KR102531809B1 - 능동형 필터 - Google Patents

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Abstract

차량을 위한 전력 시스템이 개시되고, 상기 전력 시스템은 배터리; 배터리를 충전하기 위해 외부 전력을 수신하기 위한 충전 인터페이스; 배터리 및 충전 인터페이스를 연결하는 네트워크로서, 네트워크의 적어도 일부는 DC 네트워크인, 상기 네트워크; DC 네트워크에서 배터리와 충전 인터페이스 사이의 능동형 EMI 필터를 포함한다.

Description

능동형 필터{ACTIVE FILTER}
본 발명은 능동형 필터에 관한 것이고, 특히 DC 네트워크 및/또는 전기 차량을 위한 능동형 필터에 관한 것이다.
전기 차량은 상이한 전력 전자 변환 스테이지를 구비한다. 전기 차량의 추진실의 제한된 공간에서 이와 같은 많은 제어 및 전력 신호의 공존은 전자기 간섭(EMI)의 생성 및 전파에 심각한 위협이 된다. 몇몇 필터링 스테이지와 함께 파워 트레인 시스템에서 차폐 케이블의 이용이 표준 방식이 되었다. 그러나 지난 10년간 전력 전자 변환기가 엄청난 발전을 경험했다면, 수동형 구성요소에 대해서도 마찬가지라고 말할 수 없다. 주요 관심사는 자기 구성요소에 있으며, 인덕터 및 공통 모드 초크(common mode chokes)는 EMI를 필터링하기 위해 오늘날 널리 이용된다; 이들은 부피가 크며 때때로, 대량 생산에는 적합하지 않고, 실제로 전기 차량 파워트레인의 고 레벨의 전류는 그들이 자기 코어 주위에 감겨야 할 때 이해가능한 문제가 있는 높은 단면 케이블 또는 버스바(bus-bars)를 이용할 필요성을 높인다. 다른 기술적인 문제는 성능 요구 사항, 포화 전류 및 큐리 온도(Curie temperature)이다.
US6898092는 EMI를 위해 피드포워드(feedforward) 능동형 필터를 이용하는 것을 제안한다. 그러나, 이 문헌은 전기 차량의 파워 트레인에 나타나는 고전류에 대해 능동형 필터가 실현될 수 있는 방법을 개시하지 않는다. 게다가, 이 능동형 필터가 150kHz와 30MHz 사이의 EMI 필터의 큰 필터링 대역폭을 실현할 수 있는 방법이 개시되지 않았다. 특히, 고 주파수에 대해, 이미 능동형 회로에서의 매우 작은 지연은 제거 잡음이 전력선의 잡음을 제거하지 않지만 잡음을 증가시킨다는 사실을 초래할 수 있다.
본 발명의 목적은 최신 기술의 문제를 극복하는 EMI 필터를 발견하는 것이다.
이러한 목적은 전기 차량의 네트워크에서 능동형 EMI 필터를 이용함으로써 성취된다.
능동형 EMI 필터는 크기 및 무게가 증가하는 전류에 따라 조정하지 않는 수동형 EMI 필터보다 장점을 갖는다.
이 목적은 또한, 제 1 전력 도체, 제 2 전력 도체 및 능동형 회로를 갖는 능동형 필터에 의해 성취되고, 능동형 회로는: 제 1 및/또는 제 2 전력 도체에서 잡음을 감지하기 위한 감지 섹션, 감지 섹션에서 감지된 잡음을 제거 잡음으로 변환하기 위한 이득 섹션 및 이득 섹션으로부터의 제거 잡음을 제 1 전력 도체 및/또는 제 2 전력 도체에 주입하기 위한 주입 섹션을 포함한다.
본 발명의 또 다른 실시예가 다음에서 설명된다.
하나의 실시예에서, 주입 섹션은 제 1 전력 도체 및 제 2 전력 도체에 제거 잡음을 주입하도록 구성된 결합 커패시턴스를 포함한다. 바람직하게, 결합 커패시턴스는 상이한 용량 값을 갖는 복수의 병렬 커패시터를 포함한다. 이것은 결합 커패시턴스의 대역폭 특성 및 이에 따른 주입 섹션의 대역폭 특성이 확대된다는 장점을 갖는다.
하나의 실시예에서, 감지 섹션은 제 1 전력 도체 및/또는 제 2 전력 도체에서 잡음 전류를 감지하는 전류 변환기를 포함하고 주입 섹션은 제 1 전력 도체 및 제 2 전력 도체에 제거 잡음 전류를 주입하는 결합 커패시턴스를 포함하며, 감지 섹션 및 주입 섹션은 피드백 구성으로 배열된다. 능동형 필터의 대역폭 및 성능은 주로, 네트워크 및 EMI 잡음을 생성하는 디바이스의 전기적 파라미터에 의존한다. 설명된 토폴로지 및 피드백 구성이 전기 차량 애플리케이션을 위한 최상의 해결책으로 입증되었음이 발견되었다; 그것은 온도 및 수명 저하와 같은 환경 변화에 더 안정적이고 면역성이 있다.
하나의 실시예에서, 감지 섹션은 제 1 전력 도체, 제 2 전력 도체 및 감지 회로의 보조 도체를 유도적으로 결합시키는 코어를 갖는 전류 변환기를 포함하고, 보조 도체는 이득 섹션에 연결된다.
하나의 실시예에서, 코어 물질은 150kHz와 30MHz 사이, 바람직하게 150kHz와 100MHz 사이의 일정한 투자율을 갖는다. 대부분의 애플리케이션이 최대한의 투자율을 얻기 위해 나노크리스탈 코어 물질을 이용할지라도, 그들 물질은 언급된 주파수 범위에 걸쳐 일정하지 않고, 따라서 이 애플리케이션을 위해 잘 적합하지 않다.
하나의 실시예에서, 코어 물질은 MgZn을 포함한다. 이 물질은 이러한 넓은 대역폭을 얻기 위해 최상으로 적합한 것으로 입증되었다.
하나의 실시예에서, 보조 도체는 측정된 잡음 전류를 잡음 전압으로 변환하기 위해 전류 변환기에 병렬인 버든 저항기(burden resistor) 또는 트랜스임피던스 증폭기(transimpedance amplifier)를 포함한다.
하나의 실시예에서, 보조 도체는 코어 주위에 3개 미만의 권선, 바람직하게 2개 미만의 권선을 포함한다. 일 바람직한 실시예에서, 보조 도체는 코어 주위에 하나의 권선 또는 절반의 권선을 포함한다. 이것은 전류 변환기가 능동형 회로에 의해 생성된 위상 변화를 감소시키는 능동형 회로에서 낮은 기생 인덕턴스 및 커패시턴스를 도입한다는 장점을 갖는다.
하나의 실시예에서, 보조 도체의 권선은 (솔리드 구리) 와이어로 또는 PCB 트레이스를 통해 형성될 수 있다.
하나의 실시예에서, 제 1 및 제 2 도체의 각각은 코어에 대해 절반의 권선을 갖거나 즉, 도체는 코어 주위에 감겨지지 않고 코어를 통해 공급된다. 이것은 큰 전류를 위해 그들의 큰 단면적을 갖는 도체 또는 버스바가 코어 주위에 감길 필요가 없다는 장점을 갖는다. 이것은 필터의 구성을 단순화한다.
하나의 실시예에서, 제 1 도체는 제 1 버스바이고, 제 2 도체는 제 2 버스바이며 코어는 제 1 버스바 및 제 2 버스바를 둘러싸는 링 코어이다. 이것은 큰 전류를 위해 그들의 큰 단면적을 갖는 버스바가 코어 주위에 감길 필요가 없다는 장점을 갖는다. 이것은 필터의 구성을 단순화한다. 바람직하게, 인쇄 회로 기판은 적어도 링 코어의 개구에서 제 1 버스바와 제 2 버스바 사이에 배열된다. 이와 유사하게, 두 도체는 그들의 근접성에도 불구하고 서로 전기적으로 분리될 수 있다.
하나의 실시예에서, 인쇄 회로 기판(PCB)은 능동형 회로를 포함하고, 제 1 버스바 및/또는 제 2 버스바는 주입 섹션과의 연결을 위해 PCB 상에 직접 연결된다. 이것은 그것의 작은 전류를 갖는 능동형 회로가 PCB 상에 구현될 수 있는 반면, 버스바는 PCB 상에 직접 연결될 수 있다는 장점이 있다. 이는 필터의 제조를 고정(fasten)시키고 간소화한다.
하나의 실시예에서, 제 1 및 제 2 버스바는 직접 납땜, 스크루잉(screwing), 또는 버스바 및 PCB에 납땜되고/되거나 스크루잉된 smt 인서트(smt insert)에 의해 PCB에 연결된다.
하나의 실시예에서, 전류 변환기는 보상된 (DC) 전류이다. 이것은 2개의 전력 도체에 흐르는 DC 전류로부터의 자속이 서로 반대 방향으로 배열되고 서로 제거된다는 장점을 갖는다. 따라서 코어 물질의 포화의 위험이 없다.
하나의 실시예에서, 전력 도체에 흐르는 EMI 전류로 인한 자속은 서로 합쳐지고 따라서, 전류 변환기의 감지 기능을 실현한다.
하나의 실시예에서, 인쇄 회로 기판은 능동형 회로를 포함하고, 코어는 링 코어이고, PCB는 2개의 오목부(recesses) 및 2개의 오목부 사이의 돌출부(protrusion)를 포함하며, 링 코어는 돌출부가 링 코어에 의해 형성된 개구를 통해 연장하도록 2개의 오목부에 수용된다. 이 배열은 코어 및 능동형 필터의 강건한(robust) 배열을 허용한다. 게다가, 보조 도체의 권선을 PCB 상에 실현하는 것이 가능하다.
하나의 실시예에서, 능동형 회로는 필터가 설치되는 시스템의 동일한 접지에 연결되고; 따라서, 제 1 전력 도체 및 제 2 전력 도체에 주입된 제거 잡음 전류는 상기 접지 연결부를 통해 능동형 회로로 다시 흐를 수 있다.
하나의 실시예에서, 접지 연결부는 능동형 필터의 특정적이고 필수적인 특징이다.
하나의 실시예에서, 이득 섹션은 연산 증폭기를 포함한다. 연산 증폭기는 그것의 광대역 성능 및 열 안정성으로 인해 이용되었다.
하나의 실시예에서, EMI 필터는 적어도 150kHz로부터 30MHz까지의 대역폭을 갖는다.
하나의 실시예에서, EMI 필터는 DC 네트워크를 위한 것이다.
설명된 실시예들은 조합될 수 있다.
능동형 필터가 자동차 애플리케이션 또는 차량에 대해 설명되었을지라도, 다른 애플리케이션, 특히 태양 전지 에너지 애플리케이션과 같은 임의의 DC 애플리케이션에 대해 이 능동형 필터를 적용하는 것이 또한 가능하다. EMI를 필터링하기 위해 능동형 필터가 설명되었을지라도, 다른 주파수에 대해 이 필터를 적용하는 것이 또한 가능하다.
본 발명은 예로서 주어지고 도면에 의해 도시된 일 실시예의 설명의 도움으로 더 양호하게 이해될 것이다.
도 1은 능동형 필터의 작동 원리를 도시한 도면.
도 2는 능동형 필터의 일 실시예의 개략도.
도 3은 능동형 필터에 대한 4개의 잠재적 토폴로지의 개략도.
도 4는 능동형 필터의 일 실시예의 회로도의 일 실시예를 도시한 도면.
도 5는 주파수에 걸친 상이한 커패시터의 임피던스를 도시한 도면.
도 6은 장착 상태의 능동형 필터의 기계적 구성의 일 실시예의 3차원도.
도 7은 장착해제 상태의 도 4의 기계적 구조의 실시예의 3차원도.
도 8은 도 4의 기계적 구조의 실시예의 제 1 측면도.
도 9는 도 4의 기계적 구성의 실시예의 제 2 측면도.
도 10은 도 4의 기계적 구성의 실시예의 제 3 측면도.
도 11은 전기 구동식 차량의 전력 시스템에 능동형 EMI 필터를 적용한 것을 도시한 도면.
도 1은 본 능동형 필터의 작동 원리를 도시한다. DC 네트워크(21)는 DC 주 전류를 전도시키기 위한 제 1 전력 도체(11) 및 제 2 전력 도체(12)를 갖는다. 제 1 및 제 2 전력 도체(11 및 12)를 통해 네트워크와 연결된 디바이스(20)는 잡음, 특히 EMI를 생성한다. 잡음은 실선 화살표로 도시된 바와 같이 네트워크(21)의 제 1 및 제 2 도체(11, 12) 상을 흐르고 접지 연결부를 통해 디바이스(20)로 다시 흐른다. 디바이스(20)로부터 잡음을 제거하기 위해 능동형 필터(22)는 이제 디바이스(20)와 네트워크(21) 사이에 설치되어 제거 잡음을 생성하고 제거 잡음을 제 1 및 제 2 전력 도체(11, 12)에 주입한다. 결과적으로, 잡음은 능동형 필터(22)와 네트워크(21) 사이의 제거 잡음에 의해 제거된다. 제거 잡음은 능동형 필터(22)로부터 네트워크(21)로 흐르고 그 다음, 접지 접속부를 통해 능동형 필터(22)로 다시 흐른다.
바람직하게, DC 네트워크(21)는 50A 이상, 바람직하게 75A 이상, 더 바람직하게 100A 이상의 전류를 위해 구성된다. 바람직하게, DC 네트워크(21)의 전압은 2V 이상이다. 바람직하게, DC 네트워크(21)의 공칭 전압은 800V 미만이다. 바람직하게, 공칭 전압은 12V이다.
능동형 필터(22)는 이러한 DC 네트워크(21)를 위해 구성된다. 능동형 필터(22)는 바람직하게 EMI 필터이다. 능동형 필터(22)는 바람직하게 적어도 150kHz와 10MHz 사이의, 바람직하게 적어도 150kHz와 30MHz 사이의 필터링 대역폭을 갖는다. 주파수 범위의 대역폭을 갖는 필터는 필터가 제 1 및 제 2 도체(11 및 12)에서 이 주파수 범위의 모든 잡음 주파수를 0dB보다 큰 감쇠로 감소시키는 것을 의미한다. 바람직하게, 필터는 제 1 및 제 2 도체(11 및 12)에서 이 주파수 범위의 모든 잡음 주파수를 10dB보다 큰 감쇠로 감소시킨다. 능동형 필터(22)의 입력부는 잡음이 오는 필터의 측면, 즉 도 1에서 디바이스(20)의 측면이다. 능동형 필터(22)의 출력부는 잡음이 흐르는 필터의 측면, 즉 도 1에서 네트워크(21)의 측면이다. 능동형 필터(22)는 바람직하게 공통 모드 잡음을 필터링하도록 구성된다.
도 2는 능동형 필터(22)의 개략도를 도시한다. 능동형 필터(22)는 제 1 전력 도체(11), 제 2 전력 도체(12), 감지 섹션(23), 이득 섹션(24) 및 주입 섹션(25)을 포함한다.
능동형 필터(22)의 제 1 전력 도체(11) 및 제 2 전력 도체(12)는 디바이스(20)와 네트워크(21) 사이에서 주 전류를 전도하도록 구성된다. 제 1 전력 도체(11) 및 제 2 전력 도체(12)는 상기 언급된 전류 및/또는 전압을 위해 구성된다. 바람직하게, 제 1 전력 도체(11) 및 제 2 전력 도체(12)는 적어도 10 제곱 밀리미터의 단면적을 갖는다. 바람직하게, 제 1 전력 도체(11) 및 제 2 전력 도체(12)는 버스바이다. 바람직하게, 제 1 전력 도체(11) 및 제 2 전력 도체(12)는 제 1 전력 도체(11) 및 제 2 전력 도체(12)를 디바이스(20) 및 네트워크(21)와 연결시키기 위해 필터의 하나 또는 양쪽 측면 상에 단자를 갖는다. 그러나, 디바이스(20)에 또는 다른 디바이스 또는 네트워크(21)에 능동형 필터를 통합하는 것이 또한 가능하다.
감지 섹션(23)은 제 1 및 제 2 전력 도체(11, 12)의 잡음을 감지하도록 구성된다. 감지 섹션(23)이 잡음을 감지하는 제 1 및/또는 제 2 전력 도체(11 및/또는 12)의 지점은 다음 감지 지점에서 호출된다. 이득 섹션(24)은 감지된 잡음에 기초하여 제거 잡음을 생성하도록 구성된다. 주입 섹션(25)은 잡음이 제거 잡음에 의해 제거(또는 적어도 감소)되도록 제 1 및 제 2 전력 도체(11 및/또는 12)로 제거 잡음을 주입하도록 구성된다. 주입 섹션(25)이 제거 잡음을 주입하는 제 1 및/또는 제 2 전력 도체(11 및/또는 12)의 지점은 다음 주입 지점에서 호출된다.
능동형 필터를 제공하기 위한 많은 설계 옵션이 존재한다.
첫째, 능동형 필터(22)는 피드백 또는 피드포워드 방향으로 배열될 수 있다. 피드백 방향은 주입 지점이 잡음 방향으로 감지 지점 앞에 또는 위쪽(upstream)에 배열됨을 의미한다. 즉, 피드백 방향은 주입 지점이 능동형 필터(22)의 입력부와 감지 지점 사이에 배열됨을 의미한다. 피드포워드 방향은 주입 지점이 감지 지점 뒤에 또는 아래쪽(downstream)에 잡음의 방향으로 배열됨을 의미한다. 즉, 피드포워드 방향은 주입 지점이 능동형 필터(22)의 출력부와 감지 지점 사이에 배열됨을 의미한다.
둘째, 도 3에 도시된 바와 같이 능동형 필터(22)에 대한 4개의 토폴로지가 존재한다. 토폴로지(a)는 잡음 전류를 측정하고 제거 잡음 전압을 주입한다. 토폴로지(b)는 잡음 전류를 측정하고 제거 잡음 전류를 주입한다. 토폴로지(c)는 잡음 전압을 측정하고 제거 잡음 전류를 주입한다. 토폴로지(d)는 잡음 전압을 측정하고 제거 잡음 전압을 주입한다. 도 3의 모든 4개의 토폴로지는 피드백 방향으로 도시된다. 토폴로지((b) 및(d))는 또한, 피드포워드 방향으로 배열될 수 있다. 과거에, 시스템의 파라미터, 특히 잡음 디바이스(20) 및 네트워크(21)의 임피던스는 능동형 필터 설계를 선택하기 위해 고려되지 않았다. 그러나, 이들 6개의 토폴로지의 각각의 성능은 필터의 대역폭 및 파라미터 뿐만 아니라, 능동형 필터(22)의 대역폭에서 부하(ZL)(도 1에서 네트워크(21))의 그리고 잡음 소스(ZS)(도 1에서 디바이스(20))의 임피던스 분포에 단지 의존하지 않음이 발견되었다. 결과적으로, 각 필터 설계의 선택은 애플리케이션에 많이 의존한다. 바람직하게 적어도 150kHz와 10MHz 사이의, 바람직하게 심지어 적어도 150kHz와 30MHz 사이의 넓은 대역폭을 갖는 EMI 필터에 대한 피드백 방향의 토폴로지(b)가 차량 입증 시에 DC 네트워크에 대해, 특히 고성능임이 발견되었다. 그러나, 설명된 다른 5개의 능동형 필터 설계 중 하나를 이용하는 것이 또한 가능하다.
도 4는 능동형 필터(22)의 회로의 일 실시예를 도시한다. 감지 섹션(23), 이득 섹션(24) 및 주입 섹션(25)의 일 바람직한 실시예가 설명된다. 각 섹션(23, 24 및 25)의 회로의 다음 개시는 특히 그들의 조합에서 이롭지만, 각 섹션(23, 24 및 25)의 회로의 개시는 또한, 다른 섹션의 다른 실현과 조합될 수 있다.
하나의 실시예에서, 감지 섹션(23)은 제 1 전력 도체(11)에서 그리고 제 2 전력 도체(12)에서 잡음 전류를 측정하도록 구성된다. 바람직하게, 감지 섹션(23)은 제 1 전력 도체(11)에서 그리고 제 2 전력 도체(12)에서 능동형 필터(22) 전류의 주파수 대역폭의 잡음 전류를 측정하기 위한 전류 변환기를 포함한다. 전류 변환기는 제 1 및 제 2 전력 도체(11 및 12)를 보조 도체와 유도적으로 결합하여 보조 도체에서 제 1 전력 도체(11)의 그리고 제 2 전력 도체(12)의 잡음 전류를 유도하기 위한 코어(14)를 포함한다. 바람직하게, 코어(14)는 반대 방향으로 동일한 크기의 전류가 서로 제거하는(보상된 DC 전류) 코어(14)에서 자기장을 생성하도록 제 1 및 제 2 전력 도체(11 및 12)를 결합한다. 제 1 및 제 2 전력 도체(11 및 12) 상에서 동일한 방향으로 흐르는 공통 모드 전류는 보조 권선에서(능동형 필터(22)의 주파수 대역폭에서) 유도된다. 따라서, 바람직하게 전류 변환기는 전류 보상된 공통 모드 전류 변환기이다. 능동형 필터(22)의 대역폭의 하나의 장애(bottleneck)가 코어의 물질(및 현재 변환기의 주 및 보조 권선의 수)이었음이 발견되었다. 주로 이용된 나노크리스탈 코어 물질은 높은 투자율을 가질 수 있지만, 그 투자율은 큰 주파수 대역폭에 따라 달라진다. 능동형 필터(22)의 대역폭에서 실질적으로 일정한 투자율을 갖는 코어 물질이 투자율이 훨씬 더 낮더라도, 능동형 필터(22)의 성능을 상당히 개선시킴이 보여졌다. 이러한 코어 물질의 일례는 MgZn 페라이트(ferrite)이다. 필터링될 최대 30MHz까지의 고 주파수를 고려하면, 감지 섹션(23), 이득 섹션(24) 및 주입 섹션(25)에 의해 생성된 작은 지연은 제거 잡음의 주입에 의해 그것을 제거하는 것보다 오히려 잡음을 증폭시킬 수 있다. 따라서, 감지 섹션(23), 이득 섹션(24) 및 주입 섹션(25)에 의해 생성된 지연은 가능한 한 낮게, 바람직하게 4 나노초보다 낮게 유지되어야 한다. 이를 성취하기 위한 또 다른 측정은 3개 미만의 권선, 바람직하게 2개 미만의 권선, 바람직하게 보조 도체(27)에서 코어(14) 주위에 하나 또는 그 미만의 권선을 이용하는 것이다. 이것은 기생 인덕턴스 및 커패시턴스를 감소시키고 따라서, 전류 변환기에 의해 야기된 지연을 감소시킨다. 바람직하게, 코어(14) 주위의 보조 도체(27)의 권선 방향은 유도된 또는 감지된 전류가 제 1 및 제 2 전력 도체(11, 12)에서 잡음 전류와 반대가 되게 하여(-1로 곱해짐), 이득 섹션(24)이 감지된 잡음의 임의의 반전(-1을 곱함) 없이 감지된 잡음을 단지 증폭시키게 하는 것이다. 감지된 잡음의 반전은 또한, OpAmp 스테이지에 의해 효과적으로 제공될 수 있다. 바람직하게, 감지 섹션(23)은 감지된 잡음 전류를 감지된 잡음 전압으로 전달하는 버든 저항기(28) 또는 트랜스임피던스 증폭기를 포함하여 감지 섹션(23)이 이득 섹션(24)에 감지된 잡음 전압을 제공하게 한다. 버든 저항기(28)는 전류 변환기의 보조 권선에 병렬로 연결된다. 다른 회로 배열이 가능하지만, 전류 변환기의 보조 권선에 병렬인 버든 저항기의 배열은 특히 고성능인 것으로 판명되었다. 바람직하게, 버든 저항기(28)의 하나의 측면 및/또는 보조 도체(27)의 권선의 하나의 측면은 접지에 연결된다.
이득 섹션(24)은 감지된 잡음에 기초하여 제거 잡음을 생성하도록 구성된다. 바람직하게, 이득 섹션(24)은 감지 섹션(23)에서 감지된 잡음을 증폭하도록 구성된다. 바람직하게, 이득 섹션(24)은 감지 섹션(23)로부터 잡음 전압 예로서, 버든 저항기(28)를 통해 잡음 전압을 수신한다. 이득 섹션(24)은 바람직하게, 연산 증폭기(36)를 포함한다. 연산 증폭기의 2개의 입력부는 바람직하게 감지 섹션(24)으로부터의 잡음 전압과 연결된다. 바람직하게, 연산 증폭기(36)의 제 1 입력부(바람직하게, 양의 입력부)는 감지 섹션(23)의, 버든 저항기(28)의 및/또는 보조 도체(27)의 권선의 제 1 단자와 연결된다. 바람직하게, 연산 증폭기의 제 2 입력부(바람직하게, 음의 입력부)는 접지와 및/또는 감지 섹션(23)의, 버든 저항기(28)의 및/또는 보조 도체(27)의 권선의 제 2 단자와 연결된다(저항기(29)를 통해). 바람직하게, 연산 증폭기(36)는 폐쇄된 루프 피드백 제어를 통해 동작되고, 즉 제 2 단자는 저항기(30)를 통해 연산 증폭기(36)의 출력부와 연결된다. 이득 섹션(24)은 또 다른 증폭기 스테이지를 포함할 수 있다. 바람직하게, 연산 증폭기(36)의 출력은 저항기(38)를 통해 제 2 연산 증폭기(37)의 제 1(바람직하게 양의) 입력부로 공급된다. 제 2 연산 증폭기(37)의 제 2(바람직하게 음의) 입력부는 제 2 연산 증폭기(37)의 출력부와 연결된다(저항기(33)를 통해). 제 2 연산 증폭기(37)의 제 1 입력부는 바람직하게, 접지에 연결된다(저항기(32)를 통해). 제 1 또는 제 2 연산 증폭기(36 또는 37)의 출력부는 주입 섹션(25)의 입력부에 연결된다(저항기(34)를 통해). 설명된 회로는 단지 이득 섹션(24)이 실현될 수 있는 방법의 하나의 예이다. 그러나, 본 실시예는 본 필터의 대역폭에서 특히 고성능의 이득 섹션(24)을 보여준다. 이득 섹션(24)에 대한 다른 적합한 OpAmp 구성은 "2 OpAmp 계측 증폭기" 및 "3 OpAmp 계측 증폭기"이다.
하나의 실시예에서, 주입 섹션(25)은 이득 섹션(24)으로부터의 제거 잡음 전류를 제 1 및 제 2 전력 도체(11 및 12)에 주입하도록 구성되어 잡음 전류가 제거 잡음 전류에 의해 제거(또는 적어도 감소)되게 한다. 바람직하게, 결합 커패시턴스(13)는 제 1 및 제 2 전력 도체(11 및 12)에 제거 잡음을 주입하기 위해 이용된다. 바람직하게, 제거 잡음은 제 1 결합 커패시턴스(13)를 통해 제 1 전력 도체(13)에 주입되고 제 2 결합 커패시턴스(13)를 통해 제 2 전력 도체(12)에 주입된다. 결합 커패시턴스(13)의 대역폭이 능동형 필터(22)의 성능을 위해 중요하다는 것이 밝혀졌다. 이상적인 커패시터의 임피던스는 고 주파수에 대해 감소한다. 그러나, 실제 커패시터에서의 기생 인덕턴스로 인해, 커패시터의 임피던스는 커패시턴스 및 기생 인덕턴스의 직렬 공진 주파수 후에 다시 증가하기 시작한다. 도 5는 주파수에 걸친 다른 커패시터의 임피던스 특성을 보여준다. 일 바람직한 실시예에서, 각각의 결합 커패시턴스(13)는 상이한 커패시턴스 값을 갖는 복수의 병렬 커패시터를 포함한다. 결과적으로, 각각의 주파수에 대한 제거 잡음은 항상 이 주파수에 대해 가장 낮은 임피던스를 제공하는 커패시터를 갖는 경로를 선택할 수 있다(병렬 커패시터의 총 임피던스는 가장 작은 임피던스에 의한 각각의 주파수에 대해 우세하다). 결합 커패시턴스(13)의 병렬 커패시터의 각각은 하나의 측면 상에서 이득 섹션(24)의 출력부와 연결되고 다른 측 상에서 주입 지점과 또는 능동형 필터(12)의 입력부와 감지 섹션(23) 사이의 제 1 또는 제 2 전력 도체(11 또는 12)와 연결된다.
능동형 필터(22)의 바람직한 실시예를 통해, 100kHz에서 60dB, 1MHz에서 40dB 및 10MHz에서 20dB의 능동형 잡음 감쇠가 성취되었다. 이 능동형 필터(22)는 이러한 큰 대역폭에서 걸쳐 고성능인 제 1 능동형 필터이다. 그것은 또한 그 대역폭 성능이 감지, 이득 및 주입 섹션의 각각에 대해 최적화된 제 1 능동형 필터(22)이다.
이 능동형 필터(22)의 바람직한 적용은 전기 차량 예로서, 전기 모터바이크, 자동차 및 트럭에 있다. 특히, 배터리(40)와 충전 인터페이스(41) 사이의 제 1 전력 도체(11) 및 제 2 전력 도체(12)를 갖는 DC 네트워크는 도 11에 도시된 바와 같이 EMI를 제거하기 위한 이러한 EMI 능동형 필터(22)를 포함할 수 있다. 충전 인터페이스(41)은 종종 외부 네트워크(종종 AC)로부터의 전력을 DC로 변환하는 전력 변환기를 포함한다. 이러한 전력 변환기는 종종 EMI의 소스이다. 또한 배터리 관리는 EMI의 또 다른 소스이다. 특히, 배터리(40)의 및/또는 충전 인터페이스(41)의 및/또는 전력 변환기와 유사한 잠재적인 또 다른 구성요소의 입력부 및/또는 출력부는 이러한 EMI 능동형 필터(22)와 각각 접속될 수 있다.
도 6, 도 8, 도 9 및 도 10은 설명된 능동형 필터(2)의 바람직한 구조 설계를 설명한다. 도 6은 3차원 도면을 보여주는 반면에, 도 8, 도 9 및 도 10은 필터(22)의 3개의 측면을 보여준다. 이득 섹션(24) 및 주입 섹션(25)은 바람직하게 PCB(15)에서 구현된다. 코어(14)는 피드 스루(feed-through) 배열로 제 1 전력 도체(11) 및 제 2 전력 도체(12) 주위에 배열된다. 코어(14)는 바람직하게 링 코어, 바람직하게 에어갭이 없는 폐쇄된 링 코어이며, 제 1 전력 도체(11) 및 제 2 전력 도체(12)는 링 코어(14)의 개구를 통해(감김 없이 또는 반 감김을 갖는 것으로 또한 칭해짐) 관통된다. 링 코어(14)는 원형 링 형태로 제한되지 않는다. 또한, 타원체, 2차, 직사각형과 같은 다른 링 단면 형태가 또한 가능하다. 바람직하게, 제 1 전력 도체(11) 및 제 2 전력 도체(12)는 버스바이다. 바람직하게, 버스바는 예를 들면, PCB(15)의 주입 섹션(25)과 전도적으로 연결되도록 PCB와 직접 연결된다. 버스바는 납땜, 스크루잉 또는 PCB 인서트에 의해 PCB에 연결될 수 있다. 바람직하게, PCB(15)는 2개의 버스바(11, 12) 사이에 배열되어 그들을 서로로부터 분리한다. 따라서, PCB(15)는 이득 섹션(24) 및 주입 섹션(25)의 회로를 운반할 뿐만 아니라, 몇몇 또 다른 기능을 갖는다. 이는 버스바(11, 12)를 기계적으로 보유하고, 그것은 버스바(11, 12)와 주입 섹션(25) 사이의 전기적 연결부를 생성하고/하거나 그것은 버스바를 서로로부터 분리한다. 도 8에 도시된 바와 같이, 버스바(11, 12)는 그들이 상이한 영역에서 상이한 간격을 갖도록 형성되거나 사행(meander)된다. 코어(14)의 영역에서 및/또는 버스바(11, 12)와 PCB(15) 사이의 기계적 및 전기적 연결부의 영역에서 버스바(11, 12)는 버스바(11, 12)의 단부보다 작은 간격을 갖고, 여기서 능동형 필터(22)는 능동형 필터(22)의 입력 및 출력 단자를 제공한다. 바람직하게, 버스바(11, 12)는 2개의 평평한 측면 및 2개의 작은 측면을 갖는 직사각형 단면을 갖는다. 버스바(11, 12)는 PCB(15) 상에 평평한 측면을 갖고 배열된다. PCB(15)는 링 코어(14)를 수용하기 위한 또 다른 2개의 오목부를 포함한다. 도 7은 코어(14)의 개구부를 관통한 2개의 버스바(11, 12)를 갖는 링 코어(14)가 2개의 오목부에 삽입될 수 있는 방법을 보여준다. PCB(15)는 2개의 오목부 사이에 2개의 버스바(11, 12) 사이의 코어(14)의 개구를 관통하는 돌출부(15.1)를 형성한다. 따라서, PCB(15)의 돌출부(15.1)는 2개의 버스바(11, 12)의 가까운 배열에도 불구하고 그들을 서로 분리한다. 돌출부(15.1)는 또한, 보조 도체(27)의 권선을 PCB(15)(도시되지 않음) 상에 도체로서 실현하는 것을 허용한다. 이 경우에, 보조 도체(27)는 돌출부(15.1)로부터 오목부를 통해 브리지 또는 와이어에 의해 PCB(15)의 나머지 부분에 연결된다. 그러나, 보조 도체(27)의 권선을 와이어로 실현하는 것이 또한 가능하다. 능동형 필터(22)는 2개의 버스바(11, 12)의 4개의 단부만이 필터 하우징으로부터 돌출하도록 PCB(15) 및 코어(14)를 커버하는 하우징(도시되지 않음)을 더 포함한다.

Claims (17)

  1. 제 1 전력 도체(11), 제 2 전력 도체(12) 및 능동형 회로를 포함하는 DC 네트워크를 위한 EMI 필터에 있어서,
    상기 능동형 회로는:
    상기 제 1 및 제 2 전력 도체(11, 12)에서 잡음을 감지하기 위한 감지 섹션(23),
    상기 감지 섹션(23)에서 감지된 상기 잡음에 기초하여 제거 잡음을 생성하기 위한 이득 섹션(24), 및
    상기 이득 섹션로부터의 상기 제거 잡음을 상기 제 1 전력 도체(11) 또는 상기 제 2 전력 도체(12)에 주입하기 위한 주입 섹션(25)를 포함하고,
    상기 주입 섹션(25)은 상기 제 1 전력 도체(11)에 상기 제거 잡음을 주입하도록 구성된 제 1 결합 커패시턴스(13)를 포함하고, 상기 제 1 결합 커패시턴스(13)는 상이한 용량 값을 갖는 복수의 병렬 커패시터를 포함하는, EMI 필터.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 주입 섹션(25)은 상기 제 2 전력 도체(12)에 상기 제거 잡음을 주입하도록 구성된 제 2 결합 커패시턴스(13)를 포함하고, 상기 제 2 결합 커패시턴스(13)는 상이한 용량 값을 갖는 복수의 병렬 커패시터를 포함하는, EMI 필터.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 이득 섹션은 상기 제거 잡음을 출력하기 위한 출력 지점을 포함하고, 상기 제 1 결합 커패시턴스는 제 1 단자를 통해 상기 제 1 전력 도체(11)에 연결되고 제 2 단자를 통해 상기 이득 섹션(24)의 출력 지점에 연결되며, 상기 제 2 결합 커패시턴스(13)는 제 1 단자를 통해 상기 제 2 전력 도체(12)에 연결되고 제 2 단자를 통해 상기 이득 섹션(24)의 출력 지점에 연결되는, EMI 필터.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 감지 섹션은 상기 능동형 회로의 제 1 전력 도체(11), 제 2 전력 도체(12) 및 보조 도체(27)를 유도적으로 결합시키는 코어(14)를 갖는 전류 변환기를 포함하고, 상기 보조 도체(27)는 상기 이득 섹션(24)에 연결되는, EMI 필터.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 코어(14)의 물질은 150kHz와 30MHz 사이의 일정한 투자율을 갖는, EMI 필터.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 코어의 물질은 MgZn을 포함하는, EMI 필터.
  8. 제 5 항에 있어서,
    상기 감지 섹션(23)은 측정된 잡음 전류를 잡음 전압으로 변환하기 위해 상기 전류 변환기와 병렬인 버든 저항기(burden resistor)(28)를 포함하는, EMI 필터.
  9. 제 5 항에 있어서,
    상기 보조 도체(27)는 상기 코어(14) 주위에 3개 미만 또는 2개 미만의 권선을 포함하는, EMI 필터.
  10. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 1 전력 도체(11)는 제 1 버스바(busbar)이고, 상기 제 2 전력 도체(12)는 제 2 버스바이며, 상기 코어는 상기 제 1 버스바 및 상기 제 2 버스바를 둘러싸는 링 코어인, EMI 필터.
  11. 제 10 항에 있어서,
    인쇄 회로 기판(15)은 상기 링 코어의 적어도 개구부에서 상기 제 1 버스바와 상기 제 2 버스바 사이에 배열되는, EMI 필터.
  12. 제 5 항에 있어서,
    인쇄 회로 기판(15)은 상기 이득 섹션(24) 및 상기 주입 섹션(25)을 포함하고, 상기 제 1 전력 도체(11)는 제 1 버스바이고, 상기 제 2 전력 도체(12)는 제 2 버스바이며, 상기 제 1 버스바 및/또는 상기 제 2 버스바는 상기 주입 섹션(25)와의 전기적 접속을 위해 상기 인쇄 회로 기판 상에 직접 연결되는, EMI 필터.
  13. 제 5 항에 있어서,
    인쇄 회로 기판은 상기 이득 섹션(24) 및 상기 주입 섹션(25)을 포함하고, 상기 코어(14)는 링 코어이고, 상기 인쇄 회로 기판은 2개의 오목부 및 상기 2개의 오목부 사이의 돌출부를 포함하며, 상기 링 코어는 상기 돌출부(15.1)가 상기 링 코어에 의해 형성된 개구를 통해 연장되도록 상기 2개의 오목부에 수용되는, EMI 필터.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 능동형 회로는 상기 제 1 전력 도체(11) 및 상기 제 2 전력 도체(12)에 주입된 제거 잡음 전류가 접지 연결부를 통해 상기 능동형 회로로 다시 흐를 수 있도록 접지에 연결되는, EMI 필터.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 능동형 회로의 제거 잡음은 150kHz와 30MHz 사이의 대역폭의 잡음을 감소시키도록 구성되는, EMI 필터.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 감지 섹션(23)은 상기 제 1 전력 도체(11) 및 상기 제 2 전력 도체(12)에서 잡음 전류를 감지하는 전류 변환기를 포함하고, 상기 이득 섹션(24)은 상기 감지 섹션(23)에서 감지된 상기 잡음 전류에 기초하여 제거 잡음을 생성하기 위해 구성되며, 상기 주입 섹션(25)은 결합 커패시턴스(13)를 통해 상기 이득 섹션로부터의 상기 제거 잡음을 상기 제 1 전력 도체(11) 및 상기 제 2 전력 도체(12)로 주입하기 위해 구성되며, 상기 감지 섹션(23) 및 상기 주입 섹션(25)은 피드백 방향으로 배열되는, EMI 필터.
  17. 전기 구동식 차량을 위한 전력 시스템에 있어서:
    배터리;
    상기 배터리를 충전하기 위해 외부 전력을 수신하는 충전 인터페이스;
    상기 배터리 및 상기 충전 인터페이스를 연결하는 네트워크로서, 상기 네트워크의 적어도 일부는 DC 네트워크인, 상기 네트워크;
    상기 DC 네트워크에서 상기 배터리와 상기 충전 인터페이스 사이의 제 1 항 및 제 3 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 따른 EMI 필터(22)를 포함하는, 전력 시스템.
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