DE102022115293B4

DE102022115293B4 - Hybridfilterschaltung und System mit Hybridfilterschaltung

Info

Publication number: DE102022115293B4
Application number: DE102022115293.6A
Authority: DE
Inventors: Yasin Karinca; Christian Gesell
Original assignee: TDK Electronics AG
Current assignee: TDK Electronics AG
Priority date: 2022-06-20
Filing date: 2022-06-20
Publication date: 2024-01-11
Anticipated expiration: 2042-06-21
Also published as: US20230412151A1; DE102022115293A1

Abstract

Es wird eine Hybridfilterschaltung (100) zur Reduzierung von Gleichtaktstörsignalen zumindest mit Frequenzen von größer oder gleich 150 kHz in einer Stromleitung (110) mit zumindest einer Phase (111, 112, 113) angegeben, die zumindest eine erste passive Filterstufe (11) und eine aktive Filtereinheit (20) zumindest mit einer ersten aktiven Filterstufe (21) aufweist, wobei die Hybridfilterschaltung an einer Lastseite (1002) über einen Lastanschluss (102) mit einem elektrischen Gerät (200) und an einer Versorgungsseite (1003) über einen Versorgungsanschluss (103) mit einem Stromnetz (300) koppelbar ist und das Stromnetz und das elektrische Gerät direkt oder indirekt über die Stromleitung gekoppelt sind, wobei die erste aktive Filterstufe einen Sensor (201) zur Messung eines Gleichtaktstörsignals in der Stromleitung und eine Rückkopplungseinheit (202) mit einer aktiven Verstärkereinheit (203) zur Erzeugung eines dem Gleichtaktstörsignal entgegen wirkenden Kompensationssignals aufweist, das über einen Ausgang der ersten aktiven Filterstufe in die Stromleitung eingekoppelt wird, wobei die zumindest eine passive Filterstufe und die aktive Filterschaltung zwischen dem Lastanschluss und dem Versorgungsanschluss kaskadiert angeordnet sind.Weiterhin wird ein System (1000) mit der Hybridfilterschaltung (100) angegeben.

Description

Es wird eine Hybridfilterschaltung angegeben, insbesondere eine Hybridfilterschaltung zur Unterdrückung von Gleichtaktstörungen, insbesondere von Gleichtaktstörungen zumindest mit Frequenzen von größer oder gleich 150 kHz. Weiterhin wird ein System mit einer solchen Hybridfilterschaltung angegeben.
Für die elektrische Versorgung von elektrischen Anlagen, die elektrische Geräte wie etwa Motoren aufweisen, werden oft Frequenzumrichter verwendet, die unter anderem Gleichtaktstörungsströme erzeugen können, die in allen Leitungen in gleicher Richtung fließen. Um diese zu unterdrücken und so EMV-Probleme (EMV: elektromagnetische Verträglichkeit) zu vermeiden, werden beispielsweise Netzfilter verwendet. Während für niederfrequente Störungen wie beispielsweise Ableitströme passive und auch aktive Filter bekannt sind, werden zur Unterdrückung von höherfrequenten Gleichtaktstörungen, insbesondere im Bereich von mehr als 150 kHz, üblicherweise rein passive Filter verwendet. Derartige Filter bestehen üblicherweise aus passiven Komponenten wie Drosseln, also Spulen, und Kondensatoren, die in geeigneter Weise verschaltet sind, um einen Tiefpass-Filter zu bilden, wodurch elektromagnetische Interferenzströme unterdrückt werden können, was die elektromagnetische Verträglichkeit verbessert. Je nach auftretenden Stromstärken der Gleichtaktstörungen müssen die Drosseln jedoch entsprechend groß dimensioniert werden, was eine große Baugröße sowie hohe Kosten verursachen kann.
Die Druckschriften J. Schmenger et al., „Active hybrid common mode filter for a highly integrated on-board charger for automotive applications“, 2015 IEEE 13th Brazilian Power Electronics Conference and 1st Southern Power Electronics Conference (COBEP/SPEC), 2015 und US 2008 / 0 024 951 A1 beschreiben Hybridfilter. Auch die Druckschrift B. Arndt et al., „Breitbandiger aktiver Hybrid-Filter für Kfz-Anwendungen“, emv: Internationale Fachmesse und Kongress für Elektromagnetische Verträglichkeit, Düsseldorf, 2018, S. 432-438 beschreibt eine Kombination von aktiven und passiven Filterstrukturen.
Zumindest eine Aufgabe von bestimmten Ausführungsformen ist es, eine Hybridfilterschaltung anzugeben. Zumindest eine weitere Aufgabe von bestimmten Ausführungsformen ist es, ein System mit einer Hybridfilterschaltung anzugeben.
Diese Aufgaben werden durch Gegenstände gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Gegenstände sind in den abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet und gehen weiterhin aus der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen hervor.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist eine Hybridfilterschaltung vorgesehen und eingerichtet zur Reduzierung von Gleichtaktstörsignalen in einer Stromleitung. „Reduzierung“ kann hier und im Folgenden eine Verringerung oder sogar eine vollständige Unterdrückung bedeuten. Bevorzugt ist die Hybridfilterschaltung zur Reduzierung von Gleichtaktstörsignalen zumindest mit Frequenzen von größer oder gleich 150 kHz eingereicht und vorgesehen. Besonders bevorzugt ist die Hybridfilterschaltung zur Reduzierung von Gleichtaktstörsignalen mit Frequenzen zumindest von größer oder gleich 150 kHz und zumindest von kleiner oder gleich 30 MHz vorgesehen und eingerichtet. Die Stromleitung kann zumindest eine Phase aufweisen, was hier und im Folgenden insbesondere bedeutet, dass die Stromleitung eine, zwei, drei oder mehr als drei Phasen aufweist. Somit schließt die Formulierung „zumindest eine Phase“ insbesondere auch Fälle mit mehr als einer Phase ein. Weiterhin kann die Stromleitung beispielsweise einen Neutralleiter aufweisen. Die Reduzierung von Gleichtaktstörsignalen kann beispielsweise in mehreren Phasen oder in zumindest einer Phase und dem Neutralleiter erfolgen.
Die Hybridfilterschaltung kann es insbesondere ermöglichen, Gleichtaktstörungen in einem Frequenzbereich mit Frequenzen von größer oder gleich 150 kHz und zumindest von kleiner oder gleich 30 MHz, die beispielsweise durch leitungsgebundene Störaussendungen, auch als „conducted emission“ bezeichnet, bewirkt werden können, zu verringern. Insbesondere ist die Hybridfilterschaltung dazu vorgesehen und eingerichtet, Gleichtaktstörungsströme im besagten Frequenzbereich zu verringern oder sogar ganz zu unterdrücken, die beispielsweise bei Frequenzumrichtern üblicherweise in Form von Pulsen mit großer Flankensteilheit auftreten. Dadurch kann eine Abschwächung der Gleichtaktstörungen mit einer Tiefpass-Charakteristik erreicht werden, so dass die Hybridfilterschaltung ein Netzfilter bilden kann, das zum einen die elektrische Interferenz von einem elektrischen Gerät in das Stromnetz begrenzen kann und zum anderen die elektromagnetische Verträglichkeit von elektrischen Geräten gegenüber Interferenzen, die aus dem Stromnetz stammen, erhöhen kann, so dass eine Erhöhung der Immunität gegenüber elektromagnetischen Interferenzen erreicht werden kann.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Hybridfilterschaltung an einer Lastseite über einen Lastanschluss mit einem elektrischen Gerät und an einer Versorgungsseite über einen Versorgungsanschluss mit einem Stromnetz koppelbar, wobei das Stromnetz und das elektrische Gerät direkt oder indirekt über die Stromleitung und damit über die zumindest eine Phase gekoppelt sind.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist ein System ein Stromnetz und ein elektrisches Gerät auf, die direkt oder indirekt über eine Stromleitung mit zumindest einer Phase gekoppelt sind. Weiterhin weist das System eine Hybridfilterschaltung auf, die an einer Lastseite über einen Lastanschluss mit dem elektrischen Gerät und an einer Versorgungsseite über einen Versorgungsanschluss mit dem Stromnetz gekoppelt ist.
Die vorab und im Folgenden beschriebenen Merkmale beziehen sich gleichermaßen auf die Hybridfilterschaltung und auf das System mit der Hybridfilterschaltung.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Hybridfilterschaltung zumindest eine erste passive Filterstufe und eine aktive Filtereinheit zumindest mit einer ersten aktiven Filterstufe auf, die zwischen dem Lastanschluss und dem Versorgungsanschluss kaskadiert angeordnet sind. „Kaskadiert“ kann insbesondere bedeuten, dass der Ausgang einer Filterstufe unmittelbar mit dem Eingang einer nachfolgend angeordneten Filterstufe gekoppelt ist. Somit weist die Hybridfilterschaltung eine Kombination aus zumindest einer passiven Filterstufe und einer aktiven Filtereinheit mit zumindest einer aktiven Filterstufe auf, die besonders bevorzugt so eingerichtet sind, dass die Hybridfilterschaltung eine Tiefpass-Charakteristik aufweist und in der Stromleitung Gleichtaktstörungen bevorzugt in einem Frequenzbereich zumindest von größer oder gleich 150 kHz und kleiner oder gleich 30 MHz reduzieren kann.
Beispielsweise kann die zumindest eine erste passive Filterstufe von der aktiven Filtereinheit gesehen an der Versorgungsseite angeordnet sein. Alternativ hierzu kann die zumindest eine erste passive Filterstufe von der aktiven Filtereinheit gesehen an der Lastseite angeordnet sein. Weiterhin kann die Hybridfilterschaltung zumindest eine zweite passive Filterstufe aufweisen, wobei die aktive Filtereinheit zwischen der ersten und zweiten passiven Filterstufe angeordnet ist.
Eine passive Filterstufe der Hybridfilterschaltung, also die erste passive Filterstufe und, sofern vorhanden, die zweite passive Filterstufe, kann eine Induktivität, insbesondere zumindest Spule, besonders bevorzugt in Form einer Gleichtaktdrossel, aufweisen. Beispielsweise kann in jeder Phase oder auch in jeder Phase und dem Neutralleiter eine Spule angeordnet sein. Die Spulen können einen gemeinsamen Kern aufweisen. Insbesondere kann die erste passive Filterstufe und, sofern vorhanden, die zweite passive Filterstufe durch zumindest eine Spule und einen oder mehrere Kondensatoren gebildet sein. Besonders bevorzugt ist die erste passive Filterstufe so eingerichtet, dass sie eine Grenzfrequenz und eine Resonanzfrequenz aufweist, die beide kleiner als 150 kHz oder bevorzugt kleiner oder gleich 120 kHz sind. Ist eine zweite passive Filterstufe vorhanden, gilt dasselbe für die zweite passive Filterstufe.
Besonders bevorzugt kann eine passive Filterstufe der Hybridfilterschaltung, also die erste passive Filterstufe und/oder die zweite passive Filterstufe, aus einem oder mehreren Kondensatoren gegen Masse und einer Gleichtaktdrossel gebildet sein. Dadurch kann eine Dämpfung und insbesondere eine Verlangsamung schnell ansteigender und pulsartiger Ströme, die beispielsweise üblicherweise von Frequenzumrichtern erzeugt werden, erreicht werden. Eine solche passive Filterstufe kann in ihren Bauteilwerten und damit in der entsprechenden Grenzfrequenz angepasst werden und besonders bevorzugt als tiefpassbildendes LC-Glied bevorzugt mit einer Grenzfrequenz und einer Resonanzfrequenz von jeweils kleiner als 150 kHz ausgebildet sein, um Resonanzen im Frequenzbereich der leitungsgebundenen Emission zu vermeiden. Besonders bevorzugt kann die Spule eine Induktivität von kleiner oder gleich 500 µH oder sogar kleiner oder gleich 300 µH aufweisen.
Der Einsatz einer beschriebenen passiven Filterstufe an der Lastseite, insbesondere in Form der ersten passiven Filterstufe, kann eine zusätzliche Dämpfungsleistung ermöglichen und die aktive Filtereinheit durch Verlangsamung von steigenden und fallenden Flanken von Gleichtaktströmen unterstützen. Dadurch können relative Fehler durch Lauf- und Verzögerungszeiten der aktiven Komponenten reduziert und so die Gesamtleistung verbessert werden. Weiterhin kann eine an der Versorgungsseite angeordnete passive Filterstufe, die in der Filterstufenkaskade der Hybridfilterschaltung in einer Richtung von der Lastseite zur Netzseite hin gesehen die letzte Filterstufe der Hybridfilterschaltung ist und die die erste oder zweite passive Filterstufe sein kann, wie vorab beschrieben ausgebildet sein und zur Rest-Filterung von noch vorhandenen Gleichtaktstörsignalen dienen und eine weitere Leistungssteigerung bewirken. Insbesondere kann gerade eine solche passive Filterstufe im Vergleich zu klassischen, rein passiven EMV-Filtern, bei denen üblicherweise Spulen mit Induktivitäten von über einen 1 mH verwendet werden, mit erheblich niedrigen Bauteilwerten dimensioniert werden kann, da beispielsweise bei einer sekundären passiven Filterstufe die vorgelagerte aktive Filtereinheit bereits eine deutliche Reduzierung der Gleichtaktstörsignalströme und damit auch ein deutlich optimiertes Sättigungsverhalten der hier verwendeten Gleichtaktdrossel ermöglichen kann. Auch wenn die genauen Spezifikationen der verwendeten Komponenten von den auftretenden Gleichtaktstörungen abhängen, die wiederum beispielsweise von den verwendeten elektrischen Geräten und deren Aufbau abhängen können, kann im Vergleich zu Gleichtaktdrosseln in üblichen passiven Gleichtaktstörungsfiltern die Induktivität in den hier verwendeten passiven Filterstufen vorzugsweise um mindestens einen Faktor 4 oder bevorzugt um mindestens einen Faktor 5 reduziert sein. Insbesondere kann mindestens eine Halbierung der Gleichtaktdrosselwindungen möglich sein, wodurch eine signifikante Reduktion von Gewicht und Bauvolumen möglich sein kann. Durch den Einsatz von zusätzlichen Y-Kondensatoren kann eine weitere Reduktion möglich sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die erste aktive Filterstufe einen Sensor zur Messung eines Gleichtaktstörsignals in der Stromleitung und somit in der zumindest einen Phase oder in der zumindest einen Phase und dem Neutralleiter auf. Der Sensor kann bevorzugt ausgebildet sein, einen Strom zu erfassen, der repräsentativ für eine Summe von Gleichtaktströmen aller Phasen oder aller Phasen und des Neutralleiters in Bezug auf ein Bezugspotential, insbesondere in Bezug auf Masse, ist. Insbesondere kann das Gleichtaktstörsignal somit einen Gleichtaktstörsignalstrom mit einer Gleichtaktstörsignalstromstärke aufweisen, die der Summe der Gleichtaktströme entspricht, und der Sensor ist ein Stromsensor. Der Sensor ist bevorzugt mit der Stromleitung und somit mit der zumindest einen Phase oder der zumindest einen Phase und dem Neutralleiter gekoppelt. Insbesondere kann der Sensor induktiv gekoppelt sein. Die Gleichtaktstörsignalströme, die durch die Stromleitung fließen, können so in Form eines Summensignals erfasst werden. Besonders bevorzugt ist der Stromsensor dazu eingerichtet, einen Messstrom zu erzeugen, der proportional zum Gleichtaktstörsignalstrom ist. Beispielsweise kann der Sensor einen Stromwandler aufweisen oder als Stromwandler ausgebildet sein. Der Stromwandler ist beispielsweise als induktiver Stromwandler ausgebildet und weist eine Primärseite mit einer Primärwicklung sowie einer Primärinduktivität und eine Sekundärseite mit einer Sekundärwicklung und einer Sekundärinduktivität auf. Der induktive Stromwandler kann beispielsweise für jede Phase oder für jede Phase und den Neutralleiter eine Primärwicklung mit jeweils nur einer oder wenigen Windungen aufweisen, die jeweils vom zu messenden Strom durchflossen werden. Weiterhin kann der Stromwandler eine Sekundärwicklung mit einer größeren Anzahl von Windungen aufweisen, so dass der Sekundärstrom gegenüber dem zu messenden Primärstrom verringert ist, und zwar umgekehrt proportional zum Verhältnis der Primär- und Sekundärwindungszahl. Der Stromwandler kann beispielsweise als Durchsteckwandler ausgebildet sein, bei dem jede Phase oder jede Phase und der Neutralleiter durch einen Ringkern des Wandlers geführt wird, was jeweils einer einzigen primären Windung entspricht. Der Stromwandler kann somit beispielhaft bei drei Phasen drei Primärwicklungen aufweisen. Fließen Gleichtaktstörsignalströme durch die Primärwicklungen des Stromwandlers, wird in der Sekundärwicklung der Messstrom induziert, der abhängig ist von der Windungszahl der Sekundärwicklung.
Weiterhin kann der Sensor zwei Anschlüsse aufweisen, zwischen denen ein Widerstand, der auch als Bürdewiderstand bezeichnet werden kann, anschlossen ist, so dass der Widerstand parallel zum Sensor geschaltet ist. Der Messstrom fließt bevorzugt durch den Bürdewiderstand, so dass eine durch den Messstrom und den Widerstandswert des Bürdewiderstands definierte Messspannung am Bürdewiderstand abgegriffen werden kann, die der Steuerung der weiteren Komponenten der ersten aktiven Filterstufe dient.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die erste aktive Filterstufe eine Rückkopplungseinheit mit einer aktiven Verstärkereinheit zur Erzeugung eines dem Gleichtaktstörsignal entgegen wirkenden Kompensationssignals auf, das über einen Ausgang der ersten aktiven Filterstufe in die Stromleitung, also beispielsweise in jede Phase oder in jede Phase und den Neutralleiter, eingespeist wird. Die erste aktive Filterstufe und insbesondere die Rückkopplungseinheit mit der aktiven Verstärkereinheit ist somit bevorzugt so ausgebildet, dass ein Kompensationssignal in Form in eines Kompensationssignalstroms erzeugt wird, der dem Gleichtaktstörsignalstrom im Wesentlichen entgegengesetzt ist. Das kann insbesondere eine gleiche oder zumindest im Wesentlichen gleiche Amplitude und ein umgekehrtes Vorzeichen in Bezug auf die Richtung des Gleichtaktstörsignalstroms bedeuten. Ein umgekehrtes Vorzeichen kann insbesondere bei einem oszillierenden Gleichtaktstörsignal auch eine Phasenverschiebung von 180° oder zumindest im Wesentlichen 180° bedeuten. „Im Wesentlichen“ kann hierbei jeweils bedeuten, dass in Bezug auf die Amplitude und/oder in Bezug auf die Stromrichtungsumkehrung und/oder in Bezug auf die Phasenverschiebung beispielsweise aufgrund von Toleranzen und/oder Messungenauigkeiten und/oder Bandbreitenlimitierungen keine vollständige Kompensation erreicht wird. Beispielsweise kann „im Wesentlichen“ eine Abweichung von kleiner oder gleich 20% oder kleiner oder gleich 10% oder kleiner oder gleich 5% bedeuten.
Die erste aktive Filterstufe kann als aktive Verstärkereinheit zumindest eine Vorverstärkerstufe und eine mit einem Ausgang der Vorverstärkerstufe gekoppelte Hauptverstärkerstufe aufweisen. Ein Eingang der Vorverstärkerstufe, die beispielsweise einen Operationsverstärker oder eine diskrete Transistorschaltung, also eine aus diskreten elektronischen Elementen aufgebaute Schaltung, die insbesondere Transistoren umfassen kann, aufweisen kann, kann direkt oder auch über eine geeignete Schaltung, die beispielsweise den Gleichspannungsarbeitspunkt einstellen kann, mit der Messspannung gekoppelt sein. Die Vorverstärkerstufe ist beispielsweise so eingerichtet, dass am Ausgang der Vorverstärkerstufe und damit am Eingang der Hauptverstärkerstufe ein zur Messspannung proportionales und insbesondere invertiertes Steuersignal zur Ansteuerung der Hauptverstärkerstufe ausgegeben wird.
Die Hauptverstärkerstufe kann besonders bevorzugt durch eine diskrete Transistorschaltung gebildet sein und beispielsweise ein Klasse-A-Verstärker oder bevorzugt ein Klasse-B- oder Klasse-AB-Verstärker sein. Die Hauptverstärkerstufe kann insbesondere dazu vorgesehen und eingerichtet sein, an einem Ausgang eine Kompensationssignalstromstärke von größer oder gleich 1 Ampere oder bevorzugt von größer oder gleich 10 Ampere oder besonders bevorzugt von größer oder gleich 20 Ampere zu erzeugen, die abhängig vom Steuersignal am Eingang der Hauptverstärkerstufe ist.
Der Ausgang der Hauptverstärkerstufe ist beispielsweise über einen Ausgangswiderstand und eine Kopplungsschaltung mit der Stromleitung und damit mit der zumindest einen Phase oder der zumindest einen Phase und dem Neutralleiter gekoppelt, so dass das Kompensationssignal in die Stromleitung eingekoppelt werden kann. Weiterhin kann der Ausgang der Hauptverstärkerstufe, beispielsweise über eine Rückkopplungsleitung mit einem weiteren Widerstand, mit einem weiteren Eingang der Vorverstärkerstufe, insbesondere einem Differenzeingang, gekoppelt sein. Dadurch wird die Rückkopplungseinheit gebildet, die einen internen Regelkreis bildet, durch den die Genauigkeit erhöht werden kann.
Die erste aktive Filterstufe basiert somit bevorzugt auf dem CSCA-Prinzip (CSCA: „current sensing/current activation“, Strommessung/Stromaktivierung) und misst das Gleichtaktstörsignal in der Stromleitung. Ist der aktiven Filtereinheit eine passive Filterstufe, also insbesondere die vorab beschriebene erste passive Filterstufe, vorgeschaltet, wird ein durch den Sensor der ersten aktiven Filterstufe ein durch die passive Filterstufe bereits abgeschwächter Gleichtaktstörsignalstrom gemessen. Der gemessene Gleichtaktstörsignalstrom wird in eine Messspannung umgewandelt, die dann wiederum mittels der Vorverstärkerstufe bevorzugt invertiert und anschließend durch die Hauptverstärkerstufe in Form des Kompensationssignalstroms verstärkt wird. Dieses dem Gleichtaktstörsignal entgegen gerichtete Kompensationssignal wird entsprechend in die Stromleitung eingekoppelt, wobei das Gleichtaktstörsignal durch destruktive Interferenz unterdrückt wird. Insbesondere kann die erste aktive Filterstufe so ausgebildet sein, dass die dafür notwendigen Stromstärken durch die Hauptverstärkerstufe erzeugt werden, während die Vorverstärkerstufe bevorzugt nur zur Invertierung der Messspannung und zur Ansteuerung der Hauptverstärkerstufe vorgesehen und ausgebildet ist. Da der Ausgang der Hauptverstärkerstufe bevorzugt mit dem invertierenden Eingang der Vorverstärkerstufe rückgekoppelt ist, kann ein interner Regelkreis mit erhöhter Genauigkeit erreicht werden.
Insbesondere weist die aktive Filtereinheit zumindest eine weitere aktive Filterstufe auf, die zwischen der ersten aktiven Filterstufe und dem Stromnetz unmittelbar der ersten aktiven Filterstufe nachfolgend angeordnet ist. Die erste aktive Filterstufe und die weitere aktive Filterstufe sind somit kaskadiert angeordnet, wobei die erste aktive Filterstufe ausgebildet ist, einen höheren Ausgangsstrom bereitzustellen als die zweite aktive Filterstufe. Insbesondere kann die weitere aktive Filterstufe vom Aufbau und der Funktion her der ersten aktiven Filterstufe entsprechen, jedoch frei von einer Hauptverstärkerstufe sein. Eine der Vorverstärkerstufe der ersten aktiven Filterstufe entsprechende Verstärkerstufe, beispielsweise aufweisend einen Operationsverstärker, kann somit bevorzugt die einzige Verstärkerstufe der weiteren aktiven Filterstufe sein.
Die weitere aktive Filterstufe kann somit vom Prinzip her der ersten aktiven Filterstufe entsprechen, jedoch ohne eine entsprechende Hauptverstärkerstufe aufzuweisen. Da die Pegel des Gleichtaktstörsignals durch die erste aktive Filterstufe bereits erheblich unterdrückt werden können, kann es möglich sein, dass in der weiteren aktiven Filterstufe ein Operationsverstärker direkt zur Erzeugung eines weiteren Kompensationssignalstroms ausreicht. Die weitere aktive Filterstufe kann so eingerichtet sein, dass sie eine wesentlich höhere Genauigkeit als die erste aktive Filterstufe erreichen kann, was zu einer zusätzlichen Leistungssteigerung der Hybridfilterschaltung führen kann. Das Prinzip der Kaskadierung der aktiven Filterstufen ist möglich, da beide Filterstufen durch strombasierte Vorwärtsregelungen gebildet sind.
Alternativ zu einer weiteren aktiven Filterstufe kann es auch möglich sein, die erste aktive Filterstufe so auszubilden, dass keine weitere aktive Filterstufe mehr notwendig ist und dass die aktive Filtereinheit somit aus der ersten aktiven Filterstufe besteht.
Im Vergleich zu üblicherweise eingesetzten klassischen rein passiven EMV-Filtern zeichnet sich die hier beschriebene Hybridfilterschaltung durch eine Verwendung zusätzlicher aktiver Komponenten aus, wodurch die Größe der passiven Komponenten reduziert werden kann. Insbesondere ist es möglich, den Teil der Filterleistung, der im klassischen Fall durch eine große Gleichtaktdrossel erzielt wird, durch eine von der Baugröße her deutlich kleinere aktive Schaltung zu ersetzen. Hierdurch können sich einer oder mehrere der folgenden Vorteile ergeben:

- Reduktion des Gesamtbauvolumens der Hybridfilterschaltung im Vergleich zu klassischen passiven EMV-Filtern
- Reduktion des Gewichts der Hybridfilterschaltung im Vergleich zu klassischen EMV-Filtern
- Reduzierung der Kosten der Hybridfilterschaltung im Vergleich zu klassischen EMV-Filtern
- Mögliche Erhöhung der Dämpfungsleistung der Hybridfilterschaltung im Vergleich zu klassischen EMV-Filtern
- Mögliche Verwendung der aktiven Schaltung als Zusatz für bestehende Filter und dadurch Erhöhung der bereits vorhandenen Filterleistung

Ein wesentlicher Unterschied zu bisher bekannten aktiven Filtern liegt darin, dass insbesondere zusätzlich zu einem Operationsverstärker weitere Komponenten zur Verstärkung des Kompensationssignals verwendet werden. Dadurch ist es möglich, im relevanten Frequenzbereich und unter Berücksichtigung schnell steigender Flanken des Störsignals in einem Zeitbereich von weniger als 200 ns Kompensationssignalströme von mehr als 1 Ampere (Peak) zu erzeugen, die mit rein integrierten Filtern nicht oder nur sehr unwirtschaftlich realisiert werden können. Insbesondere können sich die folgenden Vorteile ergeben:

- Möglichkeit der aktiven Unterdrückung von Gleichtaktstörsignalströmen über 1 Ampere (Peak) und vorzugsweise von über 20 Ampere (Peak)
- Daraus resultierende deutliche Reduzierung der passiven Komponenten

Weitere Vorteile, vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen ergeben sich aus den im Folgenden in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Ausführungsbeispielen.

1 zeigt eine schematische Darstellung eines Systems mit einer Hybridfilterschaltung gemäß einem Ausführungsbeispiel,
2 zeigt eine schematische Darstellung eines Systems mit einer Hybridfilterschaltung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel,
3 und 4 zeigen schematische Darstellungen von Filterstufen der Hybridfilterschaltung gemäß weiteren Ausführungsbeispielen,
5 und 6 zeigen schematische Darstellungen von Systemen mit einer Hybridfilterschaltung gemäß weiteren Ausführungsbeispielen,
7 zeigt eine schematische Darstellung einer Hybridfilterschaltung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel,
8A und 8B zeigen schematische Darstellungen von Messaufbauten zur Ermittlung der Filterwirkung der Hybridfilterschaltung und Komponenten davon,
9A bis 10E zeigen Messungen der Filterwirkung der Hybridfilterschaltung und Komponenten davon.

In den Ausführungsbeispielen und Figuren können gleiche, gleichartige oder gleich wirkende Elemente jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen sein. Die dargestellten Elemente und deren Größenverhältnisse untereinander sind nicht als maßstabsgerecht anzusehen, vielmehr können einzelne Elemente, wie zum Beispiel Schichten, Bauteile, Bauelemente und Bereiche, zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein.
In Verbindung mit den Figuren sind eine Hybridfilterschaltung 100 und ein System 1000 mit der Hybridfilterschaltung 100 gemäß mehreren Ausführungsbeispielen gezeigt, wobei die Hybridfilterschaltung 100 dazu vorgesehen und eingerichtet ist, Gleichtaktstörsignale in einer Stromleitung 110 zu reduzieren. Insbesondere ist die Hybridfilterschaltung 100 zur Reduzierung von Gleichtaktstörsignalen zumindest mit Frequenzen von größer oder gleich 150 kHz und zumindest von kleiner oder gleich 30 MHz vorgesehen und eingerichtet. Die Stromleitung 110 dient dazu, ein elektrisches Gerät 200 mit einem Stromnetz 300 zu koppeln und kann zumindest eine Phase aufweisen. Weiterhin kann die Stromleitung beispielsweise einen Neutralleiter aufweisen. Die Reduzierung von Gleichtaktstörsignalen kann beispielsweise in mehreren Phasen oder in zumindest einer Phase und dem Neutralleiter erfolgen. Die nachfolgende Beschreibung bezieht sich rein beispielhaft und nicht einschränkend auf eine Stromleitung 110 mit drei Phasen 111, 112, 113, in denen durch die Hybridfilterschaltung 100 Gleichtaktstörsignale reduziert werden.
In 1 ist das System 1000 mit einer Hybridfilterschaltung 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel gezeigt. Das System 1000 weist das elektrische Gerät 200 und das Stromnetz 300 auf, die schematisch in 1 angedeutet sind und die durch die Stromleitung 110 miteinander gekoppelt sind. Diejenige Seite des Systems 1000 mit dem elektrischen Gerät 200 wird auch als Lastseite 1002 bezeichnet, während die Seite des Systems 1000 mit dem Stromnetz 300 auch als Versorgungsseite 1003 bezeichnet wird. Das elektrische Gerät 200 kann beispielsweise ein Antriebssystem sein und einen Motor und einen Frequenzumrichter zur Ansteuerung des Motors aufweisen. Darüber hinaus sind auch andere elektrische Geräte möglich.
Weiterhin weist das System 1000 eine Hybridfilterschaltung 100 auf, die an der Lastseite 1002 über einen Lastanschluss 102 mit dem elektrischen Gerät 200 und an der Versorgungsseite 1003 über einen Versorgungsanschluss 103 mit dem Stromnetz 300 gekoppelt ist. Die Hybridfilterschaltung 100 weist zumindest eine erste passive Filterstufe 11 und eine aktive Filtereinheit 20 zumindest mit einer ersten aktiven Filterstufe 21 auf, die zwischen dem Lastanschluss 102 und dem Versorgungsanschluss 103 kaskadiert angeordnet sind. Die Hybridfilterschaltung 100 weist somit eine Kombination aus zumindest einer passiven Filterstufe 11 und einer aktiven Filtereinheit 20 mit zumindest einer aktiven Filterstufe 21 auf, die besonders bevorzugt so eingerichtet sind, dass die Hybridfilterschaltung 100 eine Tiefpass-Charakteristik aufweist und in der Stromleitung 110 Gleichtaktstörungen bevorzugt zumindest in einem Frequenzbereich von größer oder gleich 150 kHz und kleiner oder gleich 30 MHz reduzieren kann. Ist die erste passive Filterstufe 11 wie in 1 gezeigt auf der Lastseite 1002 angeordnet, kann diese auch als primäre passive Filterstufe bezeichnet werden.
In 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel gezeigt, bei dem im Vergleich zur in der Figur gezeigten Ausgestaltung die erste passive Filterstufe 11 auf der Versorgungsseite 1003 und somit von der Lastseite 1002 aus gesehen der aktiven Filtereinheit 20 nachgeordnet angeordnet ist. In diesem Fall kann die erste passive Filterstufe 11 auch als sekundäre passive Filterstufe bezeichnet werden.
In 3 ist ein Ausführungsbeispiel für eine passive Filterstufe gezeigt, die die erste passive Filterstufe 11 der in den 1 und 2 gezeigten Hybridfilterschaltung bilden kann und die eine Induktivität, insbesondere zumindest Spule 1, besonders bevorzugt in Form einer Gleichtaktdrossel, aufweist. In 3 ist die Stromleitung 110 mit den oben erwähnten rein beispielhaften drei Phasen 111, 112, 113 angedeutet. Jede Phase 111, 112, 113 ist bevorzugt mit einer Spule 1 gekoppelt, die besonders bevorzugt einen gemeinsamen Kern aufweisen. Weiterhin ist jede Phase 111, 112, 113 mit zumindest einem Kondensator 2 gegen Masse gekoppelt, wobei die Spulen 1 und Kondensatoren 2 besonders bevorzugt so ausgebildet sind, dass die passive Filterstufe 11 eine Grenzfrequenz und eine Resonanzfrequenz aufweist, die beide kleiner als 150 kHz oder bevorzugt kleiner oder gleich 120 kHz sind. Durch die gezeigte Ausbildung der passiven Filterstufe 11 mit der Gleichtaktdrossel und den Kondensatoren gegen Masse wird ein tiefpassbildendes LC-Glied gebildet, durch das eine Dämpfung und insbesondere eine Verlangsamung schnell ansteigender und pulsartiger Ströme erreicht werden, die beispielsweise üblicherweise von Frequenzumrichtern erzeugt werden.
Der Einsatz der beschriebenen passiven Filterstufe 11 als primäre passive Filterstufe an der Lastseite 1002, wie in 1 gezeigt ist, kann somit eine zusätzliche Dämpfungsleistung ermöglichen und die nachgeordnete aktive Filtereinheit durch Verlangsamung von steigenden und fallenden Flanken von Gleichtaktströmen unterstützen. Dadurch können relative Fehler durch Lauf- und Verzögerungszeiten der aktiven Komponenten reduziert und so die Gesamtleistung verbessert werden. Der Einsatz einer solchen passiven Filterstufe 11 als sekundäre passive Filterstufe an der Versorgungsseite 1003, wie in 2 gezeigt ist, kann zur Rest-Filterung von noch vorhandenen Gleichtaktstörsignalen dienen und eine weitere Leistungssteigerung bewirken.
In 4 ist ein Ausführungsbeispiel für die erste aktive Filterstufe 21 der aktiven Filtereinheit gezeigt. Die erste aktive Filterstufe 21 weist einen Sensor 201 zur Messung eines Gleichtaktstörsignals in der Stromleitung 110 und somit im gezeigten Ausführungsbeispiel in den rein beispielhaft gezeigten drei Phasen 111, 112, 113 auf. Der Sensor 201 ist ausgebildet, einen Strom zu erfassen, der repräsentativ für eine Summe von Gleichtaktströmen aller Phasen 111, 112, 113 in Bezug auf Masse ist. Der Sensor 201 ist somit ein Stromsensor, der als Messwert an einem Ausgang eine Gleichtaktstörsignalstromstärke der Gleichtaktstörsignale, die der Summe der Gleichtaktstörsignalströme in den Phasen 111, 112, 113 der Stromleitung 110 entspricht, oder einen dazu proportionalen Wert ausgibt.
Weiterhin weist die erste aktive Filterstufe 21 eine Rückkopplungseinheit 202 mit einer aktiven Verstärkereinheit 203 zur Erzeugung eines dem Gleichtaktstörsignal entgegen wirkenden Kompensationssignals auf, das über einen Ausgang der ersten aktiven Filterstufe 21 in die Stromleitung 110, also beispielsweise in jede Phase 111, 112, 113, eingespeist wird. Die erste aktive Filterstufe 21 und insbesondere die Rückkopplungseinheit 202 mit der aktiven Verstärkereinheit 203 ist bevorzugt so ausgebildet, dass ein Kompensationssignal in Form in eines Kompensationssignalstroms erzeugt wird, der dem Gleichtaktstörsignalstrom im Wesentlichen entgegengesetzt ist. Das kann, wie im allgemeinen Teil beschrieben ist, insbesondere eine gleiche oder zumindest im Wesentlichen gleiche Amplitude und ein umgekehrtes Vorzeichen in Bezug auf die Richtung des Gleichtaktstörsignalstroms bedeuten.
Die erste aktive Filterstufe 21 kann als aktive Verstärkereinheit 203 zumindest eine Vorverstärkerstufe 204 und eine mit einem Ausgang der Vorverstärkerstufe 204 gekoppelte Hauptverstärkerstufe 205 aufweisen. Ein Eingang der Vorverstärkerstufe 204, die beispielsweise einen Operationsverstärker oder eine diskrete Transistorschaltung aufweisen kann, kann direkt oder auch über eine geeignete Schaltung, die beispielsweise den Gleichspannungsarbeitspunkt einstellen kann, mit einem Ausgang des Sensors 201 gekoppelt sein. Die Vorverstärkerstufe 204 ist beispielsweise so eingerichtet, dass am Ausgang der Vorverstärkerstufe 204 und damit am Eingang der Hauptverstärkerstufe 205 ein zum Messwert des Sensors 201 proportionales und beispielsweise invertiertes Steuersignal zur Ansteuerung der Hauptverstärkerstufe 205 ausgegeben wird. Die Hauptverstärkerstufe 205 ist besonders bevorzugt so eingerichtet, dass an einem Ausgang der Hauptverstärkerstufe 205 ein Kompensationssignalstrom mit einer Kompensationssignalstromstärke von größer oder gleich 1 Ampere oder bevorzugt von größer oder gleich 10 Ampere oder besonders bevorzugt von größer oder gleich 20 Ampere erzeugt wird, die abhängig vom Steuersignal am Eingang der Hauptverstärkerstufe 205 ist.
Der Ausgang der Hauptverstärkerstufe 205 ist über einen Ausgangswiderstand 206 und eine Kopplungsschaltung 207 mit der Stromleitung 110 und damit den beispielhaft gezeigten drei Phasen 111, 112, 113 gekoppelt, so dass das Kompensationssignal in die Stromleitung 110 eingekoppelt werden kann. Weiterhin ist der Ausgang der Hauptverstärkerstufe 205, beispielsweise über eine Rückkopplungsleitung mit einem Rückkopplungswiderstand 208, mit einem weiteren Eingang der Vorverstärkerstufe 204 gekoppelt ist. Dadurch wird die Rückkopplungseinheit 202 gebildet, die einen internen Regelkreis bildet, durch den die Genauigkeit erhöht werden kann. Weitere Merkmale der ersten aktiven Filterstufe 21 sind in Verbindung mit der 7 beschrieben.
In 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel gezeigt, bei dem die Hybridfilterschaltung 100 im Vergleich zu den Ausführungsbeispielen der 1 und 2 zusätzlich eine zweite passive Filterstufe 12 aufweist. Die erste passive Filterstufe 11, die aktive Filtereinheit 20 und die zweite passive Filterstufe 12 sind von der Lastseite 1002 aus gesehen kaskadiert zwischen der Lastseite 1002 und der Versorgungsseite 1003 angeordnet. Die aktive Filtereinheit 20 ist zwischen der ersten und zweiten passiven Filterstufe 11, 12 angeordnet. Die erste passive Filterstufe 11 bildet in diesem Fall eine primäre passive Filterstufe, während die zweite passive Filterstufe 12 eine sekundäre passive Filterstufe bildet. Die erste und zweite passive Filterstufe 11, 12 können vom Aufbau her wie in Verbindung mit der 3 beschrieben ausgebildet sein und gleiche oder unterschiedliche Komponentenspezifikationen aufweisen.
In 6 ist ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel gezeigt, bei dem im Vergleich zum vorherigen Ausführungsbeispiel die aktive Filtereinheit 20 der Hybridfilterschaltung 100 zusätzlich zur ersten aktiven Filterstufe 21 zumindest eine weitere aktive Filterstufe 22 aufweist, die zwischen der ersten aktiven Filterstufe 21 und dem Stromnetz 300 unmittelbar der ersten aktiven Filterstufe 21 nachfolgend angeordnet ist. Die erste aktive Filterstufe 21 und die weitere aktive Filterstufe 22 sind somit kaskadiert zwischen der ersten und zweiten passiven Filterstufe 11, 12 angeordnet, wobei die erste aktive Filterstufe 21 ausgebildet ist, einen höheren Ausgangsstrom bereitzustellen als die zweite aktive Filterstufe 22.
In 7 ist die Hybridfilterschaltung 100 gemäß dem Ausführungsbeispiel der 6 in einem Schaltbild gezeigt, wobei zur Vereinfachung der Darstellung ein Gleichtakt-Modell gezeigt ist, in dem die Phasen der Stromleitung 110 zu einer Leitung zusammengefasst sind. Die im Folgenden beschriebenen passiven und aktiven Filterstufen 11, 12, 21, 22 können auch in den anderen vorher beschriebenen Ausführungsbeispielen verwendet werden. Die im Folgenden angegebenen Parameter von passiven und aktiven Komponenten stellen eine bevorzugte Ausführungsvariante auf, sind jedoch nicht als einschränkend zu verstehen.
Die erste passive Filterstufe 11, die die primäre passive Filterstufe auf der Lastseite bildet, weist, wie in Verbindung mit der 3 beschrieben ist, ein tiefpassbildendes LC-Glied auf, das durch eine Gleichtaktdrossel und Kondensatoren gegen Masse gebildet wird. Im gezeigten Gleichtakt-Modell weist die Spule eine Induktivität von 35 µH auf. Die Kondensatoren gegen Masse, die durch den gezeigten effektiven Kondensator repräsentiert werden, weisen eine effektive Kapazität von 190 nF auf. Die zweite passive Filterstufe 12, die die sekundäre passive Filterstufe auf der Versorgungsseite bildet, kann sogar noch kleiner dimensioniert werden und weist im gezeigten Gleichtakt-Modell eine Spule mit einer Induktivität von 14 µH und einen effektiven Kondensator mit einer effektiven Kapazität von 130 nF auf. Entsprechend weisen die erste und zweite passive Filterstufe 11, 12 Grenz- und Resonanzfrequenzen von weniger als 150 kHz auf, die somit außerhalb des vorgesehenen Frequenzbereichs der Hybridfilterschaltung 100 liegen. Die passiven Filterstufen 11, 12 können im Vergleich zu klassischen, rein passiven EMV-Filtern somit mit sehr niedrigen Bauteilwerten dimensioniert werden, da die im Folgenden beschriebene aktive Filtereinheit 20 den Hauptanteil der Reduzierung der Gleichtaktstörsignalströme übernehmen kann.
Die erste aktive Filterstufe 21 weist, wie im Zusammenhang mit der 4 beschrieben ist, einen Sensor 201 zur Messung eines Gleichtaktstörsignals in der Stromleitung sowie eine Rückkopplungseinheit 202 mit einer aktiven Verstärkereinheit 203 zur Erzeugung des Kompensationssignalstroms auf.
Der Sensor 201 ist als induktiver Stromsensor in Form eines Stromwandlers mit einer Primärseite und einer Sekundärseite ausgebildet. Die Primärseite ist mit der Stromleitung 110, im gezeigten Ausführungsbeispiel also mit den Phasen der Stromleitung 110, gekoppelt. Die Gleichtaktstörsignalströme, die durch die Stromleitung 110 fließen, können so in Form eines Summensignals erfasst werden. Der induktive Stromwandler weist für jede Phase auf der Primärseite eine Primärwicklung mit jeweils nur einer oder wenigen Windungen auf. Die Sekundärseite weist im gezeigten Ausführungsbeispiel eine Sekundärwicklung beispielsweise mit einer um den Faktor 10000 größeren Anzahl von Windungen auf, so dass der in der Sekundärwicklung fließende Sekundärstrom proportional zum gemessenen Gleichtaktstörsignalstrom ist, aber gegenüber diesem um den besagten Faktor verringert ist. Der Stromwandler ist beispielsweise als Durchsteckwandler ausgebildet, bei dem im vorliegenden Ausführungsbeispiel jede Phase durch einen Ringkern des Wandlers geführt wird, was jeweils einer einzigen primären Windung entspricht. Der Stromwandler kann somit beispielhaft bei drei Phasen drei Primärwicklungen aufweisen. Fließen Gleichtaktstörsignalströme durch die Primärwicklungen des Stromwandlers, wird in der Sekundärwicklung wie beschrieben ein Sekundärstrom induziert, der auch als Messstrom bezeichnet werden kann.
Weiterhin weist der Sensor 201 auf der Sekundärseite zwei Anschlüsse auf, zwischen denen ein sogenannte Bürdewiderstand 210 anschlossen ist, der somit parallel zum Sensor 201 geschaltet ist. Der Messstrom fließt durch den Bürdewiderstand 210, so dass eine durch den Messstrom und den Widerstandswert des Bürdewiderstands 210 definierte Messspannung am Bürdewiderstand 210 abgegriffen werden kann, die der Steuerung der weiteren Komponenten der ersten aktiven Filterstufe 21, insbesondere der aktiven Verstärkereinheit 203, dient. Im gezeigten Ausführungsbeispiel weist der Bürdewiderstand 210 einen Widerstandswert von 100 Q auf.
Die aktive Verstärkereinheit 203 weist eine Vorverstärkerstufe 204 und eine mit einem Ausgang der Vorverstärkerstufe 204 gekoppelte Hauptverstärkerstufe 205 auf. Die Vorverstärkerstufe 204 kann, wie gezeigt, durch einen Operationsverstärker gebildet sein, der beispielsweise vom Typ LT1206 sein kann. Alternativ kann die Vorverstärkerstufe 204 auch durch eine diskrete Transistorschaltung gebildet sein. Ein Eingang der Vorverstärkerstufe kann direkt oder, wie im gezeigten Ausführungsbeispiel, durch eine zusätzliche Anpassungsschaltung 209 mit dem Bürdewiderstand 210 gekoppelt sein, die zur Einstellung des Gleichspannungsarbeitspunkts dient.
Die Vorverstärkerstufe 204 ist bevorzugt so eingerichtet, dass am Ausgang der Vorverstärkerstufe 204 und damit am Eingang der Hauptverstärkerstufe 205 ein zur Messspannung proportionales und insbesondere invertiertes Steuersignal zur Ansteuerung der Hauptverstärkerstufe 205 ausgegeben wird. An einem Ausgang der Hauptverstärkerstufe 205 wird der Kompensationssignalstrom ausgegeben. Insbesondere ist die erste aktive Filterstufe 21 so ausgebildet, dass die für den Kompensationssignalstrom notwendigen Stromstärken allein durch die Hauptverstärkerstufe 205 erzeugt werden, während die Vorverstärkerstufe 204 nur zur Invertierung der Messspannung und zur Ansteuerung der Hauptverstärkerstufe 205 vorgesehen und ausgebildet ist. Die Hauptverstärkerstufe 205 wird durch eine diskrete Transistorschaltung gebildet, die wie gezeigt beispielsweise ein Klasse-B-Verstärker sein kann. Weiterhin ist beispielsweise auch ein Klasse-A-Verstärker oder besonders bevorzugt ein Klasse-AB-Verstärker möglich. Die Hauptverstärkerstufe 205 ist insbesondere dazu vorgesehen und eingerichtet, am Ausgang eine Kompensationssignalstromstärke von größer oder gleich 1 Ampere (Peak) oder bevorzugt von größer oder gleich 10 Ampere (Peak) oder besonders bevorzugt von größer oder gleich 20 Ampere (Peak) zu erzeugen, die abhängig vom Steuersignal am Eingang der Hauptverstärkerstufe 205 ist.
Der Ausgang der Hauptverstärkerstufe 205 ist über einen Ausgangswiderstand 206, der im gezeigten Ausführungsbeispiel einen Widerstandswert von 1 Ω aufweist, und eine Kopplungsschaltung 207 mit der Stromleitung 110 und damit mit den Phasen gekoppelt. Die Kopplungsschaltung 207 im gezeigten Ausführungsbeispiel weist einen Widerstand mit einem Widerstandswert von 1 MΩ sowie einen effektiven Kondensator im Gleichtakt-Modell mit einer effektiven Kapazität von etwa 7,5 µF auf. Der effektive Kondensator im Gleichtakt-Modell wird durch einen Kondensator mit einer Kapazität von 10 µF und, in Serie mit diesem, drei parallel geschalteten Kondensatoren gebildet, die jeweils mit einer Phase der Stromleitung 110 gekoppelt sind und jeweils eine Kapazität von 10 µF aufweisen.
Weiterhin ist der Ausgang der Hauptverstärkerstufe 205 über eine Rückkopplungsleitung und einen Rückkopplungswiderstand 208, der im gezeigten Ausführungsbeispiel einen Widerstandswert von 100 Ω aufweist, mit einem weiteren Eingang der Vorverstärkerstufe 204, insbesondere einem Differenzeingang, gekoppelt. Dadurch wird die Rückkopplungseinheit 202 gebildet, die einen internen Regelkreis bildet, durch den die Genauigkeit erhöht werden kann.
Die weitere aktive Filterstufe 22 der aktiven Filtereinheit 20 entspricht vom Prinzip her der ersten aktiven Filterstufe 21, weist jedoch keine entsprechende Hauptverstärkerstufe auf. Zur Bezeichnung der Komponenten der weiteren aktiven Filterstufe 22 werden daher dieselben Bezugszeichen wie für die erste aktive Filterstufe 21 verwendet. Jedoch können die Parameter und Spezifikationen der Komponenten der weiteren aktiven Filterstufe 22 von denen der ersten aktiven Filterstufe 21 abweichen. Die weitere aktive Filterstufe 22 weist entsprechend wie die erste aktive Filterstufe einen Sensor 201, einen Bürdewiderstand 210, eine Anpassungsschaltung 209, einen Ausgangswiderstand 206, eine Rückkopplungsleitung mit einem Rückkopplungswiderstand 208 und eine Kopplungsschaltung 208 sowie, anstelle der Vorverstärkerstufe und der Hauptverstärkerstufe der ersten aktiven Filterstufe, eine Verstärkerstufe 211 gebildet durch einen Operationsverstärker, beispielsweise vom Typ LT1210, auf. Da die Pegel des Gleichtaktstörsignals durch die erste aktive Filterstufe 21 bereits erheblich unterdrückt werden können, ist es möglich, dass in der weiteren aktiven Filterstufe 22 der Operationsverstärker direkt zur Erzeugung eines weiteren, deutlich kleineren Kompensationssignalstroms ausreicht. Die weitere aktive Filterstufe 22 kann daher auch so eingerichtet sein, dass sie eine wesentlich höhere Genauigkeit als die erste aktive Filterstufe 21 erreichen kann, was zu einer zusätzlichen Leistungssteigerung der Hybridfilterschaltung führen kann. Das Prinzip der Kaskadierung der aktiven Filterstufen 21, 22 ist möglich, da beide Filterstufen 21, 22 durch strombasierte Vorwärtsregelungen gebildet sind. Im Unterschied zur ersten aktiven Filterstufe 21 weist die weitere Filterstufe 22 im gezeigten Ausführungsbeispiel unter anderem die folgenden abweichenden Parameter auf:

- Bürdewiderstand: 220 Q
- Ausgangswiderstand: 2,2 Q
- effektive Kapazität des effektiven Kondensators der Kopplungsschaltung: 2,475 µF; gebildet durch 3 parallele Kondensatoren mit je 3,3 µF in Serie mit einem weiteren Kondensator mit 3,3 µF

Zur Ermittlung der Filterleistung der einzelnen Filterstufen der Hybridfilterschaltung 100 wurden ausgehend von den in 7 gezeigten Filterstufen in verschiedenen Kombinationen dieser Messungen der Reduktion eines Gleichtaktstörsignalstroms durchgeführt.
In 8A ist ein Messaufbau zur Messung von ungefilterten Gleichtaktstörsignalen in einem System mit einem Motor 290 und einem Frequenzumrichter 291 als elektrisches Gerät 200 gezeigt. Zur Messung der ungefilterten Gleichtaktstörsignale wurde das elektrische Gerät 200 direkt über eine Netznachbildung 298, die auch als LISN („Line Impedance Stabilization Network“) bezeichnet wird und die das Stromnetz simuliert, an ein Messgerät 299, beispielsweise ein Oszilloskop oder einen Frequenzanalysator, angeschlossen. In 8B ist ein Messaufbau gezeigt, bei der zwischen das elektrische Gerät 200 und die Netznachbildung 298 eine Filtereinheit 101 angeordnet ist, die, wie im Folgenden beschrieben ist, eine oder mehrere Filterstufen der in 7 gezeigten Hybridfilterschaltung 100 aufwies, so dass die Filterwirkung dieser einen oder mehreren Filterstufen allein oder in Kombination ermittelt werden konnten.
In den 9A und 9B sind zeitliche Messungen der Gleichtaktstörsignale mithilfe eines Oszilloskops als Messgerät 299 gezeigt. Die horizontale Achse entspricht dem zeitlichen Verlauf, die vertikale Achse einer gemessenen zeitabhängigen Stromstärke. In 9A sind im Vergleich zum einen die ungefilterten Gleichtaktstörsignale 91 auf der Lastseite und zum anderen die mittels des in 8B gezeigten Messaufbaus gemessenen Gleichtaktstörsignale 92 gezeigt, die mittels der Hybridfilterschaltung 100 der 7 als Filtereinheit 101 auf der Versorgungsseite noch messbar sind. Die in 9A angedeutete vertikale Auflösung A entspricht einer Gleichtaktstörungssignalstromstärke von 2,5 A, die angedeutet horizontale Auflösung T einem Zeitintervall von 100 ms.
Während die ungefilterten Gleichtaktstörsignale 91 auf der Lastseite eine Amplitude von mehr als 10 A erreichten, sind mit der gezeigten Auflösung auf der Versorgungsseite kaum mehr Gleichtaktstörsignale 92 erkennbar.
In 9B sind daher Vergrößerungen von Ausschnitten der Messung auf der Versorgungsseite und damit der gefilterten Gleichtaktstörsignale 92 gezeigt. Die angedeuteten Auflösungen A und T sind im oberen Ausschnitt 2 ms horizontal und 50 mA vertikal und im unteren Ausschnitt, der eine Vergrößerung um einen Faktor 200 darstellt, 10 µs horizontal und 25 mA vertikal. Während also auf der Lastseite ungefilterte Gleichtaktstörsignalstromstärken von bis zu 12,5 A (Peak) messbar sind, sind aufgrund der Hybridfilterschaltung auf der Versorgungsseite nur noch hochfrequente Gleichtaktstörsignale mit Gleichtaktstörsignalstromstärken von weniger als 50 mA (Peak) messbar. Dadurch zeigt sich, dass die Hybridfilterschaltung im Stande ist, Gleichtaktstörungen sehr effektiv zu reduzieren.
In den 10A bis 10E sind Frequenzspektren von ungefilterten Gleichtaktstörsignalen und von gefilterten Gleichtaktstörsignalen gezeigt, wobei für erstere der Messaufbau der 8A und für letztere unterschiedliche Kombinationen von Filterstufen als Filtereinheit 101 im Messaufbau der 8B verwendet wurden. Zusätzlich zu den gemessenen Frequenzspektren sind weiterhin noch die von der Norm geforderten Grenzwerte gezeigt. Sofern nicht anders angegeben, handelt es sich bei den Messungen um sogenannte Average-Messungen.
In 10A sind zum Vergleich das Frequenzspektrum 93 der ungefilterten Gleichtaktstörsignale und das Frequenzspektrum 94 der allein durch die aktive Filtereinheit als Filterelement 101 im Messaufbau der 8B gefilterten Gleichtaktstörsignale gezeigt. Es zeigt sich insbesondere im Bereich von 10 kHz bis 10 MHz eine deutliche Reduzierung der Gleichtaktstörsignale.
In 10B wurde anstelle der rein aktiven Filtereinheit als Filtereinheit 101 im Messaufbau der 8B eine Hybridfilterschaltung mit einer Kombination der aktiven Filtereinheit mit einer primären passiven Filterstufe für die Messung des Frequenzspektrums 95 der gefilterten Gleichtaktstörsignale verwendet. Für die primäre passive Filterstufe, die entsprechend dem Ausführungsbeispiel der 3 ausgebildet war, wurden Y-Kondensatoren mit jeweils 130 nF sowie eine Gleichtaktdrossel mit 8 µH verwendet. Im Vergleich zur Messung der 10A kann im Bereich von 100 kHz bis zu mehreren 100 kHz eine durch diese Hybridfilterschaltung bewirkte weitere Reduzierung der Gleichtaktstörsignale erkannt werden.
Für die Messung des Frequenzspektrums 96 der gefilterten Gleichtaktstörsignale in 10C wurde als Filtereinheit 101 im Messaufbau der 8B anstelle einer Hybridfilterschaltung mit einer primären passiven Filterstufe eine Hybridfilterschaltung mit einer sekundären passiven Filterstufe verwendet, die die gleichen Komponenten wie die der primären passiven Filterstufe aufwies, die der in 10B gezeigten Messung zugrunde lag. Im Vergleich zur Messung der 10A kann insbesondere im relevanten Frequenzbereich von größer oder gleich 150 kHz und kleiner oder gleich 30 MHz durch die Verwendung der Hybridfilterschaltung eine erhebliche Reduzierung der Gleichtaktstörsignale erkannt werden.
In 10D ist ein der Messung der 10C entsprechendes Frequenzspektrum 96` gezeigt, zu dessen Messung im Vergleich zur dem Frequenzspektrum 96 zugrunde liegenden Hybridfilterschaltung netzseitige X-Kondensatoren von je 6,8 µH eingefügt und die Induktivität der sekundären passiven Filterstufe zusätzlich pro Phase um etwa 10 µH vergrößert wurden. Hierzu wurde auf jede Phase ein jeweils übergeschobener Kern zur Erhöhung der Streuinduktivität verwendet. Gut erkennbar ist eine weitere Unterdrückung der Gleichtaktstörsignale im relevanten Frequenzbereich von größer oder gleich 150 kHz und kleiner oder gleich 30 MHz.
In 10E ist ein Vergleich des Frequenzspektrums 96 der Gleichtaktstörsignale nach Filterung durch die für die Messung der 10C zugrunde liegende Hybridfilterschaltung, also mit einer aktiven Filtereinheit und einer sekundären passiven Filterstufe, zu den Quasipeak- und Average-Frequenzspektren 97, 98 der Gleichtaktstörsignale nach Filterung durch ein übliches passives Filter mit einer Gleichtaktdrossel (insbesondere ohne netzseitige X-Kondensatoren zur besseren Vergleichbarkeit) gezeigt. Hierzu wurden lastseitige X-Kondensatoren mit 4,7 µF und lastseitige Y-Kondensatoren mit 470 nF vom Sternpunkt der X-Kondensatoren sowie eine Gleichtaktdrossel mit einer Induktivität von 1,1 mH verwendet. Unter anderem trotz der erheblich größeren Induktivität der Spule im üblichen passiven Filter ist eine deutlich bessere Filterleistung durch das hier beschriebene Hybridkonzept insbesondere im relevanten Frequenzbereich von größer oder gleich 150 kHz und kleiner oder gleich 30 MHz erkennbar.
Die in den in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Merkmale und Ausführungsbeispiele können gemäß weiteren Ausführungsbeispielen miteinander kombiniert werden, auch wenn nicht alle Kombinationen explizit beschrieben sind. Weiterhin können die in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Ausführungsbeispiele alternativ oder zusätzlich weitere Merkmale gemäß der Beschreibung im allgemeinen Teil aufweisen.
Bezugszeichenliste

1: Spule
2: Kondensator
11, 12: passive Filterstufe
20: aktive Filtereinheit
21, 22: aktive Filterstufe
91, 92: Gleichtaktstörsignale
93, 94, 95, 96, 96', 97, 98: Frequenzspektrum
100: Hybridfilterschaltung
101: Filtereinheit
102: Lastanschluss
103: Versorgungsanschluss
110: Stromleitung
111, 112, 113: Phase
200: elektrisches Gerät
201: Sensor
202: Rückkopplungseinheit
203: aktive Verstärkereinheit
204: Vorverstärkerstufe
205: Hauptverstärkerstufe
206: Ausgangswiderstand
207: Kopplungsschaltung
208: Rückkopplungswiderstand
209: Anpassungsschaltung
210: Bürdewiderstand
211: Verstärkerstufe
290: Motor
291: Frequenzumrichter
298: Netznachbildung
299: Messgerät
300: Stromnetz
1000: System
1002: Lastseite
1003: Versorgungsseite

Claims

Hybridfilterschaltung (100) zur Reduzierung von Gleichtaktstörsignalen zumindest mit Frequenzen von größer oder gleich 150 kHz in einer Stromleitung (110) mit zumindest einer Phase (111, 112, 113), aufweisend - zumindest eine erste passive Filterstufe (11) und - eine aktive Filtereinheit (20) zumindest mit einer ersten aktiven Filterstufe (21), wobei die Hybridfilterschaltung an einer Lastseite (1002) über einen Lastanschluss (102) mit einem elektrischen Gerät (200) und an einer Versorgungsseite (1003) über einen Versorgungsanschluss (103) mit einem Stromnetz (300) koppelbar ist und das Stromnetz und das elektrische Gerät direkt oder indirekt über die Stromleitung gekoppelt sind, wobei die erste aktive Filterstufe einen Sensor (201) zur Messung eines Gleichtaktstörsignals in der Stromleitung und eine Rückkopplungseinheit (202) mit einer aktiven Verstärkereinheit (203) zur Erzeugung eines dem Gleichtaktstörsignal entgegen wirkenden Kompensationssignals aufweist, das über einen Ausgang der ersten aktiven Filterstufe in die Stromleitung eingekoppelt wird, wobei die zumindest eine passive Filterstufe und die aktive Filterschaltung zwischen dem Lastanschluss und dem Versorgungsanschluss kaskadiert angeordnet sind, wobei die aktive Filtereinheit zumindest eine weitere aktive Filterstufe (22) aufweist, die zwischen der ersten aktiven Filterstufe und dem Stromnetz unmittelbar der ersten aktiven Filterstufe nachfolgend angeordnet ist, und wobei die erste aktive Filterstufe ausgebildet ist, einen höheren Ausgangsstrom bereitzustellen als die zweite aktive Filterstufe, und/oder die zweite aktive Filterstufe einen Operationsverstärker aufweist und frei von einer Hauptverstärkerstufe ist.
Hybridfilterschaltung nach Anspruch 1, wobei das Gleichtaktstörsignal einen Gleichtaktstörsignalstrom in der Stromleitung mit einer Gleichtaktstörsignalstromstärke aufweist und der Sensor ein Stromsensor ist.
Hybridfilterschaltung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die zumindest eine erste aktive Filterstufe dazu eingerichtet ist, das Kompensationssignal mit einer Kompensationssignalstromstärke zu erzeugen, die im Wesentlichen eine gleiche Amplitude wie die Gleichtaktstörsignalstromstärke aufweist, und das Kompensationssignal dem Gleichtaktstörsignalstrom im Wesentlichen entgegengesetzt in die Stromleitung eingekoppelt wird.
Hybridfilterschaltung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die aktive Verstärkereinheit der zumindest einen ersten aktiven Filterstufe zumindest eine Vorverstärkerstufe (204) und eine mit einem Ausgang des Vorverstärkerstufe gekoppelte Hauptverstärkerstufe (205) aufweist.
Hybridfilterschaltung nach Anspruch 4, wobei die Vorverstärkerstufe einen Operationsverstärker oder eine diskrete Transistorschaltung aufweist.
Hybridfilterschaltung nach Anspruch 4 oder 5, wobei die Hauptverstärkerstufe ein Klasse-B- oder Klasse-AB-Verstärker aufgebaut aus einer diskreten Transistorschaltung ist.
Hybridfilterschaltung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die erste aktive Filterstufe dazu eingerichtet ist, eine Kompensationsstromstärke von größer oder gleich 1 Ampere zu erzeugen.
Hybridfilterschaltung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei ein Ausgang des Hauptverstärkers mit einem Eingang der Vorverstärkerstufe gekoppelt ist.
Hybridfilterschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die zumindest eine erste passive Filterstufe von der aktiven Filtereinheit gesehen an der Versorgungsseite angeordnet ist.
Hybridfilterschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die zumindest eine erste passive Filterstufe von der aktiven Filtereinheit gesehen an der Lastseite angeordnet ist.
Hybridfilterschaltung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die zumindest eine erste passive Filterstufe durch zumindest eine Spule (1) und einen oder mehrere Kondensatoren (2) gebildet ist.
Hybridfilterschaltung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die erste passive Filterstufe eine Grenzfrequenz und eine Resonanzfrequenz aufweist, die kleiner als 150 kHz sind.
Hybridfilterschaltung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei eine zweite passive Filterstufe (12) vorhanden ist und die aktive Filtereinheit zwischen der ersten passiven Filterstufe und der zweiten passiven Filterstufe angeordnet ist.
System (1000), aufweisend - ein Stromnetz (300) und ein elektrisches Gerät (200), die direkt oder indirekt über eine Stromleitung (110) gekoppelt sind, - eine Hybridfilterschaltung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, die an der Lastseite (1002) über den Lastanschluss (102) mit dem elektrischen Gerät (200) und an der Versorgungsseite (1003) über den Versorgungsanschluss (103) mit dem Stromnetz (300) gekoppelt ist.