递函数为：

$G_{LCflter}=\frac{1/LC}{s^2+s(1/RC)+1/LC}---\left(10\right)$

由式(8)、(9)、(10)得：

$G_{vd}\left(s\right)=\frac{1}{V_{RAMP}}\×V_{IN}\×\frac{1/LC}{s^2+s(1/RC)+1/LC}---\left(11\right)$

如图5所示，当Buck的输入端加入LC滤波器时，输入输出的传递函数为：

$G_{vd}\left(s\right)=\left(G_{vd}\right(s\left){|}_{Z_O\left(s\right)=0}\right)\frac{(1+\frac{Z_O\left(s\right)}{Z_N\left(s\right)})}{(1+\frac{Z_O\left(s\right)}{Z_D\left(s\right)})}---\left(12\right)$

其中，Z_N(s)为变换器控制环路工作在理想状态下的变换器的输入阻抗，Z_D(s)为变换器的开环输入阻抗，即：

$Z_N\left(s\right)=-\frac{R_3}{D^2}$

$Z_D\left(s\right)=\frac{1}{D^2}({\mathrm{sL}}_4+R_3//\frac{1}{{\mathrm{sC}}_5})---\left(13\right)$

Z_O(s)为输入滤波器的输出阻抗：

$Z_O\left(s\right)={\mathrm{sL}}_3//\frac{1}{{\mathrm{sC}}_4}---\left(14\right)$

输入滤波器的谐振频率为：

$f_i=\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{L_3{C}_4}}---\left(15\right)$

谐振阻抗为：

$R_0=\sqrt{\frac{L_4}{C_3}}---\left(16\right)$

并且，需要满足以下条件，才能确保传输函数不会受到较大的影响:

||Z_o||≤||Z_D||,||Z_o||≤||Z_N||(17)

将式(13)～(17)中的参数分别代入式(11)和式(12)，并分别得到如图6所示的未加入LC滤波器以及加入LC滤波器两种情况下的控制到输出的开环传输函数的幅度和相位伯德图。如图5所示，实线表示未加滤波器时的系统传输函数，由自动控制理论中的系统稳定性判据判断该系统稳定，开关管后级的LC输出滤波器的极点导致了传输函数的相位在高频段改变了-180°；而点划线表示加入理想LC输入滤波器时的系统开环传输函数，在LC输入滤波器的谐振频率处存在明显的响应，使得相位改变了360°。所以，输入滤波器的加入会对系统稳定性造成巨大的影响，可能会使后级变换器工作不正常，严重时甚至损坏。

图7所示的奈奎斯特图表示未加入LC滤波器以及加入LC滤波器两种情况下的闭环系统的稳定性，实线描述的是不加滤波器的传输函数，点划线表示加滤波器时的传输函数，根据Nyquist判据，实线表明此时开环系统的Nyquist围道不包围(-1,j0)这一点，所以不加滤波器时的闭环系统也是稳定的；点划线显示加入输入滤波器之后的开环系统的Nyquist围道顺时针环绕(-1,j0)两次，则闭环系统在右半平面存在两个复杂的极点，系统不稳定，变成一个欠阻尼系统。

将图1所示的本电动汽车变换设备用滤波器应用到Buck电路的输入端时，根据式(12)所述的传递函数，得到如图2以及图3所示的本电动汽车变换设备用滤波器的伯德图以及奈奎斯特图。如图2所示，点划线是增加本电动汽车变换设备用滤波器之后的系统传输函数，可以看出增加阻尼滤波器之后的传输函数与buck变换器的传输函数相比变化很小。而从图3所示的奈奎斯特图中可以看出，闭环系统的传输函数在右半平面不存在极点，而奈奎斯特围道不包围(-1，j0)这一点，所以闭环系统是稳定的。

为了验证上述对本电动汽车变换设备用滤波器分析和模型的正确性，按前面给出的参数，利用MATLAB2010的动态仿真系统Simulink进行建模，采用ode45算法进行仿真，仿真时长设为0.1s，仿真得到相应的buck电路的输出波形：

如图8所示为图3所示的buck电路的输出电压波形，图9为输入端加入LC滤波器时的输出电压波形，由波形可知，输出电压在0.02s之后有较大的阻尼振荡，这种震荡如果发生在实际系统中时，会严重影响系统的正常工作，并且会造成严重的电磁干扰；图10所示为输入端加入本电动汽车变换设备用滤波器的输出电压波形，由图形可知，在buck电路输出端加入本电动汽车变换设备用滤波器之后，输出电压波形平稳，相比较图8所示的波形，纹波也有了一定改善。

图10示的电压输出波形虽然输出电压比较平稳，但是在15V输出电压附近仍然存在一些毛刺尖峰电压，这些电压包含大量的高频噪声，容易在输出端造成电磁干扰，有可能会通过输出线缆引起辐射干扰。因此在输出端同样需要增加滤波器。如图11所示为输出端加入LC滤波器时的电压输出波形，由该图形可知，在电压输出在0.1S内有明显的阻尼振荡。图12为输出端加入本电动汽车变换设备用滤波器的输出电压波形，由图形可知，输出电压基本稳定在15V，所以为了有效抑制EMI，在输出端增加一个含有阻尼设计的滤波器也是尤为必要的。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非是对本实用新型作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本实用新型技术方案内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本实用新型技术方案的保护范围。

Claims (4)

1.一种电动汽车变换设备用滤波器，其特征在于：包括连接在输入端与输出端之间的阻尼滤波单元以及连接在阻尼滤波单元与接地端之间的用于通过高频信号的阻容滤波单元。

2.根据权利要求1所述的电动汽车变换设备用滤波器，其特征在于：所述的阻尼滤波单元为电感L1和电容C1组成的LC滤波电路，所述的阻容滤波单元连接在电容C1与接地端之间。

3.根据权利要求2所述的电动汽车变换设备用滤波器，其特征在于：所述的阻容滤波单元为并联连接的电阻R1以及电容C2。

4.根据权利要求3所述的电动汽车变换设备用滤波器，其特征在于：所述的电阻R1的取值为：

$R_1=R_0\frac{1-n}{1+n}\sqrt{\frac{1+2n}{1+n}}$

其中R₀为LC滤波单元的谐振阻抗。