一种有源EMI滤波电路的制作方法

一种有源emi滤波电路
技术领域
1.本实用新型涉及功率变换模块功率变换器，更具体的说涉及功率变换模块中的有源emi滤波器。


背景技术：

2.功率变换模块功率变换器大量使用有源功率器件，产生了大量电磁噪声，电磁噪声在功率变换系统和保护地之间传递，形成功率变换器的emi。其中，差模(dm)噪声在功率路径之间传递，共模(cm)噪声在电源系统和保护地之间传递。
3.常规应用中，功率变换模块功率变换器采用无源emi滤波器，包含了共模(cm)滤波器和差模(dm)滤波器，用以衰减共模噪声和差模噪声。共模滤波器设计中，由于共模滤波电容受到安规漏电流的限制，一般取值很小，为nf数量级。因此，为了达到良好的共模滤波效果，需要增大共模电感的感量，共模电感的感量一般取值很大，达到mh数量级。同时，共模电感每个绕组串联在功率电路中，每个绕组需要承载全部的交流输入电流，随着功率变换模块功率的增加，共模电感的体积将会变得很庞大。在11kw及更大功率的功率变换模块典型应用中，相比传统的6.6kw功率变换模块，电流等级将会变大至2
‑
4倍，对应的共模电感体积也基本需要相应倍数的提升。
4.同时，新一代宽禁带功率器件(sic、gan等)的大规模应用，相比传统的si 材料功率器件，功率变换电路的开关工作频率大幅度提升，对应的功率变换电路磁件体积大幅度降低。
5.综合以上两项车载功率变换模块的最新发展趋势，在11kw及更大功率的功率变换模块典型应用中，emi滤波器的体积将会占到整体功率变换模块体积的 1/3，甚至会占到1/2。因此，必须及时减小功率变换模块中的emi滤波电路体积，从而有效减小功率变换模块的整体体积，提升功率密度。
6.因此，如何设计一种有源emi滤波器，通过合理的控制，抵消部分emi噪声，有效减小无源emi滤波器的体积，提升功率密度是业界亟待解决的技术问题。


技术实现要素：

7.为了解决现有技术中存在的上述缺陷，本实用新型提出一种有源emi滤波器。
8.本实用新型采用的技术方案是设计一种有源emi滤波电路，包括连接在外部电源和用电设备之间的功率变换模块，以及控制模块，还包括daef模块、供电模块；其中所述供电模块向所述daef模块供电；所述daef模块包括串接在供电模块与保护地pe之间的功率开关和噪声抵消电容；所述控制模块向功率变换模块发出pwm控制信号、并且向daef模块发出pwm控制信号以对功率变换模块产生的噪声进行补偿。
9.所述控制模块在功率变换模块pwm控制信号的基础上提前或滞后时序差τ发出daef模块pwm控制信号，以对功率变换模块产生的噪声进行补偿；所述控制模块向供电模块提供设定电压v
ref
，供电模块根据设定电压v
ref
调整输出电压。
10.所述功率变换模块可以包括多个桥臂组，每个桥臂组由上桥臂和下桥臂构成；还包括与桥臂组数量相等的daef模块，所述控制模块分别控制每个daef 模块，各daef模块利用其噪声抵消电容对相应的桥臂组的噪声进行抵消。
11.所述功率变换模块也可以包括多个桥臂组，每个桥臂组由上桥臂和下桥臂构成；所述daef模块用噪声抵消电容对各桥臂组的噪声进行抵消。
12.所述外部电源与功率变换模块之间串接无源emi滤波器。
13.所述供电模块的输入端连接所述功率变换模块的输入端，或者连接所述外部电源。
14.所述daef模块包括依次串接在供电模块输出端与地之间的第一开关q1、第一电阻r1、第二电阻r2、第二开关管q2，第一开关q1的集电极与基极串接第三电阻r3，第二开关管q2的基极与发射机之间串接第四电阻r4，第一开关 q1的基极连接第五电阻r5的一端，第五电阻r5的另一端连接第一二极管d1 的阳极，第一二极管d1的阴极连接第二二极管d2的阳极并连接控制模块接收所述pwm控制信号，第二二极管d2的阴极连接第六电阻r6的一端，第六电阻 r6的另一端连接第二开关管q2的基极，第一电阻r1和第二电阻r2连接点与保护地pe之间串接噪声抵消电容c1，第一开关管q1采用npn型三极管，所述第二开关管q2采用pnp型三极管。
15.所述功率变换模块采用单相pfc电路、或三相pfc电路。
16.所述功率变换模块采用电驱逆变器电路。
17.所述外部电源采用直流电源、或车载dcdc电路。
18.本实用新型提供的技术方案的有益效果是：
19.本实用新型使用少量的元器件，结合现有功率变换模块功率变换器的控制电路，最大限度复用电路，减小新增的器件；使用数字控制方式，实现有源emi 滤波器，最大限度减小了模拟器件的使用数量；抵消功率变换电路产生的噪声，有效减小无源emi滤波器的体积，提升功率密度,体积减小为现有无源emi滤波器体积的1/2，成本降低为现有成本的2/3；控制方案灵活，可以根据需求进行灵活配置，可移植性和可扩展性强。
附图说明
20.下面结合实施例和附图对本实用新型进行详细说明，其中：
21.图1为本实用新型原理框图；
22.图2为本实用新型功率变换模块寄生电容示意图；
23.图3为功率变换模块中桥臂中点的电平波形；
24.图4为补偿时序差τ前后的对比图；
25.图5为本实用新型较佳实施例daef模块电路图；
26.图6为开通(闭合)图2中的s1开关的噪声电流波形图；
27.图7为本实用新型功率变换模块具有多桥臂的电路图；
28.图8为本实用新型对应多桥臂的控制模块示意图；
29.图9为本实用新型功率变换模块采用三相输入pfc电路的电路图；
30.图10为本实用新型功率变换模块采用电机驱动逆变器电路的电路图；
31.图11为本实用新型补偿控制逻辑图；
32.图12为本实用新型时域对比图；
33.图13为本实用新型频域对比图；
34.图14是用1个daef电路补偿具有多桥臂组的功率变换电路噪声的原理框图；
35.图15为本实用新型功率变换模块采用车载dcdc的电路图。
具体实施方式
36.为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
37.一种有源emi滤波电路，包括连接在外部电源和用电设备之间的功率变换模块，以及控制模块，还包括daef模块、控制模块、供电模块。参看图1示出的本实用新型较佳实施例原理框图。主电路中由常规的无源emi模块、功率变换模块和用电设备串联而成。本实用新型中的供电模块向所述daef模块供电；所述daef模块包括串接在供电模块与保护地pe之间的功率开关和噪声抵消电容；所述控制模块向功率变换模块发出pwm控制信号、并且向daef模块发出pwm 控制信号以对功率变换模块产生的噪声进行补偿。
38.所述控制模块在功率变换模块pwm控制信号的基础上提前或滞后时序差τ发出daef模块pwm控制信号，以对功率变换模块产生的噪声进行补偿。控制模块分别控制功率变换模块和daef模块，控制模块已知功率变换电路pwm的开关特性，在同一时刻进行时序控制，控制daef电路的输入pwm控制信号，在 daef电路中产生一个补偿噪声，补偿噪声和原始噪声大小相同方向方法，补偿噪声注入电源中从而消除功率变换模块产生的原始噪声。另供电电源可调节补偿噪声的电压幅值(即调节补偿噪声的大小)。通过本实用新型技术的实施，可以抵消电源中的噪声，使无源emi滤波电路相比采用现有技术，体积减小为现有体积的1/2，成本降低为现有成本的2/3。
39.为了对电源中噪声的产生进行了解请参看图2，图中开关s1和开关s组成桥臂，由于开关s1和s2的开通和关断，桥臂中点对保护地的寄生电容cpar上，产生电位在0和幅值vo_norm(vo_norm为功率变换电路输出电压的额定值)之间交替变化的动电平。
40.图3为对应图2中开关电路中桥臂的中点对保护地的寄生电容cpar上动电平波形示意图，电位在0和幅值vo_norm(vo_norm为功率变换电路输出电压的额定值)之间交替变化，变化频率为开关电路的开关频率t5＝t
sw
＝1/f
sw
。
41.寄生电容c
par
的容值为：
[0042][0043]
其中，μ为相对介电常数，l为两个平面的重叠长(cm)，w为两个平面的重叠宽(cm)，d为两个的距离(cm)。以下为功率模块与散热片之间形成的寄生电容。
[0044]
图4为无源滤波和有源滤波抵消噪声效果对比图，左侧为现有技术中无源滤波波形图，右侧为有源滤波波形图，第一行v_cpar为寄生电容电压波形，第二行pwm_daef为daef电路pwm控制信号波形，第三行v_c1为噪声抵消电容c1 电压波形，第四行为原始噪声与注入噪声波形图，第五行为补偿后的总噪声。从对比图中可以看出，无源滤波电路噪声无法消除，而本实用新型将pwm控制信号提前时序差τ，通过补偿噪声基本消除。pwm控制信号时序
差τ为一个固定值，可以预先通过物理的方法测量得出。因此，在图4功率变换模块发波的基础上，通过配置控制模块，将控制daef模块的pwm
‑
daef控制信号的提前时序差τ，在噪声抵消电容c1产生电压信号v
‑
c1抵消噪声信号v
‑
cpar。
[0045]
所述控制模块向供电模块提供设定电压v
ref
，供电模块根据设定电压v
ref
调节其输出电压。调节设定电压v
ref
就能调节供电模块的输出电压vdc2(daef模块的供电电源v
dc2
)，进而影响到噪声抵消电容c1上的电压v
‑
c1(参看图4)，从而直接影响抵消噪音的效果。设定电压v
ref
根据实际应用噪声大小进行同步调节。供电模块可以是ldo或dcdc变换电路，输出v
dc2
给daef模块供电，v
dc2
也跟随设定电压同步进行调节。
[0046]
参看图7示出的一个实施例，所述功率变换模块包括多个桥臂组，每个桥臂组由上桥臂和下桥臂构成；图中s11、s21、
…
，sn1为对应桥臂组的上开关， s12、s22、
…
，sn2为对应桥臂组的下开关，cpar1、
…
、cparn为对应桥臂组中点对保护地的寄生电容。图8示出的是对应多桥臂的控制模块示意图，包括与桥臂组数量相等的daef模块，所述控制模块分别控制每个daef模块，各daef 模块利用其噪声抵消电容对相应的桥臂组的噪声进行抵消。daef的pwm控制信号1，
…
，daef的pwm控制信号n为控制模块发出，作用在daef模块上的n路驱动信号，c1
‑
1、
…
、c1
‑
n为滤波电容。
[0047]
图14示出了另外一种实施例，其用1个daef电路补偿具有多桥臂组的功率变换电路的噪声，该实施例中所述功率变换模块包括多个桥臂组，每个桥臂组由上桥臂和下桥臂构成；所述daef模块用噪声抵消电容(c1)对各桥臂组的噪声进行抵消。
[0048]
寄生电容共模电流大小为：
[0049][0050]
上面公式中，
[0051]
1)：vbus_voltage_typ：输入dc+电压幅值；2)：cstary_cap_typ：寄生电容容值；3)：ton_rise_time_typ：开通/关断时间(10％dc+～90％dc+)；4)： ttime:运行时间。
[0052]
图6示出了开通图2中的s1开关的电流波形(关断s1开关的波形与图6 曲线的大小相同，方向相反)：
[0053]
图5示出了本实用新型较佳实施例daef模块电路图，r3，r4应满足以下关系：
[0054][0055]
r1，r2应满足以下关系:
[0056][0057]
其中v
lv
：aef供电电源电压，h
fe
：三极管电流增益，i
cm
：共模电流峰值电流(图6中波形中的峰值电流)，t
_cm
：寄生电容电流时间(图6中波形中的共模电流时间)，v
t
：90％*v
lv
的电压。
[0058]
图5中daef电路驱动信号和供电模块共同作用，电容c1的容值为：
[0059][0060]
v
o_norm
为功率变换电路输出电压的额定值，v
dc2_norm
为aef电路供电电源的额定值，c
par
为开关电路中桥臂的中点对保护地寄生电容的容值。
[0061]
参看图1示出的原理框图，所述外部电源与功率变换模块之间串接无源emi 滤波器。所述供电模块的输入端连接所述功率变换模块的输入端，或者连接所述外部电源。
[0062]
图5示出了本实用新型较佳实施例daef模块电路图，所述daef模块包括依次串接在供电模块输出端与地之间的第一开关q1、第一电阻r1、第二电阻 r2、第二开关管q2，第一开关q1的集电极与基极串接第三电阻r3，第二开关管q2的基极与发射机之间串接第四电阻r4，第一开关q1的基极连接第五电阻 r5的一端，第五电阻r5的另一端连接第一二极管d1的阳极，第一二极管d1 的阴极连接第二二极管d2的阳极并连接控制模块接收所述pwm控制信号，第二二极管d2的阴极连接第六电阻r6的一端，第六电阻r6的另一端连接第二开关管q2的基极，第一电阻r1和第二电阻r2连接点与保护地pe之间串接噪声抵消电容c1，第一开关管q1采用npn型三极管，所述第二开关管q2采用pnp 型三极管。需要指出，所述daef模块中的功率开关为第一开关q1和第二开关管q2。
[0063]
所述功率变换模块采用单相pfc电路、或三相pfc电路或运用本技术的pfc 变换装置。附图9示出的是功率变换模块采用三相输入pfc电路的电路图，该电路有q1至q6功率开关，节点a1、a2、a3与单相输入pfc电路中节点a1
‑
1、 a2
‑
1具有如图3所示的类似动电平波形。本领域的技术人员应当了解，只要具有如图3所示的类似动电平波形，其对应的开关电路均符合本专利描述的开关电路特征。
[0064]
所述功率变换模块采用电驱逆变器电路或运用本技术的逆变器装置。附图 10示出的是电机驱动逆变器电路的电路图，该电路有q7至q10功率开关，电路中节点b1，b2,b3具有如图3所示的类似动电平波形。本领域的技术人员应当了解，只要具有如图3所示的类似动电平波形，其对应的开关电路均符合本专利描述的开关电路特征。
[0065]
图11为使用本实用新型提出的有源滤波器控制技术调整daef电路驱动信号后，对应电路的电压采样波形。从图中可以看出，daef输出电容c1(即噪声抵消电容c1)上的电压波形跟随daef输入pwm信号(即pwm控制信号)， daef输出电容c1抵消了寄生电容上的电压，emi噪声源的波动完全消除。
[0066]
图12为本实用新型时域对比图，图中上部分为现有技术有源emi滤波器共模噪声的抑制对比，图中下部分为本实用新型无有源emi滤波器共模噪声的抑制对比。在时域图中有源滤波器的噪声幅值降低了7.5v(有源滤波器噪声的最大幅值为7.5v，无源滤波器的噪声幅值为15v)。
[0067]
图13为本实用新型频域对比图，图中上部分为现有技术有源emi滤波器共模噪声的抑制对比，图中下部分为本实用新型无有源emi滤波器共模噪声的抑制对比。在频域中0.01mhz～3mhz内有源滤波器噪声均有明显改善，最大改善幅值为250mv@0.01mhz。
[0068]
所述外部电源采用直流电源、或车载dcdc电路、或运用本技术的dcdc装置。图15示出了车载dcdc的电路图，电路中节点c1，c2具有如图3所示的类似动电平波形。本领域的技术人员应当了解，只要具有如图3所示的类似动电平波形，其对应的开关电路均符合本专利
描述的开关电路特征。
[0069]
以上实施例仅为举例说明，非起限制作用。任何未脱离本技术精神与范畴，而对其进行的等效修改或变更，均应包含于本技术的权利要求范围之中。