直流滤波器装置的制作方法

1.本发明涉及一种直流(dc)滤波器装置和一种包含这种dc滤波器装置的设备。


背景技术：

2.de 10 2016 220 466 a1披露了一种具有三个车载电力系统分支的车辆车载电力系统，这些车载电力系统分支具有emc滤波器电路和不同的能量源。多相dc/dc转换器连接不同的车载电力系统分支。
3.us 2011/0254494 a1、us 2012/0112528 a1、wo 2017/153366 a1和wo 2018/033377 a1披露了具有emc滤波器的车辆车载电力系统。


技术实现要素：

4.因此，本发明的一个目的是提供一种新颖的dc滤波器装置和一种包含这种dc滤波器装置的设备。
5.该目的通过下文描述的滤波器装置实现。
6.一种dc滤波器装置具有第一滤波器装置连接部、第二滤波器装置连接部、第三滤波器装置连接部、第四滤波器装置连接部和线圈铁芯，在该dc滤波器装置中至少一个第一线圈布置在该线圈铁芯上并连接在该第一连接部与该第三连接部之间，在该dc滤波器装置中至少一个第二线圈布置在该线圈铁芯上并连接在该第二连接部与该第四连接部之间，在该dc滤波器装置中第三线圈布置在该线圈铁芯上，该第三线圈具有第一线圈连接部和第二线圈连接部，并且该第一线圈连接部和该第二线圈连接部经由电路装置而彼此连接，该电路装置具有电阻器。dc滤波器装置的传递函数受到第三线圈与电路装置的影响。以这种方式影响传递函数使得可以例如在将补偿电流馈送到整个设备中时减少或避免振荡。
7.根据一个优选实施例，电阻器被设计为smd部件。设计为smd部件实现了节省空间的结构，并且与第三线圈结合使用是不常见的。
8.根据一个优选实施例，电路装置具有与电阻器串联连接的第四线圈。该第四线圈对于关于dc滤波器装置的传递函数的较高频率范围尤其有利。
9.根据一个优选实施例，该第四线圈被设计为smd部件。这种smd部件已被证明优于较大的线圈，尤其是在较高频率下。
10.根据一个优选实施例，该第四线圈具有由纳米晶材料制成的线圈铁芯。这种线圈由于其相对较高的电感，已被证明为在高频范围内是有利的。
11.根据一个优选实施例，该第三滤波器装置连接部和该第四滤波器装置连接部各自经由相关联的电容器连接至保护性接地连接部。这些电容器允许很好地减少电磁干扰。
12.根据一个优选实施例，至少两个第一线圈布置在该线圈铁芯上并连接在该第一连接部与该第三连接部之间，并且至少两个第二线圈布置在该线圈铁芯上并连接在该第二连接部与该第四连接部之间。双线圈使得可以在线圈铁芯上实现良好的滤波效果。
13.本发明通过下文描述的设备实现。
14.该设备包含ac滤波器装置、ac/dc转换器以及这样的dc滤波器装置，该ac滤波器装置设置在该ac/dc转换器的ac侧，并且该dc滤波器装置布置在该ac/dc转换器的dc侧。这种设备实现了良好的电磁兼容性。
15.根据一个优选实施例，该设备包含用于补偿泄漏电流的补偿装置，该补偿装置被设计成在保护性接地连接部与该设备的预定义耦合输入点之间产生补偿电流。该补偿装置降低了故障电流断路器跳闸的风险。
16.根据一个优选实施例，该预定义耦合输入点设置在该ac滤波器装置与该dc滤波器装置之间。在该点处耦合输入有助于进行补偿。
17.根据一个优选实施例，该预定义耦合输入点设置在该ac滤波器装置与该ac/dc转换器之间。在该区域中可以发生ac部分中的耦合输入，并且保护耦合输入点以防受到来自供电网的干扰影响。
18.根据一个优选实施例，该补偿装置具有电流调节器，该电流调节器用于将补偿电流调节到目标值。该电流调节器允许精确馈入补偿电流，并且当使用电流调节器时，ac滤波器装置特别适用于减少不想要的振荡。
19.本发明通过下文描述的设备实现。
20.一种车载电力系统具有这样的设备。该设备特别适用于车载电力系统，并且这种车载电力系统例如在充电柱处表现出可靠且低干扰的行为。
21.总体上，本发明在此公开下述1、7和12的技术方案，下述2-6和8-11为本发明的优选技术方案：
22.1.一种dc滤波器装置(33)，其具有第一滤波器装置连接部(61a)、第二滤波器装置连接部(62a)、第三滤波器装置连接部(61b)、第四滤波器装置连接部(62b)和线圈铁芯(330)，
23.在该dc滤波器装置(33)中至少一个第一线圈(331，332)布置在该线圈铁芯(330)上并连接在该第一连接部(61a)与该第三连接部(61b)之间，
24.在该dc滤波器装置(33)中至少一个第二线圈(333，334)布置在该线圈铁芯(330)上并连接在该第二连接部(62a)与该第四连接部(62b)之间，
25.在该dc滤波器装置(33)中第三线圈(335)布置在该线圈铁芯(330)上，
26.该第三线圈(335)具有第一线圈连接部(335a)和第二线圈连接部(335b)，
27.并且该第一线圈连接部(335a)和该第二线圈连接部(335b)经由电路装置(336)而彼此连接，该电路装置(336)具有电阻器(338)。
28.2.如前述1所述的dc滤波器装置，其中，该电阻器(338)被设计为smd部件。
29.3.如前述1或2所述的dc滤波器装置，其中，该电路装置(336)具有与该电阻器(338)串联连接的第四线圈(337)。
30.4.如前述3所述的dc滤波器装置，其中，该第四线圈(337)被设计为smd部件。
31.5.如前述1-4之一所述的dc滤波器装置，其中，该第三滤波器装置连接部(61b)和该第四滤波器装置连接部(62b)各自经由相关联的电容器(341，344)连接至保护性接地连接部(99)。
32.6.如前述1-5之一所述的dc滤波器装置，其中，至少两个第一线圈(331，332)布置在该线圈铁芯(330)上并连接在该第一连接部(61a)与该第三连接部(61b)之间，并且其中，
至少两个第二线圈(333，334)布置在该线圈铁芯(330)上并连接在该第二连接部(62a)与该第四连接部(62b)之间。
33.7.一种设备(20)，其包含ac滤波器装置(31)、ac/dc转换器(32)以及如前述1-6之一所述的dc滤波器装置(33)，该ac滤波器装置(31)设置在该ac/dc转换器(32)的ac侧，并且该dc滤波器装置(33)布置在该ac/dc转换器(32)的dc侧。
34.8.如前述7所述的设备，其包含用于补偿泄漏电流的补偿装置(39)，该补偿装置(39)被设计成在保护性接地连接部(99)与该设备(20)的预定义耦合输入点(37)之间产生补偿电流(i_c)。
35.9.如前述8所述的设备，其中，该预定义耦合输入点(37)设置在该ac滤波器装置(31)与该dc滤波器装置(33)之间。
36.10.如前述8或9所述的设备，其中，该预定义耦合输入点(37)设置在该ac滤波器装置(31)与该ac/dc转换器(32)之间。
37.11.如前述8至10之一所述的设备，其中，该补偿装置(39)具有电流调节器，该电流调节器用于将该补偿电流调节到目标值。
38.12.一种车载电力系统，其具有如前述7至11之一所述的设备。
附图说明
39.从以下描述且在附图中展示的示例性实施例以及从属权利要求显现了本发明的进一步细节和有利改进，但是这些实施例决不应被理解为对本发明的限制。在附图中：
40.图1示出了设备和供电网的示意性图示，
41.图2示出了图1的设备的ac滤波器装置，
42.图3示出了图1的设备的dc滤波器装置，
43.图4示出了图1的设备的电势产生装置，
44.图5示出了图1的补偿装置，
45.图6示出了具有不期望的振荡的补偿电流，
46.图7示出了多个传递函数的第一示例性实施例的振幅响应，
47.图8示出了多个传递函数的第二示例性实施例的振幅响应，
48.图9示出了图7的第一示例性实施例的相位响应，以及
49.图10示出了图8的第二示例性实施例的相位响应。
50.相同或功能相同的部分在下面具有相同的附图标记并且通常仅描述一次。为了避免不必要的重复，描述跨越了这些附图，使得这些附图建立在彼此之上。
具体实施方式
51.图1示出了设备20，该设备例如是车辆的车载电力系统的一部分。设备20连接至供电网10。供电网10例如呈美国分相电网的形式并且具有第一ac电压源11，该第一ac电压源经由点13连接至第二ac电压源12。ac电压源11提供连接部hot1，并且ac电压源12提供连接部hot2。点13经由电阻器14连接至保护性接地连接部pe。电阻器14表征了点13处对应线路的电阻并且通常是几欧姆的数量级。
52.设备20具有第一连接部21、第二连接部22和连接部25。连接部21经由线路51a连接
至ac滤波器装置31，并且连接部22经由线路52a连接至ac滤波器装置31。连接部25连接至能够在整个设备20中使用的保护性接地连接部99。
53.ac滤波器装置31经由线路51b和线路52b连接至装置36，并且装置36经由线路51c和线路52c连接至ac/dc转换器32的ac侧。ac/dc转换器32经由线路61a和线路62a连接至dc滤波器装置33。线路61a是例如正极线路，而线路62a是负极线路。dc滤波器装置33连接至保护性接地连接部99并经由线路61b和线路62b连接至装置34，该装置例如是车载电力系统、牵引电池或消耗装置。线路61b和62b也可以被称为hv 和hv-，hv代表高电压。
54.装置36提供耦合输入点37。耦合输入点37经由线路38连接至补偿装置39，并且补偿装置39连接至保护性接地连接部99。
55.举例来说，提供总电流测量设备352，该总电流测量设备测量在ac/dc转换器32的ac侧上流过线路51c和52c的电流，在没有泄漏电流的情况下，电流总和为0，而在泄漏电流的情况下，电流总和可能不是零。在示例性实施例中，总电流测量设备352被设计为围绕有源导体51c、52c或者在多相电流供应的情况下围绕所有有源导体的线圈。然而，总电流测量设备352也可以包括围绕单独有源导体的多个单独测量设备，总和通过计算确定。总电流测量设备352传送由流过线路51c、52c的电流感应出的电压，并且在总电流评估装置35中将该电压转换为表征总电流并因此表征泄漏电流(总和)的信号，该信号经由线路351供应至补偿装置39。补偿电流可以以闭环控制操作的形式(考虑馈入的补偿电流)或以开环控制操作的形式(未考虑馈入的补偿电流)在耦合输入点37处馈入。这取决于泄漏电流是在馈入部的上游还是下游测量的。
56.美国分相供电网是单相三线电网。电压源11通常在连接部hot1处提供振幅为120伏的ac电压，并且ac电压源12在连接部hot2处提供相对于相位hot1相移180度的相位hot2。ac滤波器装置31用于减少干扰并因此改善emc。相位hot1和hot2经由线路51c和52c供应至ac/dc转换器32，并且所述ac/dc转换器执行整流。ac/dc转换器32的dc侧也被称为dc中间电路或dc电压中间电路，或通常称为中间电路。干扰电压或干扰信号再次经由dc滤波器装置33降低，然后dc电压经由线路61b和62b供应至装置34。
57.ac滤波器装置31和dc滤波器装置33作用在两个方向上。
58.ac/dc转换器32也可以是双向设计的，因此其也允许能量从装置34转移到ac/dc转换器32的ac侧。
59.在理想情况下，电流仅在相位连接部hot1和hot2之间流动，即在有源导体中流动。然而，泄漏电流在实践中几乎总是发生。泄漏电流是从相位hot1和/或hot2流到保护性接地连接部pe的电流。这种泄漏电流例如由于在ac滤波器装置31和/或dc滤波器装置33中作为滤波器电容器提供并连接在有源导体之一与保护性接地连接部99之间的电容器而发生。泄漏电流例如在供电网10的故障电流断路器中检测到并且可能导致故障电流断路器的跳闸。因此提供补偿装置39以便补偿泄漏电流。这例如通过测量泄漏电流并通过产生对应的信号来实现，该信号使得可以产生补偿电流i_c。
60.图2示出了图1的ac滤波器装置31的一个示例性实施例的示意性图示。ac滤波器装置31一方面连接至线路51a和52a，而另一方面连接至线路51b和52b。经由线路316串联连接的两个电感器311、312设置在线路51a和51b之间。经由线路317串联连接的两个电感器313、314设置在线路52a和52b之间。优选地提供线圈铁芯318，在该线圈铁芯上设置被设计为线
圈的电感器311、312、313和314。线圈也可以被称为扼流圈。线圈铁芯318例如是铁氧体芯，并且其可以具有环形轮廓。在这种情况下，环形意指线圈铁芯318具有内部开口，并且线圈铁芯318不必具有圆形设计。例如，该线圈铁芯也可以具有矩形设计。
61.如果使用多相供电网10，则必须提供包含用于附加有源导体的电感器的其他路径。
62.以简化形式展示了示例性实施例，并且未展示通常被提供用于滤波目的的x电容器和y电容器。
63.图3示出了dc滤波器装置33的示例性实施例。线路61a经由两个串联连接的线圈(电感器)331、332连接至线路61b。线路62a经由两个串联连接的线圈(电感器)333、334连接至线路62b。线路61b经由线路340连接至电容器341，并且线路62b经由线路343连接至电容器344。电容器341、344连接至点342，并且点342经由电阻器345连接至保护性接地连接部99。电容器341、344充当y电容器以用于抑制共模干扰。
64.目前为止已经描述的dc滤波器装置33的部件形成这种用于改善emc的dc滤波器装置的一个可能的实施例。
65.dc滤波器装置33另外具有线圈335，该线圈具有第一线圈连接部335a和第二线圈连接部335b。第一线圈连接部335a和第二线圈连接部335b经由电路装置336而彼此连接。电路装置336具有电阻器338，该电阻器导致穿过电路装置336的电流的阻尼。电路装置336另外优选地具有与电阻器338串联连接的线圈337。
66.优选地提供线圈铁芯330，在该线圈铁芯上布置线圈331、332、333、334和335。线圈铁芯330可以例如是环形的(例如具有圆形或有角的基本形状)或杆状的。共同线圈铁芯330实现了线圈之间有利的相互作用和线圈335的良好共模耦合。
67.线圈335与电路装置336一起导致对dc滤波器装置33的传递函数的影响。
68.电路装置336优选地连接至保护性接地连接部99。这种连接导致电路装置336的电容特性发生变化。也可以免除与保护性接地连接部99的连接；因此该连接是可选的，并且可以根据哪个版本能够使得阻尼更佳来选择。
69.下面以举例的方式给出部件的值：
70.电阻器338：100欧姆或120欧姆或39欧姆
71.线圈331、332、333、334、335：在10khz下为200μh，或者在10khz下为220μh
72.线圈337：在1khz下为1.0mh，或者在1khz下为0.8mh，或者在10khz下为6.4mh
73.电容器341、344：680nf或750nf
74.纳米晶材料已被证明为有利于线圈铁芯330。具有这种线圈铁芯330的线圈具有非常适合的电感，特别是在本技术情况下在例如100khz的高频下。在替代性实施例中，线圈铁芯330可以包括铁氧体材料。
75.图4示出了用于提供耦合输入点37的电势产生装置36。线路51b经由电容器361、点363和电容器362连接至线路52b。点363经由电阻器364连接至线路51b并经由电阻器365连接至线路52b。线路51b经由电阻器366连接至线路51c。线路52b经由电阻器367连接至线路52c。点363连接至耦合输入点37。
76.由于线路51b上的相位hot1和线路52b上的相位hot2是反相的，所以这导致通过电容器分压器361、362和电阻器分压器364、365在耦合输入点37处产生低电势。耦合输入点37
处的电势理论上应为零伏，但是在实践中通常至少略有偏离。然而，该电势比线路51b和52b上的电势低得多。这是有利的，因为由此更容易在保护性接地连接部99与耦合输入点37之间施加电流。
77.在一个优选的示例性实施例中，电阻器364、365被设计为可控电阻器，例如呈mosfet或其他电子开关的形式。这使得能够主动地影响点37处的电势。当点37处的电势尽可能低时，可以以相对简单的方式馈入。
78.图5示出了补偿装置39的示例性实施例，所述补偿装置具有连接在耦合输入点37与保护性接地连接部99之间的末级391。末级391经由线路392和线路393被供应以电压，并且基于该电压，补偿装置39产生补偿电流i_c，该补偿电流根据其数学正负号而流向保护性接地连接部99或耦合输入点37。末级391例如通过运算放大器形成。
79.由于图4的电势产生装置36，线路392和393之间的电压可以低于直接馈入线路51b和/或52b中的情况下的电压。然而，作为替代或补充，当末级391经由线路392、393被供应以对应高电压时，其可以直接馈入线路51b和/或52b中。
80.线路392、393上的电压的值限定了补偿电流i_c的值，并且因此优选地，基于测得的泄漏电流来限定线路392、393上的电压。
81.优选地，补偿电流i_c相对于测得的泄漏电流具有180
°
相移。该相移可以在补偿装置39中产生或早在总电流评估装置35中产生(参见图1)。
82.图6示出了在仿真中相对于时间t绘制补偿电流i_c的曲线图。使用根据图3但不具有线圈335和电路装置336的dc滤波器装置执行该仿真。
83.可以看出，补偿电流i_c发生振荡，并且振幅在11ms的时间段内从最初的3a增加到大约12a。
84.在试验中观察到，通常使用电流调节器将补偿电流i_c调节到目标值的补偿装置39在耦合输入点37处耦合输入的情况下产生包含不期望的振荡的补偿电流i_c。由于在ac滤波器装置31与ac/dc转换器32之间耦合输入的情况下不期望的振荡可能导致故障电流断路器的跳闸，因此在试验和在仿真两者中对系统进行更详细的研究。
85.在供电网10与ac滤波器装置31之间的区域中耦合输入的情况下不会发生这种振荡。然而，在供电网10与ac滤波器装置31之间耦合输入具有其他缺点。首先，ac滤波器装置31上游的电路部分可能导致emc显著恶化，其次，ac滤波器装置31上游的所谓的电网瞬变可能导致过电压，这使泄漏电流的补偿复杂化并且还可能导致补偿电路的损坏。
86.图7示出了按频率f的对数描绘而绘制的以分贝(db，对数标度)为单位的振幅响应。展示了ac部件的传递函数fz_ac、dc部件的传递函数fz_dc和传递函数f_0的振幅响应。传递函数一般示出了相对于频率绘制的阻尼和相位角，并且这些传递函数使得本领域技术人员可以评估电路，在当前情况下评估补偿装置39的动作。在该仿真中，电阻r被选择为非常小，其值为r＝0.1欧姆。
87.对于曲线图，在仿真中假设了以下值：
88.l_ac＝2mh
89.l_dc＝2mh
90.c＝1.4μf
91.r＝0.1欧姆
92.可以看出，传递函数f_0有时大于0，并且这会导致该区域中的增益，从而可能导致振荡。
93.图8示出了设备中的对应振幅响应，其中与图7不同，电阻r被设置为20欧姆。使用图1的电阻器14的这个值，传递函数f_0在整个频率范围内均小于0，并且不存在对应的不期望的振荡。
94.图9示出了对于具有图7的对应参数的传递函数fz_ac、fz_dc和f_0而言相对于频率的对数描绘而绘制的以线性描绘表示的相位响应。传递函数f_0在小电阻r＝0.1欧姆时的相位具有陡峭的梯度，并且从大约0度下降到大约负180度。传递函数f_0达到负180度的值的点大约是图7中的最大振幅点。
95.图10是根据图9的包含相对于频率绘制的相位响应的曲线图。选择图8的参数作为参数，电阻r＝20欧姆。较大的电阻r对传递函数具有显著影响。
96.图7和图9一起形成针对r＝0.1欧姆的波特图，并且图8和图10一起形成针对r＝20欧姆的波特图。
97.试验得出的结果是图1中过小的保护性接地电阻r可能导致泄漏电流补偿的振荡干扰。
98.通过向设备20添加电阻器来增大电阻r防止不期望的振荡。然而，通过添加附加电阻器来增大保护性接地电阻r是不利的，或甚至可能被禁止，因为保护性接地连接部99和点13(参见图1)之间必须存在低电阻连接，以便实现良好的电势补偿，从而实现良好的保护功能。例如，在1级保护的电气设备的情况下，附加电阻器通过电势补偿降低了保护效果，因为附加电阻器减少了保护性接地与例如金属外壳之间的电流流动。
99.作为用于实现传递函数f0所需的阻尼的替代性解决方案，参考图3的具有线圈335和电路装置336的电路。线圈335和电路装置336背后的基本思想是耦合阻尼电阻器以对dc滤波器装置33中的共模电流产生阻尼。与穿过线路61a和62a的电流相比，共模电流较低，并且因此对于线圈335而言以及在电路装置336中电线直径可能是小的。电路装置336的部件可以优选地设计为smd部件以节省空间。提供线圈335和电路装置336使得可以无需增大电阻r，并且仍然可以防止或至少减少由低电阻r引起的不期望的振荡的发生。
100.试验表明，没有线圈337的电路装置336的设计导致在100khz频率下阻抗较高。提供线圈337导致阻抗较低。在已计算的示例性实施例中，没有线圈337与有线圈337相比，阻抗高28％。
101.电阻器388和线圈337两者优选地设计为smd部件。
102.当然，在本发明的范围内可以进行许多变化和修改。
103.所提及的部件的值是优选值，然而可以根据应用而有不同的选择。
104.在示例性实施例中，设备20连接至美国分相供电网10。作为替代方案，其他电网也是可能的，比如具有有源导体(aktivleitern)l1、n或l1-l3、n和保护性接地pe的欧洲电网。
105.ac滤波器装置31和dc滤波器装置33可以具有另外的滤波器电容器，特别是x电容器和y电容器。