模拟有源滤波器的电路设计

4 模拟有源电力滤波器的噪声和干扰抑制

模拟电子电路有其自身的特点，由于本有源电力滤波器使用的是全模拟电路，故在模拟信号的放大、运算以及传输过程中不可避免地会引入外界和内部的一些无规则信号及干扰。如果无规则信号及外部干扰很强，若其大小可与正常工作信号相比较，那么势必给模拟有源电力滤波器的谐波抑制性能造成破坏。所以，在模拟电路的设计阶段就应进行抗干扰和滤除噪声的设计。

噪声及干扰的消除和抑制一般有屏蔽、接地和滤波等几种措施。但也应该根据其产生的性质分别加以处理。
对于元器件本身所产生的噪声，只能在器件选型中加以注意。应尽量选用低噪声、高精度的集成芯片。现代的模拟电子已经发展的很成熟，各种模拟元件都能达到令人满意的性能。对于电阻的热噪声，设计中应尽量做到不将噪声在最后结果中放大，故应在放大电路中选用较小阻值的电阻。热噪声会随带宽的增加而增加，并由于有源电力滤波器所针对的电力系统本身的电压、电流频率不高，因此，模拟电路可采用较低频率带宽的运算放大器来降低热噪声的影响。

对于接地噪声，可减小公共地线部分的阻抗，这样，公共地线上的电压也会随之减小，从而控制公共阻抗耦合。具体做法是地线联结采用较粗的导线并尽量减短。减小地线阻抗的核心问题是减小地线的电感。可在电路中采用多条相距较远的并联导体作为接地线。

对于辐射噪声，则应该采用屏蔽方式予以抑制和消除。屏蔽的方式有静电屏蔽、磁性屏蔽及电磁屏蔽等方式。屏蔽的结构可以将干扰源或受干扰元件用屏蔽罩屏蔽起来。具体采用何种方式，取决于屏蔽的噪声对象。
本设计采用并联电容对电路的直流电源进行稳压和滤波，电容的特性是对直流开路，对高频呈现低阻抗特性。所以，采用加设旁路电容可对高频噪声旁路。本电路中采用电解电容和瓷石两种电容并联方式进行联接。这是因为电解电容的电容值可以做得比较大，采用电解电容主要还可起到稳压作用。但是，电解电容的高频特性差强人意，所以要对高频噪声旁路，故应再并联一个瓷片电容。

通过以上措施，模拟电路的噪声抑制情况会有较好的改善，其可检测到的噪声信号在mV级。

5 模拟有源滤波器的主电路及接入方式

目前应用的有源滤波器多种多样，但总的来说，其主电路都是基于脉冲调制(PWM)变流器的，由于变流器有电压型变流器(VSC)和电流型变流器(CSR)两种。两种变流器都可以应用于各种有源电力滤波器中。电压型PWM整流器最显著的拓扑特征就是直流侧采用电容进行直流储能，从而使VSR直流侧呈低阻抗的电压源特征；电流型PWM整流器的拓扑结构的最显著特征就是直流侧采用电感进行直流储能，从而使CSR直流侧呈高阻抗的电流源特性。

电流源型结构更容易跟踪补偿负荷的谐波电流。但电流源型式的主电路损耗较大，在交流侧需要加装更大的滤波电容来滤除不需要的谐波电流，且电流源型结构不利于多重化。因而限制了有源电力滤波器的容量。而电压源型有源电力滤波器具有结构简单、质量轻、损耗小、价格便宜，可降低开关器件的开关频率等优点，因而一直在有源电力滤波器中得到广泛应用。基于此，本文采用电压型变流器作为基于全模拟器件的有源滤波器的逆变器。

构成变流器的核心是开关器件有MOSFET管、绝缘门极双极型晶体管(IGBT)、门极可关断晶闸管(GTO)、集成门极晶闸管IGCT等几种可供选择。选择器件的首要条件是根据有源电力滤波器所需滤除谐波频率来确定器件的开关频率，然后根据有源电力滤波器的容量与电压、电流等级来选择合适的器件。对于高频小容量的有源电力滤波器，一般可选用MOSFET器件，因其开关频率很高，因而适用于滤除高频率的谐波。而对于大容量低频率的场合，则应选择GTO／IGCT器件。但在有源滤波器中应用最广泛的还是IGBT，这是因为IGBT驱动简单，其开关频率和容量适中。

5．1 并联型有源电力滤波嚣

电力系统的谐波有两类，即电流源型谐波源与电压源型谐波源。因为理想电流源的内阻是无穷大，因此，采用串联补偿的方式不能滤除谐波。而对于电流源型谐波源，只能采用并联滤波进行分流才能对注入到电力系统中的谐波进行抑制。滤波效果与成本会因为谐波源的性质是偏于电流源还是偏于电压源而有所不同。如果谐波是由用户自己产生，则基本属于电流源型，故应采取并联滤波。

为消除各节点电压的谐波，应该采用就近并联谐波补偿等措施，补偿谐波电流与非线性负荷注入谐波电流大小相等，方向相反，从而使各个节点注入的谐波电流为零，以最终消除各个节点电压的谐波。并联型有源电力滤波器的等效电路如图6所示。