濾波器可在電源線上被用于緩解電磁噪聲或漏地電流，其可由例如開關(guān)頻率產(chǎn)生。

例如，在馬達(dá)驅(qū)動輸出線路上，漏地電流可以導(dǎo)致馬達(dá)軸承的快速退化。

在許多應(yīng)用中，在1KHz至150kHz的范圍內(nèi)存在系統(tǒng)開關(guān)頻率。在馬達(dá)驅(qū)動的情況下，開關(guān)頻率通常在1kHz至16kHz范圍內(nèi)，并且在電源、UPS和功率轉(zhuǎn)換的情況下，其通常在10kHz至200kHz范圍內(nèi)。

期望的是找到從輸入和輸出線路兩者用以去除這些干擾頻率和關(guān)聯(lián)諧波的高效方式。

用于緩解例如由開關(guān)頻率產(chǎn)生的電源線上的電磁噪聲的常規(guī)濾波器解決方案是用電感和電容元件和電阻器構(gòu)成的無源濾波器。

電力電子設(shè)備可采用由此類電感和電容元件構(gòu)成的線路濾波以便衰減線路干擾。這些無源元件的阻抗是頻率相關(guān)的。為了實現(xiàn)期望的衰減，無源元件常常是大且昂貴的，尤其是在低頻率下。

期望更緊湊的濾波器解決方案，特別是在1kHz至150kHz的頻率范圍內(nèi)，其中，除開關(guān)頻率之外，存在電磁兼容性（EMC）領(lǐng)域中的其它現(xiàn)象，諸如：殘余電流裝置（RCD）中的偽跳閘、對電源線通信的干擾以及更一般地漏地電流。

用于此目的的適當(dāng)濾波器可被構(gòu)建成不斷加大且更加昂貴；或者在這變得過于極端的情況下，該問題被完全忽視。

WO 2014/048471 A1描述了一種包括有源濾波部和無源帶寬濾波部的EMC濾波裝置。濾波器的無源和有源部分是互利，使得結(jié)果得到的濾波器具有混合性質(zhì)，是小的，并且具有比單獨的無源濾波器解決方案更低的成本。

本發(fā)明的目的是提供一種替換的緊湊式濾波器裝置。

用根據(jù)權(quán)利要求1所述的有源濾波器裝置來實現(xiàn)此目標(biāo)，該有源濾波器裝置包括：

—傳感器端子，用于根據(jù)所感測的噪聲信號施加傳感器信號，

—輸出端子，用于提供適合于減小噪聲信號的修正信號，

—信號源，其適合于生成修正信號，

—高通濾波器，其被耦合在所述傳感器端子與所述信號源之間，

其中，所述修正信號是根據(jù)經(jīng)高通濾波的傳感器信號而生成的。

有源濾波器是包括諸如放大器之類的有源組件的一種模擬電子濾波器。有源組件的使用一方面允許濾波器裝置的緊湊設(shè)計。另一方面，需要用于有源組件的電源。

傳感器端子可以是用于將單獨的傳感器組件耦合到濾波器裝置的端子。替換地，傳感器端子是作為濾波器裝置的整體部分的傳感器的部分。

耦合兩個組件意味著組件被導(dǎo)電接頭（例如導(dǎo)線）或者由耦合在組件之間的至少一個其它組件（例如電阻器或電阻器與電容器網(wǎng)絡(luò)）電連接。連接兩個組件意味著組件被導(dǎo)電接頭直接地電連接。

信號源可包括用于檢驗修正信號的放大器。濾波器裝置識別用于放大器的高增益帶寬的重要性，并且允許放大器的正確頻率響應(yīng)。包括放大器的信號源的輸入端處的高通濾波器的使用允許產(chǎn)生頻率響應(yīng)，其特別地具有非常平坦的阻帶、沒有振鈴的拐角頻率和到通帶的快速過渡。信號被借助于適當(dāng)形成的濾波器頻率響應(yīng)進行阻尼以便避免時域中的信號的不期望振鈴。在放大器輸入端處沒有高通濾波器的情況下，放大器的電壓或電流動態(tài)范圍也很容易飽和。

在一個實施例中，噪聲信號、修正信號和信號源分別是噪聲電流、修正電流和電流源。換言之，濾波器裝置根據(jù)電流補償?shù)脑韥聿僮?。替換地，噪聲信號、修正信號和信號源分別是噪聲電壓、修正電壓和電壓源。換言之，濾波器裝置根據(jù)電壓補償?shù)脑聿僮鳌?/p>

有源濾波器裝置形成其中修正信號取決于感測噪聲信號的前饋控制。僅具有前饋行為的此類控制系統(tǒng)以預(yù)定義方式對其控制高通濾波傳感信號進行響應(yīng)而不對輸出如何反應(yīng)進行響應(yīng)。信號源以修正信號補償或幾乎補償噪聲信號的方式起作用。換言之，它們的和等于或幾乎等于零。

在一個實施例中，信號源包括單位增益放大器部件，其本質(zhì)上在輸出端處提供輸入電壓。單位增益放大器部件可包括具有閉環(huán)反饋的運算放大器。在一個實施例中，運算放大器具有非反相輸入端、反相輸入端和輸出端，后者被耦合到反相輸入端。高通濾波器的輸出端被耦合到非反相輸入端。在一個實施例中，緩沖放大器或被以并聯(lián)方式耦合的大量緩沖放大器被耦合在運算放大器的輸出端與反相輸入端之間。

具有非常大的帶寬和開環(huán)增益帶寬乘積的放大器的使用導(dǎo)致非常線性且干凈的EMC相關(guān)殘留信號。

高通濾波器包括其中放大級的輸出信號的一部分被施加于輸入端的引導(dǎo)（bootstrap）連接。在一個實施例中，引導(dǎo)連接包括與被并聯(lián)耦合的電阻器和電容器串聯(lián)耦合的隔直流電容器。引導(dǎo)連接中的其它組件是可能的。

濾波器裝置可包括被耦合到單位增益放大器部件的供電單元以及用于向供電單元施加電壓的供電部件端子。供電單元允許向濾波器裝置的有源組件供電。

所有上述組件集成為一個緊湊且自包含式的塊可形成濾波器裝置模塊。可用此塊模塊連同與該模塊耦合的感測裝置一起實現(xiàn)信號抵消。在一個實施例中，此類塊模塊可在被連接到適當(dāng)電流變換器時提供電流抵消。

替換地，可以以模塊包括其它組件（例如感測裝置和/或其它無源濾波器裝置）的方式構(gòu)建模塊。雖然此類濾波器包括無源濾波器元件，但其仍被視為有源濾波器裝置。

該有源濾波器裝置可包括可連接在供電網(wǎng)與電操作設(shè)備之間的電路布置。該電路布置還可包括被耦合到信號傳感端子并包括電流變換器的電流傳感器。傳感器可以是與濾波器裝置模塊耦合的組件。替換地，該電路布置可包括電壓傳感器。

在一個實施例中，有源濾波器裝置的輸出端子與電流變換器和到供電網(wǎng)或電操作設(shè)備的連接之間的求和點耦合。在求和點處提供修正電流允許減小所感測的噪聲電流，其引起干擾的補償。

供電網(wǎng)可包括以下各項中的一個：dc電源線；ac電源線；單相電源線；以及多相電源線。另外，供電網(wǎng)可包括以下各項中的一個：供電線路；以及電力輸出線路，諸如馬達(dá)饋電線纜。

存在用于上述濾波器裝置和電路布置的廣泛應(yīng)用范圍。潛在的使用是在工業(yè)、家用、醫(yī)學(xué)和汽車領(lǐng)域。其可被用于輸入和輸出濾波兩者。其可在單線和雙線、低壓和高壓dc電源、單相、三相和三相中性、低壓和中壓ac電源上使用。在汽車電壓dc源領(lǐng)域中，其可在電路布置被連接到被連接至電驅(qū)動馬達(dá)的EMC濾波裝置的情況下被使用。

在本文上文和下文中結(jié)合不同的方面或?qū)嵤├枋龅奶卣鬟€可應(yīng)用于其它方面和實施例。根據(jù)結(jié)合附圖的示例性實施例的以下描述，本公開的主題的其它特征和有利實施例將變得顯而易見，在所述附圖中：

圖1示出了具有電壓抵消的電源線的示例性實施例的電路圖。

圖2示出了具有電流抵消的電源線的示例性實施例的電路圖。

圖3示出了電源線3上的電流抵消的簡化電路圖。

圖4示出了高通濾波器的實施例的頻率響應(yīng)。

圖5示出了高通濾波器的實施例的電路圖。

圖6更詳細(xì)地示出了濾波器裝置的實施例。

圖7示出了包括作為三相ac線路濾波器的一部分的濾波器裝置的布置的實施例的電路圖。

圖8示出了指示濾波器裝置的應(yīng)用的電路圖。

圖1和2圖示出原則上如下工作的濾波操作的方法。電源線上的干擾（其為噪聲信號）被感測裝置檢測到，感測裝置經(jīng)由高通濾波器向充當(dāng)信號源的放大裝置傳遞傳感器信號。其產(chǎn)生充當(dāng)修正信號的輸出信號，該輸出信號在指定帶寬上具有與感測裝置檢測到的幾乎相同的相位和量值。這可以描述為單位增益前饋控制路徑，其中，增益為單位一。前饋是描述從源向負(fù)載傳遞控制信號的術(shù)語。僅具有前饋行為的控制系統(tǒng)以預(yù)定義方式對其控制信號進行響應(yīng)而不對負(fù)載如何反應(yīng)進行響應(yīng)。

輸出信號的倒轉(zhuǎn)在電源線上的適當(dāng)求和點或組件處或其之上被與傳感信號求和。在求和之后，的電源線上結(jié)果得到的信號被減小到幾乎為零。

干擾抵消可以實現(xiàn)為分別地如圖1和2中所示的電壓或電流類型。

圖1示出了具有電壓抵消的電源線的電路圖。該電路包括電壓源Vn，其為與電感性阻抗Lo并聯(lián)連接的電壓補償部件1和被與上述電壓補償部件1和電感性阻抗Lo串聯(lián)連接的負(fù)載阻抗Z提供電壓供應(yīng)。電壓補償部件1適合于感測電壓源側(cè)的噪聲電壓Vs，并且然后根據(jù)感測的噪聲電壓Vs來提供電壓Vo。通過電感性阻抗Lo來實現(xiàn)電壓抵消以確保電源線電流連續(xù)性。

結(jié)果得到的電壓Vr是所感測噪聲電壓Vs與補償電壓Vo的和，其應(yīng)盡可能接近于零。換言之，當(dāng)Vs ≈ Vs時Vr = Vs-Vo ≈ 0，其中，Vs、Vo和Vr全部是電壓矢量。

圖2示出了具有電流抵消的電源線的電路圖。該電路包括為與電容性阻抗Co串聯(lián)連接的電流補償部件2和與上述電流補償部件2和電容性阻抗Co并聯(lián)連接的負(fù)載阻抗Z提供電流供應(yīng)的電流源In。電流補償部件2適合于借助于傳感器5來檢測電流源In的噪聲電流s，并且然后根據(jù)所檢測的噪聲電流Is來提供補償電流Io。電流抵消經(jīng)由電容性阻抗Co而實現(xiàn)以確保電源線電壓隔離。

結(jié)果得到的電流Ir是所感測電流Is與補償電流Io的和，其應(yīng)盡可能接近于零。換言之，當(dāng)Is ≈ Is時Ir = Is-Io ≈ 0，其中，Is、Io和Ir全部是電流矢量。

圖3示出了電源線3的電流抵消的簡化電路圖的實施例。電流抵消由可體現(xiàn)為模塊的有源濾波器裝置4和被耦合在電源線3與濾波器裝置4之間的其它組件執(zhí)行。

電流抵消電路包括電流傳感器5，其包括電流變換器CT。通常，其具有次級匝N＝100。電流變換器CT包括連接至濾波器裝置4的端子7、8。

濾波器裝置4具有用于根據(jù)電源線3上的噪聲電流Is而施加傳感器信號的傳感器端子CTN、CTP；傳感器5提供傳感器信號。此外，存在輸出端子OUT和用于施加參考電位GND的端子。供電部件端子AC1、AC2允許向濾波器裝置4施加用于有源組件的供電。

電流抵消電路包括高通濾波器HPF、放大器部件12和供電單元PSU。

高通濾波器HPF被耦合在一個傳感器端子CTN與放大器部件12之間。

作為單位增益放大器部件的放大器部件12包括運算放大器U1以及兩個緩沖放大器U2、U3。運算放大器U1具有非反相輸入端15、反相輸入端14以及輸出端16。每個緩沖放大器U2、U3具有輸入端18、20和輸出端19、21。輸入端18、20被耦合到運算放大器U1的輸出端16，并且輸出端19、21被耦合到運算放大器U1的反相輸入端14，從而緩沖放大器U2、U3被并聯(lián)連接。非反相輸入端51被耦合到高通濾波器HPF。

緩沖放大器U2、U3的輸出端19、21經(jīng)由電阻器Ro與濾波器裝置4的輸出端OUT耦合。

供電單元PSU被耦合到供電部件端子AC1、AC2和放大器部件12。供電部件端子AC1、AC2和放大器部件12還與用于施加參考電位GND的端子相連。替換地，可將供電PSU從濾波器裝置4去除，由此，從單獨或外部輔助電源提供用于放大器部件12的dc功率。

充當(dāng)負(fù)載電阻器Rb的電阻器被耦合在傳感器端子CTN、CTP之間。一個傳感器端子CTP被連接至輸出端OUT。

輸出端子OUT經(jīng)由耦合電容Co耦合至電源線3。電源線3和電容的端子的連接充當(dāng)求和點24，在該處對噪聲電流Is和由濾波器裝置4提供的修正電流Io求和。電容器Co提供電源線到地球的安全隔離。

電流變換器CT的端子7、8與濾波器裝置4的傳感器端子CTN、CTP相連，其中，電流變換器CT在可具有220R的典型電阻的負(fù)載電阻器Rb中終止。

跨負(fù)載電阻器Rb的電壓經(jīng)由高通濾波器HPF和單位增益放大器部件12傳遞，其包括運算放大器U1和緩沖放大器U2、U3。

在通帶中，跨輸出電阻器Ro（其可具有2.2R的典型值）和負(fù)載電阻器Rb的電壓是相等的。

修正電流Io是由表達(dá)式Io＝Is Rb/( N Ro)根據(jù)感測到的電流Is給出的，其中，用于Rb、N和Ro的值被選擇成實現(xiàn)相等的噪聲和補償電流，即Io≈Is。上文已經(jīng)給出了組件的典型值。

放大器部件12是高質(zhì)量、寬帶、單位增益放大器部件，由具有甚高增益帶寬積（通常200MHz）的運算放大器U1和具有約180MHz的帶寬的緩沖放大器U2和U3形成。緩沖放大器U2和U3被并聯(lián)地連接以增加驅(qū)動電流。

緩沖器放大器U2和U3的輸出端19、21被連接到運算放大器U1的反相輸入端14，使得其輸出端19、21完全遵循運算放大器U1的非反相輸入端15。

運算放大器U1的高增益和所有組件的寬帶寬不僅確保寬帶電流抵消，而且確保實現(xiàn)高質(zhì)量、線性且無噪聲的結(jié)果產(chǎn)生的電流Ir。寬帶寬使得能夠?qū)崿F(xiàn)令人滿意的結(jié)果。

圖4示出了高通濾波器HPF的頻率響應(yīng)。該圖示出了依賴于頻率的電流Is、Io和Ir。圖的軸是對數(shù)的。

施加10mA的感測電流Is，并且測量響應(yīng)輸出電流Io和結(jié)果得到的電流Ir。感測電流Is是圖中的常數(shù)線。

在此配置中，高通濾波器HPF的拐角頻率被選擇成800Hz，導(dǎo)致在40dB的相應(yīng)衰減的情況下在8kHz處的Ir/Is的比等于0.01。可以在其它頻率下選擇拐角頻率，并且通常選擇成在通?？傻扔诨虼笥?kHz的開關(guān)頻率的基波下給出40dB。

應(yīng)提到結(jié)果得到的電流Ir的形狀。特別重要的是阻帶中的低頻拒絕、沒有振鈴（臨界阻尼）的拐角頻率和在拐角頻率（其為約40dB/dec）以上的急劇衰減（roll-off）。此外，大于40dB的良好衰減在150kHz以上很好地延伸，因此在EMC波段中以及在開關(guān)基波下提供衰減增強。

圖5詳細(xì)地示出了具有用于被耦合到傳感器端子CTN的濾波器輸入端HPFIN高通濾波器HPF的示例性電路圖。輸出端HPFOUT可被耦合到輸出端子OUT。高通濾波器HPF被耦合到放大器部件12，并且具有可以是非反相輸入端15的輸入端27和可以是緩沖器輸出端19、21的輸出端28。輸入端HPFIN經(jīng)由并聯(lián)連接的電阻器R6和電容器C4與放大器部件12的輸入端27相連。放大器部件12的輸出端28經(jīng)由并聯(lián)耦合的電阻器R5和電阻器C3、電容器C2和電阻器R4的一系列連接與輸入端27相連。電阻器R3與電阻器R4和參考電位相連。

高通濾波器HPF對傳感器電流進行濾波。為了實現(xiàn)用于殘余電流Ir的適當(dāng)形狀，高通濾波器HPF包括引導(dǎo)連接，其中，放大器輸出端28經(jīng)由隔直流電容器C2和由電阻器R5和電容器C3形成的適當(dāng)RC網(wǎng)絡(luò)被反饋到其輸入端27。組件的示例性值可以是R3 = 220k?、R4 = 220k?、R5 = 15 k?、R6 = 56k?、C2 = 3.3 μF、C3 = 1nF以及C4 = 2.2nF。

圖6更詳細(xì)地示出了濾波器裝置4的實施例。濾波器裝置4包括傳感器端子CNT、CTP、輸出端子OUT、供電部件端子AC1、AC2和用于施加參考電位GND的端子。

濾波器裝置4還包括高通濾波器HPF，其包括被耦合的組件R6、C4、R4、R3、C2、R5以及C3，如結(jié)合圖4所述。

此外，濾波器裝置4包括與形成放大器部件12的緩沖放大器U2、U3耦合的運算放大器U1，如結(jié)合圖3所述。供電單元PSU對放大器U1、U2、U3進行供電。濾波器裝置4還包括用于保護放大器免受線路干擾的二極管D1、D2、D3、D4。

其它電感、電容和電阻阻抗允許有改善的濾波，并且根據(jù)如結(jié)合先前的圖所述的基本原理來使組件的操作穩(wěn)定。

圖7示出了包括作為三相ac線路濾波器的一部分的濾波器裝置4的電路布置。在本實施例中，濾波器裝置4被體現(xiàn)為模塊，其與電路布置的其它組件相連。此電路布置形成具有共模衰減提高（common mode attenuation boost）的三相混合濾波器。

該電路布置被耦合在供電網(wǎng)的線路L1、L2、L3與電操作設(shè)備L1'、L2'、L3或負(fù)載之間。此外，存在與參考電位相連的參考線路PE/PE'。

設(shè)備可產(chǎn)生不期望的噪聲、開關(guān)脈沖、尖峰以及高頻噪聲。這些效應(yīng)應(yīng)被濾出以便遵守電磁兼容性規(guī)范。

感測裝置是電流變換器CT，并且所必需的有源濾波器裝置電子設(shè)備全部被集成到形成濾波器裝置模塊的自包含式組件塊中。濾波器裝置4包括高通濾波器HPF、放大器部件12和輔助供電單元PSU，如結(jié)合先前的附圖所述。

在濾波器裝置4輸出端OUT下游連接的隔直流電容器Co提供電源線電壓隔離。兩個電容器Cps的組合形成分壓器而產(chǎn)生用于供電單元PSU的適當(dāng)輸入電壓。

其余組件可以是通常在無源線路濾波器中使用的那些。無源濾波器部包括由電感組件L2形成的低通濾波器。此外，存在電容器Cx1的布置和并聯(lián)連接的電容器Cx2和電阻器Rx2的布置。電容器Cx2和電阻器Rx2的布置的中性點通過電阻器Ry2和電容器Cy2的并聯(lián)連接而與參考電位相連。其它布置是可能的。電感L1通常是具有直通耦合（N＝1）的鐵氧體磁芯，其提供對干擾的改善的免疫性。

圖8指示濾波器裝置4的應(yīng)用，其允許確定用于連接到濾波器裝置4的組件的適當(dāng)值。

圖8示出了濾波器裝置4的典型系統(tǒng)集成的簡化電路圖。感測電流Is和補償電流Io在求和點24處被相加以便減少干擾。補償電流Io流經(jīng)耦合電容器Co。

電路還包括用于生成信號（其用電壓V和頻率Fsw來表征）的電壓源Vn和在電壓源Vn下游的電容器Cn。電路還包括與電壓源Vn和電容器Cn并聯(lián)耦合的線路接地電容器Cy。此外，存在串聯(lián)的電感性阻抗Lc。

組件Cy、Lc和Co用以應(yīng)對干擾噪聲電流In的適當(dāng)值取決于表征該干擾的Cn、V和Fsw的值。此外，預(yù)測補償電流Io和在濾波器裝置4的輸出端處提供的電壓Vo的值必須落在濾波器裝置4的指定極限內(nèi)。

結(jié)果得到的電流Ir被以這種方式預(yù)測，即其落入應(yīng)遵從所需EMC和漏地電流要求的EMI干擾水平內(nèi)。

用于要設(shè)計的系統(tǒng)的組件Lc、Co和Cy的適應(yīng)和選擇可從基于模擬的圖表或表格進行，具有變化的參數(shù)Fsw、Vn、Cn，或者可以通過從公式的計算來完成。此類適應(yīng)和選擇導(dǎo)致最佳的工作條件并確保正確的操作。

保護范圍不限于在上文中給出的示例。本發(fā)明體現(xiàn)在每個新穎特性和每個特性組合中，其特別地包括在權(quán)利要求中敘述的任何特征的每個組合，即使在權(quán)利要求中或在示例中并未明確地敘述此特征或此特征組合。

參考標(biāo)號：

1 電壓補償部件

2 電流補償部件

3 電源線

4 濾波器設(shè)備

5 傳感器

7、8、HPFIN、HPFOUT 端子

12 放大器部件

14、 15、 18、 20、 27 輸入端

16、 19、 21、 28 輸出端

24 求和點

U1、 U2、 U3 放大器

Io、 Is、 Ir 電流

Vo、 Vs、 Vr、 V 電壓

Fsw 頻率

CTN、 CTP、 OUT、 AC1、 AC2、 GND 濾波器裝置的端子

HPF 高通濾波器

PSU 供電單元

CT 電流變換器

Rb、 Ro、 Ry2、 Rx2、 R3、 R4、 R5、 R6 電阻器

Cx1、 Cx2、 Cy2、 Cps、 Co、 C2、 C3、 C4 電容器

L1、 L2、 Lo 電感性阻抗

Z 負(fù)載阻抗

L1、 L2、 L3、 PE、 L1'、 L2'、 L3'、 PE' 線路

In 電流源

Vn 電壓源。