有源EMI滤波器的高频电流源、有源EMI滤波器和有源EMI滤波器的用途

摘要

有源EMI滤波器的高频电流源、有源EMI滤波器和有源EMI滤波器的用途。一种高频电流源，具有由具有扩展温度范围的有源偏置网络先导控制的对称双极输出级。所述源被配置成在1 MHz及以上提供高阻抗。本发明包括具有这种高频电流源的这种有源EMI滤波器，例如在电流感测电流注入反馈配置中。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于抑制叠加在电源线（electric supply line）上的不期望的噪声分量的有源电磁兼容性滤波器和有源电磁兼容性滤波器的高频电流源。本发明的实施例涉及在电车辆中放置在DC电力总线上的电动机驱动单元后面的滤波器，但这不是本发明的唯一应用。

背景技术

车辆中和工业中的电系统变得越来越复杂并且包括了产生电磁干扰或易于受到电磁干扰扰动的大量部件。例如，电动机通常由电子逆变器（inverter）驱动，电子逆变器通过产生具有可变频率和幅度的波形来控制电动机速度和转矩。这些系统提供了高效率，但是产生了强大的电磁噪声。

开关（switching）功率转换器被用在电和混动车辆中，以及无数的其他应用中，其他应用诸如是驱动固定电动机、电池充电器、光伏系统、照明控制、计算机以及其他。在所有这些情况下，转换器的开关动作是电磁噪声的源，如果不对其进行管理或衰减，则其可能影响其他系统的功能，或者超过规范性限制。

用于衰减这些不期望的干扰的简称为EMI滤波器的电或电子滤波器被用在电工程的所有分支中以改进可靠性并遵守现有规范。设计良好的滤波系统对于许多复杂的电系统的性能是必要的。

电和混动车辆在非常紧凑的空间中装备有不同的功率转换器。该共存表示严重的电磁问题并且需要有效的EMI滤波。当滤波器不足以使噪声达到可接受的水平时，可以使用屏蔽的电缆，但是它们显著地增加成本。

已知使用无源低通LC滤波器来衰减EMI。虽然无源解决方案确实提供了大量衰减，但是它们具有其限制。现代电车辆中使用的额定用于电流水平的磁部件体积大、昂贵、重并且不总是适合于大规模生产。

文件US20180269781公开了一种用于电车辆的有源EMI滤波器。有源滤波器可以比等效的无源滤波器更紧凑，但是针对电车辆中产生的高电流宽带宽干扰提供令人满意的有源滤波器是困难的。

有源滤波器以许多变型和拓扑而被公知。它们通常包括输出级，必须快到足以消除期望频带中的噪声，具有与噪声水平匹配的动态，以及足够的输入和输出阻抗。在汽车领域中的应用在速度和输出电流方面提出了难以以已知架构满足的前所未有的要求。

当同时需要优秀的滤波器性能时，由于更严格的空间、重量、可靠性和温度要求，常规的技术方案不能应用于汽车应用中。因此，现有技术中已知的技术方案在如汽车应用所需的扩展的温度范围内操作时体积太大或不可靠。

有源滤波器必要地依赖于辅助电源。在一些情况下，辅助电源必须是双极的，这可能不是经济上可用的。

将根据需要来选择有源EMI滤波器的阻带（衰减是可感的频率的间隔）。在大多数应用中，包括在车辆中，期望EMI滤波器在1 kHz与可能高达30 MHz或50 MHz的几十MHz之间的频带中应该有效。在下文中，该频率间隔可以被常规地指示为“HF”或“高频”，而低于该间隔和低至0之间的频谱部分可以被常规地指示为“DC”。

发明内容

本发明的目的是提供一种克服现有技术的缺点和限制的滤波器。

根据本发明，实现这些目的是通过所附权利要求的目的，并且尤其是通过一种高频电流源，该高频电流源包括提供的输出，该提供通过输出网络，其具有连接在具有第一电位的上电源轨和具有第二电位的下电源轨之间的对称共发射极配置的两个双极晶体管，有源偏置网络，确定两个双极晶体管的操作点，以及模拟控制网络，接收输出并产生馈送到有源偏置网络以稳定输出的DC值的DC校正信号，以及HF输入，控制高频输出电流，其中，模拟控制网络被配置成以第一和第二电位之间的预定间隔在输出处维持DC电位。预定间隔可以被限制或设置到预定DC电位，其中，DC电位被维持在第一和第二电位之间的电位差的中间。

有源偏置网络优选地包括诸如二极管阵列之类的温度敏感元件，其被配置成补偿晶体管的特性的温度可变性。电流源仅需要单极电源并且有源偏置电路被配置成在扩展的温度范围上将DC输出维持在上轨道和下轨道之间的中点，这在源被用在EMI滤波器中时是非常有用的。在30 MHz处，输出阻抗是至少1 kohm，并且通过适当选择输出晶体管，2 kohm是可能的。最大输出电流可以是1或2安培，并且可允许温度操作范围至少延伸在-40 ℃与125 ℃之间。

本发明还涉及一种有源EMI滤波器，包括上述高频电流源，其可以具有感测单元，其可以是电流变换器，被配置成感测从噪声源到负载的电源线中流通的噪声信号，根据该噪声信号控制高频电流源，通过电流注入单元将高频电流源的高频输出电流注入到电源线中。在许多应用中，噪声信号将是共模不期望的噪声电流）并且可被电源线上的电流变换器拾取，但是本发明不限于电流感测类型的滤波器，也不限于反馈滤波器。

本发明还涉及电或混动车辆的电源总线上的上述有源EMI滤波器的用途。

附图说明

本发明的示例性实施例在说明书中公开并由附图示出，在附图中：

图1示意性地示出了可以采用本发明的滤波器的电车辆的可能结构。

图2示出了常规无源EMI滤波器。

图3示意性地示出了根据本发明的滤波器。

图4和5示出了本发明的有源滤波器的两种可能的配置。

图6是具有偏置网络的共发射极输出级的简化示意图，以及

图7是用于稳定滤波器的工作点的控制网络的简化示意图。

具体实施方式

图1以非常简化的方式示出了电车辆的主要部件。牵引所需的能量存储在电池组45中并且可以由充电器45来补充，或者——在混动车辆的情况下——由未示出的内燃机来补充。电池组25连接到将电力分配给各种负载的电力分配单元30，例如用于产生用于辅助设备（娱乐、照明、机载计算机等）的12V电压的DC/DC转换器40，以及用于加热/耳朵调节的热泵20。重要的是，高电压DC总线15将电池的电压传输到电动机驱动单元60，电动机驱动单元60包括产生适于电牵引电动机70的多相AC波形的逆变器。EMI滤波器50在DC总线15上插入在驱动单元60的电源点处，以滤除由后者中的逆变器产生的噪声。

图1的配置仅仅是各种可能性中的一种并且仅仅作为本发明的一种可能用途的非限制性示例而提供。本发明可以在呈现各种结构的电车辆中使用，各种配置例如是不对应于图1的图的串联混动、并联混动、插入混动配置。本发明也不限于汽车应用。

图1示出了两个EMI滤波器50，一个在电池25和充电连接器49之间，并且一个在电动机驱动器60的DC侧上。本发明的EMI滤波器可以用在其他位置而不脱离本发明的范围。EMI滤波器的有意义的位置是：在充电器45之前和之后；在电池25之后；在DC/DC转换器40之前。充电单元45可以全部或部分地安装在连接器49之后。所有这些变型都包括在由所附权利要求限定的本发明的范围内。

图2示出了本领域已知的无源EMI滤波器51的可能结构。该滤波器被配置成两级的LC滤波器，其具有两个共模扼流圈（choke）L1和L2以及连接在正和负功率轨之间（X电容器C2、C5、C8）或者功率轨和保护性地导体之间（Y电容器C1、C3、C4、C6、C7、C9）的若干电容器。这种滤波器可以被设计成以大小、重量和制造成本的增加为代价来提供噪声的有效衰减。

根据需要，EMC滤波器可以被设计成衰减差模和/或共模噪声。共模噪声在电源总线的所有导体上以相同的极性同时出现并且经常占主导地位。图2的滤波器被设计成主要衰减共模噪声。

图3示出了根据本发明的滤波器50的可能结构。其被绘制为单丝（unifilar）方案，并且电源线15由单线来表示。这是电源线15可以包括若干导体的实际实现的简化。在重要但非排他的实现中，电源线15可以是包括正轨和负轨的电车辆中的HVDC总线。滤波器可以被设计成衰减差分噪声，或者优选地，衰减共模噪声分量。

在所示的实施例中，有源滤波器具有反馈配置，该反馈配置具有电流感测单元110，其可以是电流变换器，其读取从输出流出的噪声电流作为误差信号（error signal），模拟信号调节级120，其被设计为放大确定频带中的误差信号，电流源130，其通过电流注入电路140在电源线15上插入校正电流。

所提出的滤波器具有感测电流并注入相应的校正电流的“电流感测/电流注入”拓扑。然而，本发明不限于该情况，并且还可以包括将噪声感测为电源线的电压扰动的滤波器，和/或包括在电源线上注入电压的电压源，或者具有既不是纯电流源也不是纯电压源的输出电路的滤波器。下面的描述将在滤波器的输入处引入“电流感测单元”，并且在输出处引入“电流源”，但是它们可以分别由电压传感器、电压源或者由既不是纯电流也不是纯电压类型的传感器和源来代替，而不脱离本发明的范围。

如已知的，理想的反馈滤波器在闭环中提供由Y=X/（1+H）给出的衰减，其中，Y代表滤波器的输出处的信号，X代表输入处的信号，并且H是开环增益。实际上，传感器的非理想行为将引入附加因素，以及诸如此类。然而，本发明不限于滤波器的该拓扑并且还可以包括例如前馈（feed-forward）滤波器。

任何有源滤波器都展现动态限制，其是可以被注入回到电源线上并依赖用于它们的工作的电源（未示出）的最大电流。其性能保证在确定的带宽内，其中，它们的操作参数（例如插入损耗）遵守（respect）标称值。滤波级的带宽将在考虑噪声带宽的情况下来确定。在典型的汽车应用中，需要至少1 MHz的带宽。

有源滤波器在噪声源之后被插入在电源线上（最终具有无源预滤波级）并且应当能够注入具有与噪声电流相同强度的电流。苛刻的应用可能具有2 A峰峰值或更大的噪声幅度，并且第一有源滤波级的输出动态应当匹配这些图。

所需的动态行为可以通过如图4中所示配置的滤波器来获得。在该配置中，电流源130具有共发射极网络132，其操作点由偏置网络134和PI（比例积分（proportional-integral））控制网络136来确定，用于稳定输出的DC分量。重要的是，本发明的有源滤波器具有单极电源，而不是具有正和负电压轨的更复杂的双极电源。

三个级：共发射极网络132、偏置网络134和PI控制网络136被设计成协调工作并充当高频压控电流源。尽管比常规技术方案明显复杂，但本发明的电路已经证明是有利的，因为它提供了在高频处的高输出阻抗（因此近似理想电流源）、良好的稳定性、扩展的温度范围，并且极其适合于在汽车应用中构建有源EMC滤波器。

电流输出级132在图4中以及在图6的简化示意图中示出。它具有对称共发射极配置的两个双极晶体管：PNP晶体管138，具有通过合适值的电阻器Re连接到正电源185的发射极，以及NPN晶体管139，具有同样连接到负电源180的发射极，负电源180可以是地。电流级132的输出175在晶体管的集电极处。两个晶体管的基极通过将进一步描述的有源偏置网络134与HF输入信号AC耦合。

级可以被配置成操作于类A中，两个晶体管总是处于有源区中，或在类AB中，PNP晶体管仅对于输出电流的正极性是有源的（active）并且NPN晶体管对于负的一个是有源的，具有中心点周围的类A操作的小区。

发明人已经发现，共发射极提供了高输出阻抗，这是期望的，但是在有源EMI滤波器中不能单独令人满意地执行。由于输出是AC耦合的，所以负载阻抗在低频处变得非常高。因此，DC增益倾向于比AC增益高得多。这引起输出DC电压（优选地在距电源轨Vcc和Vee相等的距离处）的漂移，因为晶体管仅被不完美地匹配。该不稳定性在EMI滤波器中特别危险，因为电流源可能在饱和中结束，在系统中注入变形的波形并且因此在高频处注入附加噪声。为了克服这一点，本发明具有将输出处的DC值反馈到校正节点172（标记“e”）的控制网络136并且保持固定到参考值的输出电压。控制网络136可以基于积分器和增益级，实现P/I控制，如图7的简化示意图中那样，但是其他配置是可能的。积分器156的输入电阻Rin可以具有10 kΩ与10 MΩ之间的值，以避免加载级132的输出并且控制积分的时间常数。

积分器156是低通滤波器并且将被设计为不干扰滤波器的高频行为。优选地，积分器的截止频率将远低于期望的EMI滤波器的较低截止频率，例如，十倍频程以下（onedecade below）。为了确定该思想，如果有源EMI滤波器打算衰减10 kHz与1 MHz之间的噪声，则控制网络的截止频率应当最大为1 kHz。比例级166增加控制的准确度。

由于控制网络136以低频和功率操作，所以积分器级156和增益级166可以用适当的运算放大器来实现。CMOS运算放大器展现了非常低的输入偏置电流并且存在于单电源轨到轨的种类中。它们可以有利地用于本申请中。

增益级166的输出是注入偏置网络134的偏置校正节点172中的偏移DC电压。

在图4和6中可见的有源偏置网络134被设计成在所有感兴趣的温度范围上将共发射极网络的DC偏置保持在期望的工作点处并且校正PNP和NPN晶体管的不同特性。它包括电压参考164，其在所有感兴趣的温度范围中跨节点“d”和“e”保持恒定电压。二极管阵列154引入了负温度系数，因此节点“c”和“d”之间的电位随温度而改变。当R1和R2上的电压降保持相等时，这导致晶体管的基极电压的温度依赖改变，其平衡（counterbalance）了晶体管138和139的温度特性。另外，通过在校正节点172上施加电压，节点“c”和“d”的电位可以向Vcc或Vee电位转移（shift），因此增加一个晶体管的基极电位并降低互补晶体管的基极电位，或者相反。偏置有源电路的该具体设计与反馈控制单元136一起保证了与温度无关的所有节点（a、b、c、d、e、输出）的适当DC操作电压。

在图4的拓扑中，控制网络136在有源偏置网络k134的特定校正节点e处直接反馈DC信号124，并且这样做，使晶体管的操作点在感兴趣的温度范围内保持稳定。该示意图表示了优选的技术方案，但不是本发明的唯一可能性。如图5中所示，通过通过前置增益级120反馈DC校正信号而不是直接反馈到有源偏置网络134，也可以控制操作点。在该变型中，前置增益级120产生用于偏置网络134的输入信号126，其组合了由电流变换器110感测的HF信号和DC校正信号124。

共发射极对称级132、有源偏置网络134和控制网络136的组合提供了电压控制器高频电流源，已经发现其非常适合于在不同的工业领域中实现有源EMI滤波器，尤其是用于汽车应用。该系统比许多已知的HF源更复杂，但是复杂度赢得了许多重要的优势，包括：

·在大的频率范围中的高输出阻抗，例如在30 MHz处的2 kΩ（值取决于晶体管的选择）。

·在扩展的温度范围上的稳定操作点，扩展的温度范围例如在-40 ℃与125 ℃之间。

·单个电源

·高电流容量，高达5A峰峰值

·在电源轨之间的中点处的稳定输出电压。

附图中的参考符号

15电源线、DC总线

20热泵

25电池组

30电力分配单元

40 DC/DC转换器

45充电器

48充电线

49连接器

50 EMC滤波器

51无源滤波器

60电动机驱动单元

65噪声源

70电动机

75负载、受害者设备

91a正电源、输入（源侧）

91b正电源、输出（负载侧）

92a负电源、输入（源侧）

92b负电源、输出（负载侧）

100 ECU

101有源滤波器级（功率级）

110电流感测、电流变换器、感测单元

120放大器，信号调节

122 HF输入信号

124 DC输入信号

126 HF和DC输入信号

130电流源

132共发射极网络

134偏置网络

136控制网络

140电流注入

154二极管阵列

156积分器

164电压参考

166增益级

171共发射极网络的输入

172偏置校正输入

175共发射极网络的输出

180地或负电源

185正电源