EMI滤波器的制作方法

emi滤波器
技术领域
1.本发明涉及一种用于电磁干扰的滤波器。


背景技术：

2.车辆和工业中的电气系统变得与以往任何时候相比更复杂并且包括与以往任何时候相比更多的生成电磁干扰或者易于受电磁干扰侵扰的部件。例如，ac电马达是由电子逆变器驱动的，电子逆变器通过生成具有可变频率和电压的波形来控制马达速度和转矩。这些系统提供了高效率，但是生成强大的电磁噪声。
3.有时，使用其它种类的电马达，诸如dc无刷马达，并且一些马达是通过生成梯形波或通过dc/dc转换器而被控制的。
4.开关功率转换器被用于驱动电动车辆和混合动力电动车辆中的电马达，并且被使用在数不清的应用中，诸如固定马达的驱动、电池充电器、光伏系统、照明控制、高性能计算机和许多其它应用。在所有这些情况下，转换器的开关动作是电磁噪声源，其必须被通过emi滤波器来减轻。
5.例如，us 20180269781公开了这一种类的功率滤波器，其被设计用于汽车应用。
6.emi滤波器、逆变器和功率电子系统总是包括能够存储能量例如作为电容器中的剩余电荷的电抗元件。安全考虑和许多技术规范要求滤波器包括耗散元件，例如泄放电阻器，其引起所存储的能量自发地放电。然而，为了限制能量损失，泄放电阻器的欧姆值被选取为尽可能高，并且放电相当缓慢。
7.电子设备中的剩余能量的存留可能是若干问题的根源。在电动车辆中，hvdc总线将电池组连接到高电压组件，诸如马达驱动系统。hvdc总线必须被以特定的时间放电。例如，在一些车辆中，hvdc总线必须在切断事件之后的规定时间内被放电至安全水平，例如低于60v。尽管为安全考虑，但电子设备中的剩余能量还可能在许多方面是有害的。例如，某些高级驱动系统可能具有瞬时故障模式，其可以利用用于快速地耗散剩余能量的装置来更好地进行应对。
8.us 7944161公开了一种具有dc链路和用于驱动ac马达的逆变器的驱动系统，其中逆变器被配置为根据请求而通过在马达的绕组中注入纹波电流来使dc链路放电。us 9018865公开了一种用于电动车辆的主动放电电阻器。
9.其中快速地耗散能量的能力可能是合期望的另一种情况是再生制动。该技术被使用在电动车辆和固定应用(例如电梯)这两者中，并且在于使用ac马达作为发电机并且将其产生的电能发送到存储设备中。以这种方式，生成制动转矩。
10.当再生制动系统中的存储设备达到其最大容量时，或者在失效的情况下，必须以某种其它方式耗散由马达产生的能量，以保持制动转矩。已知的是在这些情况下使用制动电阻器。然而，制动电阻器体积大、昂贵，并且要求实质的冷却来起作用。
11.与电子设备中的剩余能量相关的问题不限制于车辆中的马达驱动系统而是出现在许多功率应用中，并且本发明可以被应用于电池充电和若干其它领域。


技术实现要素：

12.本发明的目的是提供一种克服现有技术的缺点和限制的设备。
13.根据本发明，这些目的是通过所附权利要求的主题并且尤其是通过用于dc电气网络的滤波器来达成的，所述滤波器包括：正输入端子和负输入端子以及正输出端子和负输出端子，用于将滤波器连接在dc功率线上；被布置成滤除dc功率线上的噪声分量的滤波电路，其特征在于，滤波器中的功率电阻器是选择性地可连接在一个正输入端子或输出端子和一个负输入端子或输出端子之间的。
14.从属权利要求的特征涉及有利的或优选的变型但并非是不可或缺的。它们包括直接地或通过滤波器的金属外壳或通过母线与功率电阻器热接触的热耗散器或热沉。优选地，热焊盘或热膏被放置在功率电阻器和热耗散器或热沉之间，以改进它们之间的热交换系数。这种部署是有利的，因为其使用现有的元件来提供到主动放电电阻器的优良的热耗散路径。本发明的滤波器还可以包括用于保护的接地导体，其可以是与金属外壳等电势的。
15.本发明还具有如下的变型，其中功率电阻器被连接到受控开关，受控开关可以在滤波器内部或者是外部组件。在前者的情况下，滤波器具有放电信号端子，该放电信号端子从控制单元接受例如逻辑电平，并且确定滤波器被连接到其上的dc总线的放电。在后者的情况下，滤波器具有带有高电流能力的放电端子，用于连接到外部开关。
16.所要求保护的使用情况是其中滤波器被安装在电动车辆的马达驱动单元上并且在马达驱动单元的供给点处对dc驱动系进行滤波。在该变型中，在放电期间在电阻器中耗散的功率被容易地通过滤波器的外壳或通过母线传导到驱动单元的冷却系统。
17.附加地，主动放电电阻器需要连接在dc总线的正导体和负导体之间，正如emi滤波器的许多组件——例如“x”电容器——那样。因此，主动放电电阻器可以被方便地放到emi滤波器中而没有或有很少的在大小或成本上的增加，同时外部组件可能难以放置在其中空间非常宝贵的设施中，诸如在车辆中。
18.本发明人已经认识到，虽然emi滤波器和放电设备的功能是相当不同的，但是它们的要求是兼容的，例如对于热管理所关注的内容而言。将主动放电设备集成在emi滤波器中提供了导致成本和空间节约的协同优势。
19.在本公开中，表述“高电压”指示在汽车工业中被认为高的电压水平，也就是高于车辆的辅助设备的电压（例如12或24v）的任何电压。60v以上的dc电压一般被认为是车辆中的“高电压”。相反，低于60v的dc电压水平被认为是“安全的”。在许多车辆中，hv驱动系具有在275v和800v之间的标称值，但是更高和更低的值是已知的。
20.在本公开中，表述“电连接”和“热连接”包括被直接连接的两个组件的情况以及其中两个元件通过中间的第三组件交换电能或热能的布置。
附图说明
21.在描述中公开了本发明的示例性实施例并且通过附图图示本发明的示例性实施例，在附图中：图1以单线表示示意性地图示电动车辆的电路；图2是用于dc功率线的emi滤波器的简化表示；图3图示具有外部开关的本发明的实施例；
图4图示具有内部开关的本发明的实施例。
具体实施方式
22.图1以非常简化的方式示出电动车辆的主要组件。牵引所需要的能量被存储在电池组45中，并且可以被由充电器45补充或者——在混合动力车辆的情况下——由未图示的内燃机补充。电池组25被连接到功率分配单元30，功率分配单元30将功率分配给各种负载，例如用于生成用于辅助设备(娱乐、照明、车载计算机等)的12v电压的dc/dc转换器40以及用于加热/空调的热泵20。重要的是，高电压dc总线15将电池的电压传输到马达驱动单元60，马达驱动单元60包括生成适于电牵引马达70的多相ac波形的逆变器。emi滤波器50在驱动单元60的供给点处插入在dc总线15上，以滤除逆变器中由其生成的噪声。
23.图1的配置仅是各种可能性中的一种并且仅是作为本发明的一种可能的用途的非限制性示例而提供的。本发明可以被使用在呈现各种配置（例如串联混合动力配置、并联混合动力配置、插接混合动力配置）的并不对应于图1的示图的电动车辆中。本发明也不限制于汽车应用。
24.图1示出两个emi滤波器50，一个在电池25和充电连接器49之间并且一个在马达驱动60的dc侧上。在不脱离本发明的范围的情况下创新的emi滤波器可以被使用在其它位置。对于emi滤波器而言有意义的位置是：在充电器45之后、在电池25之后、在dc/dc转换器40之前。充电单元45可以被完全地或部分地安装在连接器49之后。所有这些变型被包括在由所附权利要求限定的本发明的范围内。
25.图2示出emi滤波器50的可能的结构。该示意图被简化并且emi滤波器的工业实现可以显著不同，例如包括除了电流补偿电感器之外的其它电感器、与电容器串联的或者在其它合适的位置处的阻尼电阻器、以及“y”电容器。所呈现的结构仅是作为本发明的实施例的非限制性示例提供的。
26.滤波器在电池侧上借助于正输入端子91a和负输入端子92a并且在负载侧上借助于正输出端子91b和负输出端子92b而连接在dc总线15上。表述“输入”和“输出”单纯是常规的并且指代从电池到马达的常规的能量流动方向，但是其实际上并不重要。在所呈现的示例中，滤波器网络51是对称的两级lc滤波器，如果被反转则其将以相同的方式工作，并且被布置成过滤来自以及去往马达驱动单元的噪声。根据滤波器的额定电流，输入端子和输出端子可以被通过印刷迹线、线缆、固体导电母线或任何其它合适的导体互连。
27.滤波器包括接地导体pe，优选地与滤波器的外壳等电势以用于保护。
28.滤波器网络51一般而言包括多个电感器和电容器。在所呈现的示例中，它们由两个电流补偿扼流圈l1和l2、“x”电容器c1
‑
c9（其与包括在马达驱动单元60中的电容器一起贡献于可以被存储在dc总线15中的能量）表示。
29.耗散元件rx被包括在emi滤波器中以用于在可能保证dc总线15的所有情况下使dc总线15放电的目的。耗散元件rx可以是功率电阻器，或者是能够耗散功率的任何其它电气组件。其值由dc总线15上存在的总电容、合期望的时间常数以及每次放电时必须耗散的总能量来确定，但是在非限制性的汽车应用中，其可以具有在1kω和10kω之间的电阻值。电阻器rx的一个端子被连接到dc总线的输入端子或输出端子之一，并且电阻器与能够耗散或存储在放电中生成的热的结构58热接触。根据电路的尺寸，热耗散器58可以是单独的散热
器或者是滤波器50的金属外壳或者是母线。注意，耗散元件rx可以被连接到滤波器50的输入侧而非所绘制的输出侧，而不改变功能和效果。
30.功率电阻器rx不是永久地和直接地跨dc总线15而与两个端子连接的，而是有开关装置被插入以使得dc总线15可以根据命令而被放电。开关装置可以是晶体管，例如igbt或功率mosfet、受控整流器、机电继电器或任何合适的可控开关。图3和图4示出本发明的两种可能的变型，其具有外部开关71a或内部开关71b。
31.在图3的变型中，功率电阻器rx被连接到emi滤波器50的放电端子54a，其被设定尺寸以承载放电电流，同时外部开关71a被连接在放电端子54a(在内部)和负输出端子92b(到外部)之间，或者反之亦然。注意，在替换的实现中，开关71a可以被连接到输入端子91a、92a。
32.在图4的变型中，开关71b被包括在滤波器50中，并且滤波器具有信号端子54b，其接受例如逻辑电平的信号，根据信号激活开关71b并且dc总线被放电。在这种情况下，信号端子71b必须不处理显著的电流。信号103可以是由ecu 100或任何合适的逻辑电路生成的。信号端子54b可以被布置成接受逻辑电平、模拟电平、串行数据、数字总线、光纤或任何合适形式的电子通信。
33.在特别重要的用途的情况下，本发明的滤波器被插入在电池组和电动车辆的马达驱动单元之间，如在图1中示出那样。马达驱动单元60可以具有相当大的输入电容，并且滤波器50被布置并且设定尺寸以使该电容以及其自身的内部电容c1
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c9放电。滤波器50可以被紧固到马达驱动单元的金属外壳，该金属外壳进而例如被通过液体循环系统主动冷却。以这种方式，每当dc总线15放电时，滤波器中的热损失和电阻器rx中耗散的能量被传输到马达驱动单元60并且被马达驱动单元6耗散。
34.本发明不限制于车辆中的车载应用而是延伸到要求耗散剩余能量的emi滤波器的所有技术应用。本发明可以被用于每当遇到预定的触发条件时(例如当连接器被拔出插头或者安全盖被移除时)使耗散元件rx中的剩余能量耗散。耗散元件rx将被设定尺寸以在规定的时间内(例如1s)使dc导体中的电压达到安全水平(例如低于60v)。
35.本发明的实施例涉及改进用于电动车辆的充电设施的安全性。如在图1中图示那样，电动车辆可以具有用于将电池25连接到充电器45的连接器49，其中插入有emi滤波器50和充电线缆48。
36.合期望的并且可能要求的是，在将连接器49拔出插头之后在规定的时间内(例如1秒)使线缆48中的导体达到安全的电压水平(例如小于60v)。为此目的，充电单元配备有根据本发明的滤波器，其具有如图4中的内部开关或者具有如图3中的外部开关。充电单元包括逻辑电路100，其被配置为检测将连接器49拔出插头并且生成放电信号103，由此开关71a或71b被闭合以使功率导体91a、91b放电。
37.各图中的参考符号12 dc链路；20热泵；25电池组；40 dc/dc转换器；45充电器；48充电线缆；49连接器；50 emi滤波器；51滤波器网络；54a放电端子；54b放电信号端子；58热耗散器/热沉；60马达驱动单元；70 ac马达；71a外部开关；71b内部开关；91a emi滤波器的正输入端子；91b emi滤波器的正输出端子；92a emi滤波器的负输入端子；92b emi滤波器的负输出端子；100逻辑电路、电子控制单元；103放电信号；c1
‑
c8电容器；l1
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l2电流补偿扼流圈；pe 保护接
地；rx 耗散元件/功率电阻器。