一种具有精简结构的共模有源滤波器

1.本发明涉及电磁兼容领域，特别是涉及到具有精简结构的共模有源滤波器及其实现电路。


背景技术：

2.小体积，高开关频率，高功率和高功率密度一直是电力电子技术发展所追求的目标。随着新一代半导体器件，如碳化硅器件和氮化镓器件的出现和应用，电力电子设备的开关频率已经显著提升，这使得电力电子设备的体积减小，功率密度大幅度上升。但是，更高的开关频率和更小的体积会使得电磁干扰问题更加突出。在开关器件高速开关的瞬态，会产生极快的电压和电流突变，这种高速的电压电流突变会严重恶化电路所在的电磁环境。
3.为了抑制电路中的传导电磁干扰，传统的方案是通过添加由无源滤波元件组成的无源滤波器的方式来减小传导电磁干扰的幅值。这种方式在应用中具有简单，可靠，易于实现的优点。但是无源滤波元件自身庞大的体积无法适应电力电子设备小型化的需求。此外，无源滤波元件自身存在着丰富的寄生参数，这会使得无源滤波器在高频段的噪声抑制能力明显下降。
4.目前，已经有学者提出了采用有源滤波器来代替无源滤波器进行传导电磁干扰抑制的措施。无源滤波器主要通过电感和电容的不同组合，产生多个高阻抗和低阻抗回路来对噪声进行阻挡和旁路。有源滤波器的工作原理和无源滤波器不同，有源滤波器主要通过往电路中注入与原有噪声信号幅值相同，相位相反的补偿信号来实现噪声的抑制。因此，有源滤波器对比与传统的无源滤波器具有体积小，重量轻，噪声抑制能力强的优点。
5.不过，目前有源滤波器的实现方式较为单一，对器件数目的要求较多，这会使得有源滤波器进一步优化变得困难。为了改善这个问题，本发明提出了一种具有精简结构的有源滤波器拓扑。


技术实现要素：

6.为了改善上述问题，本发明提供了一种具有精简结构的共模有源滤波器电路，能够以较少的元器件和较小的体积实现对共模电磁干扰的抑制。
7.本发明提供了一种具有精简结构的共模有源滤波器电路，所述电路包括：
8.中性点构造电路与电路系统供电端连接，中性点构造电路产生一个中性点，该中性点的电位等于电路系统供电端电位的中点，且作为所述具有精简结构的共模有源滤波器电路的电位参考点。噪声信号采样电路采样中性点与电路系统的地线之间的共模干扰信号。噪声信号采样电路连接噪声信号放大电路的信号输入端，将采样到的共模干扰信号送到噪声信号放大电路。噪声信号放大电路的输入端连接噪声信号采样电路，能够将噪声信号采样电路采集到的共模干扰信号进行处理，产生一个能补偿电路中共模干扰信号的输出信号。噪声信号放大电路的输出端连接噪声信号补偿电路。噪声信号补偿电路一端连接噪声信号放大电路的输出端，另一端连接电路系统地线。噪声信号补偿电路能将噪声信号放
大电路产生的输出信号转换成补偿信号注入到电路系统中，并且最终的补偿信号能以电流的形式与电路中存在的共模干扰信号相互抵消，从而达到噪声抑制的目的。
附图说明
9.图1为本发明提出的具有精简结构的共模有源滤波器电路在应用中的连接示意图。
10.图2为本发明提出的具有精简结构的共模有源滤波器电路示意图。
11.图3为本发明提出的具有精简结构的共模有源滤波器对共模干扰信号抑制实测结果。
具体实施方式
12.本发明实施例提供的技术方案中，所述具有精简结构的共模有源滤波器电路主要由中性点构造电路，噪声信号采样电路，噪声信号放大电路和噪声信号补偿电路构成。中性点构造电路产生的中性点作为所述具有精简结构的共模有源滤波器电路的参考点。共模干扰信号经过噪声信号采样电路采样之后，由噪声信号放大电路放大，最终在噪声信号补偿电路上产生相应的补偿信号。该产生的补偿信号能和电路中的共模干扰信号相互抵消，从而达到噪声抑制的目的。
13.实施例一
14.请参考图1，图1为本发明提出的具有精简结构的共模有源滤波器电路在应用中的连接示意图。本发明实施例提供了一种具有精简结构的共模有源滤波器电路，所述具有精简结构的共模有源滤波器与输入端母线连接，与后级电力电子变换器处于并联连接的关系。此外，所述具有精简结构的共模有源滤波器与电路系统输入端的地线连接，且具有一个额外的中性点。
15.请参考图2，图中所示包含电池组、人工电源网络、具有精简结构的共模有源滤波器和电力电子变换器，并详细给出了本发明提出的具有精简结构的共模有源滤波器电路示意图。
16.所述电池组为电路系统输入端，电池组输出的阴极和阳极作为电路系统的供电，并且分别直接与人工电源网络的左侧两个输入端子连接。
17.所述人工电源网络为传导干扰测试仪器，能够测试电路中的传导干扰信号。人工电源网络共有五个端子，左侧的两个输入端子分别直接与电池组的阴极和阳极连接，右侧的两个输出端子直接连接后级电力电子变换器，第五个端子连接电路系统地线。
18.所述电力电子变换器为一种典型的反激变换器，该变换器输入端直接连接人工电源网络右侧的两个输出端子，变换器中产生共模干扰信号的主要源头是其中的开关器件s1和开关器件s1对地的寄生电容c
p
。
19.所述具有精简结构的共模有源滤波器电路连接在人工电源网络与反激变换器中间，与反激变换器处于并联连接的关系。电容c1和电容c2组成中性点构造电路，电容c1和电容c2串联连接，且电容c1和电容c2的连接点o点为所述具有精简结构的共模有源滤波器的中性点。电容c1的一端连接人工电源网络右侧的一个输出端子，另一端连接电容c2。电容c2的一端连接人工电源网络右侧的另外一个输出端子，另一端连接电容c1。电阻rs和电容cs共同
组成噪声信号采样电路。电阻rs一端连接中性点o，另一端连接电容cs。电容cs一端连接电阻rs，另一端连接电路系统地线。电路系统的共模干扰信号能够被噪声信号采样电路采样到，在电阻rs上产生一个与共模干扰信号相关的干扰电压。电阻rg，电阻rf和运算放大器u1构成噪声信号放大电路。电阻rg的一端连接电阻rs和电容cs的公共连接点，将采样到的共模干扰信号传递到噪声信号放大电路，另一端连接到运算放大器u1的反向输入端。电阻rf是运算放大器u1的反馈电阻，其一端与运算放大器u1的反向输入端连接，另一端连接运算放大器u1的输出端。运算放大器u1的同向输入端连接中性点o。电阻r
inj
和电容c
inj
共同组成噪声信号补偿电路，电阻r
inj
一端与运算放大器u1的输出端连接，另一端连接电容c
inj
。电容c
inj
一端连接电阻r
inj
，另一端连接电路系统地线。噪声信号补偿电路能够将噪声信号放大电路处理得到的信号转换成噪声补偿信号，并且该噪声补偿信号会被注入到电路中。该产生的噪声补偿信号与原有的噪声信号具有等幅值反相位的关系，因此能与原有的噪声信号进行抵消，从而达到噪声抑制的目的。
20.请参考图3，图中曲线q1为所述具有精简结构的共模有源滤波器尚未连接到电路时，由反激变换器产生的共模干扰信号。曲线q2为添加所述具有精简结构的共模有源滤波器之后的共模干扰信号。通过对比添加所述具有精简结构的共模有源滤波器前后的共模干扰信号幅值可以发现共模干扰信号的幅值发生了显著的降低，所述具有精简结构的共模有源滤波器对共模干扰信号具有极强的抑制能力。

技术特征：
1.一种具有精简结构的共模有源滤波器，其特征在于，包括：中性点构造电路构造出一个中性点，这个中性点是作为噪声信号采样电路和噪声信号放大电路的参考地，噪声信号采样电路通过一个电阻和电容组成的网络采样到噪声信号，将这个信号作为输入连接到噪声信号放大电路，噪声信号放大电路对采样到的噪声进行处理之后，输出一个处理后的输出信号，这个输出信号的端子连接噪声信号补偿网络。2.根据权利要求1所述的一种具有精简结构的共模有源滤波器，其特征在于，所述中性点构造电路在电路系统输入端构造一个中性点，作为所述具有精简结构的共模有源滤波器的参考地，中性点构造电路由电容c1和电容c2共同组成，电容c1和电容c2的连接点为构造的中性点o。3.根据权利要求1所述的一种具有精简结构的共模有源滤波器，其特征在于，所述噪声信号采样电路，其采样电路系统中的共模干扰信号，噪声信号采样电路连接噪声信号放大电路的输入端，并将采样得到的共模干扰信号传递到噪声信号放大电路进行信号处理，噪声信号采样电路由电容c
s
和电阻r
s
构成，电容c
s
和电阻r
s
的连接点输出采样到的共模干扰信号并将其传递到噪声信号放大电路部分。4.根据权利要求1所述的一种具有精简结构的共模有源滤波器，其特征在于，所述噪声信号放大电路，其输入端连接噪声信号采样电路，能够将噪声信号采样电路采集到的共模干扰信号进行处理，产生一个能补偿电路共模干扰信号的输出信号，噪声信号放大电路的输出端连接噪声信号补偿电路，噪声信号放大电路由电阻r
g
，电阻r
f
和运算放大器u1组成，电阻r
g
一端连接电容c
s
和电阻r
s
的连接点，另一端连接运算放大器u1的反向输入端，电阻r
f
一端连接运算放大器u1的反向输入端，另外一端连接运算放大器u1的输出端，运算放大器的同向输入端连接中性点构造电路构造出的中性点o。5.根据权利要求1所述的一种具有精简结构的共模有源滤波器，其特征在于，噪声信号补偿电路，其能将噪声信号放大电路产生的输出信号转换成补偿信号注入到电路系统中，从而达到噪声抑制的目的，噪声信号补偿电路由电阻r
inj
和电容c
inj
组成，电阻r
inj
一端连接运算放大器u1的输出端，另一端连接电容c
inj
。电容c
inj
一端连接电阻r
inj
，另一端连接电路系统的地线。6.如权利要求1所述的具有精简结构的共模有源滤波器，其特征在于，中性点构造电路与电路系统供电端连接，中性点电位等于电路系统供电端电位的中点。7.如权利要求1所述的具有精简结构的共模有源滤波器，其特征在于，噪声信号采样电路采样中性点和电路系统的地线之间的共模干扰信号。噪声信号采样电路将采样到的共模干扰信号传递到噪声信号放大电路的输入端。8.如权利要求1所述的具有精简结构的共模有源滤波器，其特征在于，噪声信号放大电路能将采样到的共模干扰信号做出处理，产生一个幅值和相位与原始共模干扰信号相关的输出信号。9.如权利要求1所述的具有精简结构的共模有源滤波器，其特征在于，噪声信号补偿电路，其能将噪声信号放大电路的输出信号转换成相应的补偿信号，并且最终的补偿信号能以电流或者电压的形式与电路系统中存在的共模干扰信号相互抵消，达到噪声抑制的目的。

技术总结
本发明公开了一种具有精简结构的共模有源滤波器，该共模有源滤波器电路主要由中性点构造电路，噪声信号采样电路，噪声信号放大电路和噪声信号补偿电路构成。中性点构造电路产生的中性点作为所述具有精简结构的共模有源滤波器电路的参考点。共模干扰信号经过噪声信号采样电路采样之后，由噪声信号放大电路放大，最终在噪声信号补偿电路上产生相应的补偿信号。该产生的补偿信号能和电路中的共模干扰信号相互抵消，从而达到噪声抑制的目的。本发明能够通过较少的元器件数量且以较小的电路体积实现共模干扰信号的有效抑制，从而实现了有源滤波器的小型化设计。有源滤波器的小型化设计。有源滤波器的小型化设计。


技术研发人员：周永兴 陈文洁 陈钰宣 孟鑫 任鹏远 黄兴伟
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：2021.12.10
技术公布日：2022/3/8