面向电动汽车AM无线电抗电磁干扰的可调谐陷波滤波器研究

《IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility》：A Tunable EMI Notch Filter for AM Radio in Electrical Vehicles

本文针对电动汽车(EV)驱动系统产生的电磁干扰(EMI)严重影响调幅(AM)无线电接收、甚至导致部分车企直接取消AM收音机功能的问题，介绍了一种新型可调谐双级陷波滤波器(NF)。该研究通过结合磁芯饱和原理的可调电感与介质偏置技术的可调电容，实现了滤波器在540-750 kHz频段内的连续实时调谐。在50/50 Ω端接阻抗下，滤波器插入损耗(IL)高达60 dB；在基于GaN直流/直流转换器的真实噪声源测试中，对差模电流(IDM)的抑制达到30 dB，性能与体积庞大的传统低通滤波器(LPF)相当，但电感值减小33倍，显著降低了尺寸与重量。这项工作为电动汽车中AM无线电功能的保留提供了一种紧凑高效的EMI抑制解决方案。

　　

想象一下，当您驾驶着现代、安静的电动汽车行驶在公路上，突然需要收听紧急广播以获取极端天气或道路封闭等重要信息时，却发现AM收音机频道充满了滋滋啦啦的噪声，甚至完全无法接收。这并非虚构的场景，而是随着电动汽车普及日益凸显的现实问题。电动汽车的“心脏”——其驱动系统及相关电力电子设备（如直流/直流转换器）在运行时会产生显著的电磁干扰(EMI)。这些干扰尤其容易影响工作在535 kHz至1705 kHz频段的AM广播接收。AM无线电因其信号传播距离远、可靠性高，在紧急情况下（如自然灾害导致其他通信网络中断时）扮演着不可或替代的公共安全角色。正因如此，部分汽车制造商选择直接移除EV中的AM收音机功能，引发了立法者与公共安全部门的担忧，甚至催生了如“AM Radio for Every Vehicle Act”这类旨在强制新车保留AM收音机的法案。问题的核心在于，传统的EMI抑制方法，如低通滤波器(LPF)，虽然有效，但往往体积大、重量重，与电动汽车对空间和重量的严苛要求相悖。因此，开发一种既能有效抑制特定窄带EMI，又具备紧凑轻量化特点的解决方案，对于保障电动汽车的AM无线电功能至关重要。

为解决上述问题，发表在《IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility》上的这项研究，提出并验证了一种创新的可调谐双级陷波滤波器(NF)。该滤波器的核心创新在于其谐振频率可根据需要实时动态调整，从而精准抑制当前AM电台所在频点的干扰噪声。

研究人员为开展此项研究，主要应用了以下几项关键技术方法：首先，基于电磁理论设计了经典的双级陷波滤波器拓扑结构，包括串联LC谐振构成的通级(PS)和并联LC谐振构成的阻级(SS)，并理论分析了端接阻抗对滤波器性能的影响。其次，创新性地实现了关键无源元件的连续电调谐：利用铁氧体磁芯饱和效应制备了用于PS的可调电感器(L_PS)，通过改变偏置电流(I_BIAS)实现电感值连续调节；利用介质偏置效应制备了用于SS的可调电容器(C_SS)，通过改变偏置电压(V_BIAS)实现电容值连续调节。此外，研究还构建了全面的测试平台，依据CISPR 17标准在50/50 Ω端接条件下评估滤波器性能，并进一步在一个实际的GaN直流/直流转换器作为噪声源的系统中，测量滤波器在时变端接阻抗下的真实衰减性能，以验证其在实际应用场景中的有效性。

滤波器理论基础与拓扑选择

研究首先从陷波滤波器的基本原理入手。其拓扑采用经典的双级设计，即Z_S-PS-SS-Z_L或Z_S-SS-PS-Z_L结构。谐振频率由f_r = 1/(2π√(LC))决定。理论分析表明，滤波器的插入损耗(IL)强烈依赖于源阻抗(Z_S)和负载阻抗(Z_L)。通过推导不同拓扑下的IL公式并仿真其随阻抗变化的关系，研究人员确定，当噪声源阻抗较低（如直流/直流转换器）而负载阻抗较高（如线路阻抗稳定网络LISN，通常为50 Ω）时，采用Z_S-SS-PS-Z_L（即“翻转”拓扑）能获得最佳衰减效果。这为后续在实际系统中的滤波器方向选择提供了理论依据。

可调元件的设计与性能

为实现谐振频率的连续调谐，研究重点设计了两个关键可调元件。PS中的可调电感器(L_PS)基于磁芯饱和原理，通过一个独立的直流偏置线圈施加电流(I_BIAS)来改变磁芯的相对磁导率(μ_r)，进而线性调节电感值。测量结果显示，通过改变I_BIAS（0至1.2 A），PS的谐振频率可在450 kHz至800 kHz范围内连续可调，最大差模(DM)衰减达26-30 dB。同时，观察到明显的磁滞效应，即电流增加和减少路径对应的谐振频率存在差异。

SS中的可调电容器(C_SS)则利用介质偏置效应，通过施加直流偏置电压(V_BIAS)改变介质的相对介电常数(ε_r)，从而调节电容值。在V_BIAS从0 V变化至46 V时，SS的谐振频率在560 kHz至800 kHz间可调，DM衰减稳定在28.5-29.5 dB，且磁滞效应远小于可调电感。此外，SS也提供了15-18 dB的共模(CM)衰减。

双级可调陷波滤波器的整体性能

将可调PS和SS集成后，构成了完整的双级可调陷波滤波器。在50/50 Ω标准端接条件下，通过协调控制I_BIAS和V_BIAS，滤波器在550 kHz至750 kHz频带内实现了56-64 dB的DM衰减，性能与一个使用330 μH大电感的传统两阶LPF相当。然而，可调NF中使用的电感值仅为传统LPF的1/33，这显著减小了滤波器的体积和重量，对于空间受限的电动汽车应用极具吸引力。CM衰减方面，LPF略优于NF约3 dB。

真实噪声环境下的性能验证

为评估滤波器的实际效能，研究将其置于一个以GaN直流/直流转换器为噪声源的系统中进行测试。该环境的源阻抗(Z_S)是时变且未定义的，更接近真实车载条件。结果表明，滤波器拓扑对性能影响显著。采用“翻转”拓扑(Z_S-SS-PS-Z_L)时，可调NF对差模电流(I_DM)的衰减达到25-35 dB，对差模电压(V_DM)衰减为10-19 dB，对共模电流(I_CM)和电压(V_CM)也有一定抑制效果。虽然整体衰减值低于50/50 Ω条件，但其性能与LPF相当甚至更优，并且在整个频段内衰减更稳定。这证实了所提出滤波器在复杂真实EMI环境下的适用性。

综上所述，这项研究成功设计并验证了一种适用于电动汽车AM无线电频段EMI抑制的可调谐双级陷波滤波器。该滤波器通过创新的可调电感和可调电容技术，实现了谐振频率在540-750 kHz范围内的连续、实时电调谐，能够精准跟踪并抑制当前AM电台频点的干扰。其核心优势在于，在提供与传统低通滤波器相媲美的高衰减性能的同时，显著减小了滤波器的尺寸和重量（电感值降低33倍），这对于空间和重量极其敏感的电动汽车应用具有重要意义。研究不仅通过了标准的50/50 Ω阻抗测试，更在真实的GaN直流/直流转换器噪声源环境下验证了其有效性，表明该方案能够应对实际车载系统中时变、低阻抗噪声源的挑战。这项工作为解决电动汽车AM无线电接收的电磁兼容性问题提供了一种切实可行、紧凑高效的替代方案，有力地支持了AM无线电这一重要公共安全通信手段在未来的电动汽车中得以保留和发展。未来的研究方向可能包括进一步优化可调元件的性能以减少磁滞、扩展调谐频率范围以及探索更智能的自动调谐控制策略。