1.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电磁兼容性滤波器。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：
2.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。
3.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。
4.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。
5.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。
6.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。
7.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。
8.有源和无源两者频率滤波器都衰减在确定的阻带中的不期望的信号，并且除了其他参数之外通过衰减比来表征，衰减比率也被称为插入损耗。在所有实际情况下，阻带中的衰减不是恒定的：它可以在阻带的中心呈现最大值并且朝着阻带的限制移动减小。在阻带之外，衰减理想地是0 db，意味着没有衰减。实际上，阻带与通带之间的过渡是连续的并且衰减以某有限斜率从0db改变到标称衰减。
9.在下文中，在没有对频率的进一步说明的情况下，措辞“衰减”或“插入损耗”将指示滤波器的阻带中的最大衰减。
技术实现要素：
10.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。
11.根据本发明，实现这些目的是通过所附权利要求的目的，并且尤其是通过包括在电源线上级联的第一有源级和第二有源级的有源滤波器，其中，第一有源级在噪声源和第二有源级之间，其中，第一有源级具有第一衰减，并且第二有源级具有第二衰减，并且第一衰减低于第二衰减。
12.本发明的有利实施例是从属权利要求的目的并且包括如下变型，其中，第一有源级具有高于第二级的第二输出动态的第一输出动态范围，优选地第一输出动态是第二输出动态的五倍或更多，和/或其中第二衰减是第一衰减的至少十倍高。
13.本发明的其他实施例涉及滤波器，其中，第一有源级被配置成检测在电源线上流通（circulate）的第一噪声电流并输出电源线中的校正电流，并且第一有源级的输出动态是至少1安培峰峰值（peak-to-peak），可能是2 a峰峰值或以上。第一和第二有源级的带宽应该在足够宽的间隔上重叠以产生滤波器的期望的综合（comprehensive）带宽，例如至少1 mhz宽度的间隔。
14.优选地，第一有源滤波级具有中等衰减，例如在16和26 db之间。
15.每个有源滤波器级可以包括用于拾取在电源线上流通的噪声电流的电流变换器、生成电流校正信号的增益级、以及被配置成反馈电源线中的电流校正信号的输出级。是功率级的第一有源级可以包括分立最终极以传递所需的电流，例如具有分立晶体管的a或ab类放大器，或者howland电流泵（current pump）。是精确级到第二级通常可以用高速运算放大器来实现。
附图说明
16.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。
17.图2示出了常规无源emi滤波器。
18.图3和4示意性地示出了根据本发明的两级有源滤波器的结构。
19.图5是频率响应函数的绘图。
具体实施方式
20.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。
21.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。
22.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。
23.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。
24.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。
25.图3示出了根据本发明的滤波器50的可能结构。本发明的滤波器具有两个滤波级：第一有源功率级101和第二有源精确级201。第一和第二滤波级一个接一个地插入在电源线15上，并且它们中的每一个将源设备65产生的噪声衰减确定的量或插入损耗。滤波器50的综合衰减，视为输出处和输入处的噪声之间的比，是第一和第二级的衰减的乘积。
26.图3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。
27.图3还示出了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”拓扑的滤波器。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。在下文中，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。
28.在所示的实施例中，第一和第二有源级具有反馈配置。第一级101具有电流感测单元110，其可以是电流变换器，其读取从该级的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，其通过电流插入电路140在电源线15上插入校正电流。
29.第二级201具有相应的总体结构，在该示例中，具有电流感测单元210、调节级220、电流源230、注入电路240。
30.如已知的，理想地，这种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。
31.第一和第二有源滤波级具有动态限制，其是它们可以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。它们的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。
32.第一有源滤波级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。根据本发明的重要方面，第一有源滤波级具有至少300 ma峰峰值、优选至少1安培峰峰值的输出动态。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。
33.所需的动态可以以若干方式来获得，例如在a类或ab类放大器中具有分立晶体管的最终级。图4以理想化的非限制性方式示出了这一点。该配置是有利的，因为它近似于电流源的高输出阻抗，但它不是仅有的一种可能。在其他未示出的变型中，本发明的滤波器可以包括推挽式（push-pull）输出级或场效应晶体管。
34.第一信号调节级120放大由第一电流变换器110接收的信号，并且如图所示，可以通过高带宽运算放大器来获得。信号调节级120和最终级130很大程度上确定了第一有源滤波器的开环增益及其衰减。发明人已经确定，第一有源级中的适度放大是有利的，因为其导致了宽带宽和稳定的滤波器。
35.在实施例中，第一级的增益在所有有用带宽中可以低于50 （电流幅度比），这对应于小于35 db的衰减。在许多相关使用情况下，稳定性和带宽要求增益被限制在16-25 db，例如，第一级可以被设计具有从不超过10的增益，或者换句话说，不超过20 db的衰减。
36.由电流源130传递的补偿电流通过rc注入级注入到电源线中。
37.第二有源滤波级201被用于切断（cut off）第一级没有消除的噪声。其输出动态低于第一级101的输出动态，但其具有较高的正向增益和较好的衰减。因此，第二有源滤波级是消除第一功率级不能校正的残留噪声的精确滤波器级。它可以具有与第一级相同的总体结构，具有电流变换器210、使用高速运算放大器的放大器和电流源225、以及rc注入级240。
38.虽然第一有源级具有增益级120和被配置成电流源的单独的输出级130，但是第二精确有源级210可以仅具有放大器225，其放大噪声电流信号并且直接向注入网络240提供所需的补偿电流。第二级的衰减可以是40 db或更高，并且其输出动态可以是第一级的输出动态的五分之一或更小，例如400 ma峰峰值。
39.换种方式来说，第二级的衰减高于第一级的衰减。例如，第二级的衰减可以是第一级的衰减的五倍高，或更好地是十倍高。第一和第二级的输出动态是相对的：第一级的动态大于第二级的动态，例如三倍或更好地五倍。
40.图5是从10 khz至10 mhz的带宽中的本发明的滤波器的理想衰减绘图，其中，发现由汽车开关转换器产生的噪声的大部分。曲线81表示从不超过20 db的第一有源级101的频率相关衰减，因为该级的增益是中等的，而曲线82表示是大约40 db的第二有源级201的衰减。滤波器的插入损耗，综合了（comprehensive of）由第一和第二级引入的衰减，被绘制为曲线83。
41.因此，本发明使用了比常规有源滤波器更复杂的电子电路，其中两个有源衰减级级联。更靠近噪声源的第一级是功率级，其仅提供小衰减，但是仍然将最大噪声减少到可以由是具有高增益和衰减的精确级的第二级201来处理的水平。
42.参考符号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81频率响应函数82频率响应函数85频率响应函数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 ecu101第一有源滤波器级（功率级）110第一电流感测、电流变换器120第一放大器，信号调节130第一电流源140第一电流注入201第二有源滤波器级（精确级）210第二电流感测、电流变换器220第二放大器，信号调节225放大和输出级230第二电流源240第二电流注入。