[科普中国]-频率滤波器

滤波器的性能可以用它的转移函数H(S)来描写。转移函数是输出（响应）信号y(t)与输入（激励）信号χ(t)经过拉普拉斯变换后的象函数，即Y(S)与X(S)之比式中K为比例常数，S为复频率变量。

概念用于滤除输入信号频率中不需要成分的一种电路。它是一种双口传输网络。由于它是用来对电信号的某一段频率进行选择的，又称频选滤波器。1

特性滤波器在某一频段对信号的衰减很小，而其余频段衰减很大。衰减小的这一频段称为通带，衰减大的频段称为阻带。通带与阻带之间有一个过渡区，称为过渡带。在理想情况下，通带的衰减为零，阻带的衰减为无穷大，没有过渡带。但是实际上无法实现这种陡峭的滤波特性。滤波器的实际衰减为 其单位是分贝(dB)。因为输出信号的幅值通常小于输入信号的幅值，所以|H(S)|小于1，因此衰减α(S)总是正值。1

分类按照通带和阻带所处的频段，滤波器可以分为低通、 高通、带通、带阻和全通等5类。

低通滤波器的特性是对低频信号的衰减很小，使其能够通过，而对高频信号有很大阻止作用。与此相反，阻止低频信号而通过高频信号的称为高通滤波器。1

带通滤波器的特性是在指定频段内的衰减很小而在小于和大于指定频段范围内衰减很大。

与带通滤波器相反的是带阻滤波器，它在一指定频段对信号起阻止作用，而高于和低于这频段的高频和低频信号能够顺利通过。1

还有所谓全通滤波器，它均衡地通过所有频率信号，而不改变该输入信号幅度的相对大小，只改变其相位，所以这种滤波器也称为相位校正网络。1

最普通的滤波器由电阻R、电感L和电容C等元件构成。其他各种滤波器只是元件数量和参数不同。设计滤波器时的最重要问题之一是应考虑元件值的变化（由于老化或环境温度变化所致）对衰减特性的影响程度，即灵敏度。梯形结构带通滤波器的灵敏度低，所以常被采用。1

滤波器的设计是根据给定的通带容许最大衰减αp和阻带容许最小衰减αc，由逼近理论找出能满足指标的近似函数，再综合出具体的电路结构和相应元件参数。电子电路的小型化、微型化实现了滤波器的小型化。1

双陷波开关频率滤波器LCLDT由于MOS工艺的进步，根据周期性充放电的电容C可以等效为一个电阻R的原理，构成了所谓开关电容滤波器。它的基本单元是MOS电容、MOS晶体管开关和MOS运算放大器。由于不再需要电阻和电感，整个滤波器完全集成在一块心片上。开关电容滤波器实质上是采样数据系统，所以它可直接处理连续信号，而不再需要模/数和数/模变换器。2

随着现代工业技术的不断发展，大量非线性负载和电力电子设备在电网中得到了广泛的使用，电能质量与谐波治理等相关问题受到人们越来越多的重视。有源滤波器（Active Power Filter， APF）是非常有效的谐波治理设备，其具有滤波性能好、体积小、应用灵活等特点，已经在工业领域中得到广泛应用。并联型有源滤波器的主电路通常是一个电压源变换器（Voltage Source Converters， VSCs），其采用的PWM 调制技术必然会使得输出电流中含有较高的开关频率谐波成分，对电网产生二次污染，因此通常在逆变器和电网之间接入开关频率滤波器来抑制开关谐波成分向网侧扩散。同时，PWM 变换器在分布式并网发电系统、柔性交流输电系统和电能质量调节系统等领域有着不可替代的位置，随着电力变换器发展和电能质量要求的提高，其“开关频率滤波器”也成为研究热点之一。3

只有有限的几种开关频率滤波器被用在并网逆变器和有源滤波器中。开关频率滤波器的应用必须考虑到滤波性能、滤波器成本和能耗等多种因素，具有一定难度；同时，开关频率滤波器需要满足相关电网标准的要求，IEEE 519—2014 规定：电网中35 次以上的谐波电流成分必须小于基波电流的0.3%。有源滤波器作为电网谐波治理的有效设备，为了避免电网的二次污染，其对开关频率滤波器的要求比一般电力设备更为严格。另外，随着逆变器开关频率的提高和材料价格的不断上涨，也需要提出性能更为优异的开关频率滤波器。含有源滤波器的逆变器输出端常采用L 滤波器或LCL 滤波器。L 滤波器的优点是结构简单，但是为了获得良好的滤波性能需要较大的电感值，这样不仅增加了损耗和成本，同时增加了控制系统惯性，降低了电流的响应速度。3

本词条内容贡献者为:

王沛 - 副教授、副研究员 - 中国科学院工程热物理研究所