CN103828483A - 具有交流线路滤波器的漏电流低的电热器 - Google Patents

具有交流线路滤波器的漏电流低的电热器 Download PDF

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Abstract

提供了一种电源设备和包括该电源设备的器具，该电源设备包括对AC电流的噪声分量进行衰减的滤波器。滤波器没有建立用于将高频交流信号、漏电流或两者传导至接地电极的传导路径的电容器。还包括整流器，并且整流器电设置在滤波器与要通过电源电路的操作而激励的负载之间。整流器将AC电流转换为整流信号。电源设备还包括在整流器的输出端与要电连接至大地的接地电极之间建立电容式传导路径的接地电容器。接地电容器通过整流器与滤波器电分离，并且在接地导体与以下中的至少一个之间电延伸：（i）整流器中的正DC总线导体和（ii）至整流器的DC总线回路。

Description

具有交流线路滤波器的漏电流低的电热器
技术领域
本申请一般涉及用于对电信号进行滤波的方法和设备，更具体地，涉及一种电热器，该电热器包括不具有限制对地漏电流的接地电容器的交流（AC）线路滤波器。
背景技术
诸如电灶的电器将引入至该电灶的AC电流转换为例如提升食物温度的热量。像任何电气装置一样，电器由对该电流的一部分进行储存和释放的电子部件和电气部件构成。这些部件所释放的电流（通常称为漏电流）通常通过包括耦合在AC线路与地之间的接地电容器的保护导体而传导至地。在没有保护导体和接地电容器的情况下，漏电流可以潜在地通过电灶的任何导电部分或非导电部分的表面、经由任何可能为非期望的对地传导路径而释放。
还可以为电器设置电源AC线路滤波器以对沿着那些器具的AC电源线路传导的电磁干扰（EMI）的至少一部分进行衰减。释放漏电流的保护导体与接地电容器组合包括在这样的EMI滤波器中，以除了释放漏电流以外还将来自AC电流的高频干扰分流至地。传统上，已在AC电流被引入至电器的AC输入端处为电器设置了EMI滤波器。在这样的位置中，包括保护导体和接地电容器的EMI滤波器可以在AC电流随后被引入至置于滤波器与负载之间的电路部件之前对EMI进行衰减。
包括用于释放漏电流的接地电容器的常规EMI滤波器的设计已由于竞争设计利益而受到限制。另一方面，经由接地电容器释放的漏电流的值是接地电容器的电容值的函数，并且可选地与接地电容器的电容值成比例。通过最小化接地电容器的电容值，也可以最小化不期望的漏电流。
然而，另一方面，通过EMI滤波器可达到的衰减度也可以是接地电容器的电容值的函数，并且可选地与接地电容器的电容值成比例。增大接地电容器的电容值提高了EMI滤波器在对射频和相对于AC电流的频率为高频的其他噪声进行衰减方面的有效性。因此，设置有包括接地电容器的传统EMI滤波器的电器已要求对通过接地电容器来限制漏电流的期望和对AC电流的EMI进行衰减的期望进行平衡。
发明内容
根据一个方面，本申请涉及一种电热器，该电热器包括：具有输入频率的AC电流被引入至电热器的输入端；以及加热元件，响应于利用电能被电激励而产生热量。还可以提供用以对伴随AC电流传导的噪声进行衰减的滤波器。噪声的频率大于AC电流的输入频率，并且滤波器没有建立用于将高频交流信号传导至接地电极的传导路径的电容器。整流器电设置在滤波器与加热元件之间以将AC电流转换为整流信号。此外，提供了用以在整流器的输出端与接地电极之间建立电容式传导路径的接地电容器。接地电容器电设置在整流器与加热元件之间。
根据另一方面，本申请涉及一种用于驱动电负载的电源设备。该电源设备包括对AC电流的噪声分量进行衰减的滤波器。噪声分量的频率大于AC电流的频率，并且滤波器没有建立用于将高频交流信号和漏电流传导至接地电极的传导路径的电容器。还包括整流器，并且该整流器电设置在滤波器与要通过电源电路的操作而激励的负载之间以将AC电流转换为整流信号。电源设备还包括在整流器的输出端与要电连接至大地的接地电极之间建立电容式传导路径的接地电容器。接地电容器通过整流器而与滤波器电分离，并且在接地导体与以下中的至少一个之间电延伸：（i）整流器中的正直流（DC）总线导体和（ii）至整流器的DC总线回路。在该电源设备中还包括逆变器以将整流信号转换为要引入至负载的高频交流信号。
以上概述介绍了简化的概要以提供对本文所讨论的系统和/或方法的一些方面的基本了解。该概述不是对本文讨论的系统和/或方法的详尽综述。其不旨在标识关键/重要的要素或者叙述这样的系统和/方法的范围。其唯一目的是以简化形式提出一些概念作为下述的更详细描述的序言。
附图说明
本发明可以在某些部分及部分的布置中采用物理形式，上述某些部分及部分的布置的实施例将在本说明书中详细描述并且在构成其一部分的附图中示出，在附图中：
图1示出了设置有包括没有接地电容器的EMI滤波器的电源单元的电热器的说明性实施例；
图2示出了包括没有接地电容器的EMI滤波器的电源单元的说明性实施例，该电源单元还包括电连接在DC总线回路与大地之间的接地电容器；
图3示出了包括没有接地电容器的EMI滤波器的电源单元的说明性实施例，该电源单元还包括电连接在正DC总线导体与大地之间的接地电容器；以及
图4示意性地示出了没有在EMI滤波器与大地之间延伸的接地电容器的EMI滤波器的实施例。
具体实施方式
在本文中使用某些术语仅是为了方便起见，并不视为对本发明的限制。参照附图最好地理解本文使用的相关语言，其中使用相同的附图标记表示相同的或相似的项。此外，在附图中，可以以稍微示意的形式示出某些特征。
还应注意的是，在本文的多个构件之后的用语“至少一个”在本文中使用的情况下是指一个构件或不止一个构件的组合。例如，用语“第一小配件和第二小配件中的至少一个”在本申请中是指：第一小配件、第二小配件或者第一小配件和第二小配件。同样地，“第一小配件、第二小配件和第三小配件中的至少一个”在本申请中是指：第一小配件、第二小配件、第三小配件、第一小配件和第二小配件、第一小配件和第三小配件、第二小配件和第三小配件、或者第一小配件和第二小配件及第三小配件。
图1示出了具体化为电磁炉10的电热器的说明性实施例。电磁炉10与烤箱12结合地在图1中示出，但是电热器的替代实施例可以包括独立的电磁炉10本身而没有烤箱12。此外，为了清楚起见，通过电热器的剖面部分15示出电源单元14和电磁干扰（EMI）滤波器16（图2和图3），并且在本文中将电源单元14和EMI滤波器16描述为提供电能以激励例如加热元件，诸如图1所示的感应线圈18。当被激励时，感应线圈18在烹饪容器（诸如放置在感应线圈18上面的平底锅（未示出））中感应电流。然而，应理解，本文中的电源单元14和EMI滤波器16适合于供电以激励任何期望的负载，诸如当被电激励时产生热量的电阻式加热元件或任何其他类型的加热元件。
如图2和图3所示，为电磁炉10设置的电源单元14包括输入端子20，在输入端子20处，用于激励感应线圈18加热元件的AC电流被引入至电磁炉10。AC电流可以由AC电源（AC mains）输入22（诸如在住宅中常见的壁装电源插座24（图1））提供。根据说明性实施例，所提供的AC电流可以是输入频率为约60Hz以及RMS电压为约120VRMS的大致正弦信号。根据其他实施例，所提供的AC电流可以是输入频率为约50Hz以及RMS电压为约230VRMS或约240VRMS的大致正弦信号。
然后，经由输入端子20所输入的AC电流被引入至EMI滤波器16。在图4中示意性地示出了单级EMI滤波器16的示例。如所示，EMI滤波器16包括电容性C阻抗与电阻性R阻抗的并联布置以及与正信号输入端L1串联的电感性L阻抗。常规滤波器中出现的在EMI滤波器16与大地之间延伸的也通常称为Y-电容器26的接地电容器26（虚线所示）不在EMI滤波器16中。EMI滤波器16中省略的接地电容器26在图2、图3和图4中简单地用虚线描绘以示出接地电容器26在常规滤波器中相对于包括在电源单元14中的其他部件（诸如图2和图3中所示的整流器28）的位置。
如果存在于EMI滤波器26中，则接地电容器26会建立将漏电流传导至接地电极30的传导路径，当安装了电磁炉10时，接地电极30处于大地E电位。如果存在接地电容器，则图4中的滤波器的漏电流会通过如下等式表示：
Ileakage=2πfVC
其中，f是引入至滤波器的AC电流的频率，V是L1或L2/N与大地E之间的最大RMS电压，以及C是在滤波器与大地E之间延伸的所有接地电容器26的总组合电容。因此，对于给定的频率和电压，降低在滤波器与大地之间延伸的接地电容器的电容C可以将漏电流限制为期望的水平。然而，降低滤波器的总电容C会干扰线路传导的噪声发射的衰减。因此，将接地电容器26安装在滤波器与大地之间会要求漏电流减小与噪声衰减之间的折衷。相应地，图4的EMI滤波器16没有这样的在EMI滤波器16与大地之间延伸的接地电容器26。
EMI滤波器16对伴随AC电流的线路传导的噪声发射进行衰减。噪声的频率大于AC电流的输入频率。例如，AC电流的频率可以为约60Hz，而在AC电流波形中出现的噪声分量可以为至少两个数量级以上。根据说明性实施例，要从AC电流中滤除的噪声分量包括频率为至少9kHz并且可选地为至少100kHz的信号。EMI滤波器16的这样的说明性实施例还可以对频率高至5MHz并且可选地高至10MHz或20MHz以上的噪声分量进行滤波。
图2和图3所示的整流器28随后将经EMI滤波器16滤波的AC电流转换为整流信号。图2和图3所示的整流器28的说明性实施例是包括二极管32或其他适合的单向传导电路部件的全桥配置的全波整流电路。整流器28的全波实施例对AC电流的振荡波形的正半周和负半周两者进行传输。然而，波形的两个半周作为形成整流信号的正半周从整流器28发出。虽然示为全波整流器，但是整流器28可以是半波整流器，或者是用于将来自EMI滤波器16的AC电流的AC波形至少部分地转换为比AC电流的振荡波形更加单向的整流信号的任何其他设备。
平滑电容器C1可以设置在整流器28的输出端之间。平滑电容器C1建立沿着其整流信号的振荡分量可以传导至DC总线回路34的传导路径。此外，平滑电容器C1抵抗电压振荡，从而有助于整流信号的波形大体恒定。因此，由于平滑电容器C1的存在而产生的整流信号的波形与DC信号的波形非常近似。
在图2中，当安装电磁炉10时，接地电容器CY电连接在DC总线回路34与要连接至大地的接地电极35之间。对于图2所示的实施例，接地电极CY通过整流器28与EMI滤波器16分离，并且如此定位而没有为没有这样的接地电容器CY的EMI滤波器16设置。图2中的接地电容器CY在整流器28的输出端与接地电极35之间建立电容式传导路径，并且在电源设备14中电设置为位于整流器28与感应线圈18之间。
如图2所示那样放置，接地电容器CY暴露于具有大致恒定的DC波形而不是提供给EMI滤波器16的AC电流的交流波形的整流信号。认为在AC电流中传导的部分高频噪声分量在AC电流到达整流器28之前被EMI滤波器16滤除，从而使图2中的接地电容器CY暴露于仍在整流信号中的相对低的频率分量。因此，如果要为EMI滤波器16设置相同的接地电容器CY并且使接地电容器CY暴露于频率相对高的噪声分量，则在由此而产生的漏电流中，作为通过上述等式所示的频率的函数并且可选地与该频率成比例的漏电流大大减小。相应地，由于通过如图2中所示放置的接地电容器CY的漏电流比通过为滤波器设置的常规接地电容器26的漏电流低，所以相比于对于为滤波器设置的常规接地电容器26，对于接地电容器CY可以选择较大电容值以实现期望的噪声衰减性能。
然后，可以将整流信号提供给逆变器36，逆变器36将整流信号转换为要引入至感应线圈18以电激励感应线圈18的高频激励信号。逆变器36可以是现有技术中已知的、可以将大致DC信号转换为交流信号的任何适合的器件，诸如全桥逆变器。
根据说明性实施例，如图2所示替代地设置且参照图2描述的包括不具有接地电容器的EMI滤波器16的电源单元14在从约500kHz延伸到约5MHz的频率范围内实现了平均小于46dBμV的射频电压水平。这样的平均是基于使用50μH/50Ω线路阻抗稳定网络对电源线与地之间的射频电压的测量。另外，接地电容器包括将通过电容式传导路径传导的频率为约60Hz以下以及最大电压为约120VRMS的漏电流限制为小于约3500μA的电容值。对于其他实施例，接地电容器CY的电容值将通过电容式传导路径传导的频率为约60Hz以下以及最大电压为约120VRMS的漏电流限制为小于约500μA。
图3所示的说明性实施例与图2所示的说明性实施例不同之处在于，接地电容器电连接在整流器28中的正DC总线导体37与接地电极35之间。与图2所示的实施例类似，本实施例将接地电容器CY与没有任何接地电容器的EMI滤波器16电分离。如上所述，接地电容器CY暴露于整流信号而不是引入至EMI滤波器16的AC电流。与AC电流相比，整流信号具有大致恒定的DC波形而不是交流波形，而且认为伴随AC电流传导的部分高频噪声分量在那些噪声分量能够到达图3中的接地电容器CY之前就被EMI滤波器16滤除。因此，如果要为EMI滤波器16设置相同的接地电容器CY并且使接地电容器CY暴露于频率相对高的噪声分量，则在由此产生的漏电流中，上述漏电流减小。由于通过如图3中所示那样放置的接地电容器CY的漏电流比通过为滤波器设置的常规接地电容器26的漏电流低，所以相比于对于为滤波器设置的常规接地电容器26，对于接地电容器CY可以选择较大的电容值，以实现期望的噪声衰减性能。
上文已经描述了说明性实施例。对于本领域的普通技术人员而言显而易见的是，在不背离本发明的总体范围的情况下，上述装置和方法可以涵盖修改和变型。旨在包括本发明的范围内的所有这样的变型和变更。此外，就在详细描述或权利要求中使用术语“包括（include）”而言，这样的术语以与术语“包括（comprising）”类似的方式意指包括在内，就如“包括（comprising）”在被用作权利要求中的过渡词时被解释的那样。

Claims (11)

1.一种电热器，包括：
具有输入频率的AC电流被引入至所述电热器的输入端；
加热元件，响应于利用电能被电激励而产生热量；
滤波器，对伴随所述AC电流传导的噪声进行衰减，所述噪声的频率大于所述AC电流的输入频率，其中，所述滤波器没有建立用于将高频交流信号传导至接地电极的传导路径的电容器；
整流器，电设置在所述滤波器与所述加热元件之间，其中，所述整流器将所述AC电流转换为整流信号；以及
接地电容器，在所述整流器的输出端与接地电极之间建立电容式传导路径，所述接地电容器电设置在所述整流器与所述加热元件之间。
2.根据权利要求1所述的电热器，其中，所述接地电容器在正DC总线导体与接地导体之间建立电容式导电路径，其中当安装所述电热器时，所述接地导体电连接至大地。
3.根据权利要求1所述的电热器，其中，所述加热元件是当被激励时在邻近于所述加热元件放置的烹饪容器中感应电流的感应式加热元件。
4.根据权利要求1所述的电热器，还包括逆变器，所述逆变器将所述整流信号转换为被引入至所述加热元件以电激励所述加热元件的高频激励信号。
5.根据权利要求1所述的电热器，其中，在所述电热器的所述输入端与所述加热元件之间传导的射频电压包括在从约500kHz延伸到约5MHz的频率范围内小于46dBμV的平均值。
6.根据权利要求5所述的电热器，其中，所述接地电容器包括将通过所述电容式传导路径传导的漏电流限制为小于约3500μA的电容值，所述漏电流具有约60Hz以下的频率以及约120VRMS的最大电压。
7.根据权利要求6所述的电热器，其中，所述接地电容器的电容值将通过所述电容式传导路径传导的所述漏电流限制为小于约500μA，所述漏电流具有约60Hz以下的频率以及约120VRMS的最大电压。
8.根据权利要求1所述的电热器，其中，所述滤波器电设置在所述输入端与所述整流器之间，并且通过所述整流器与所述电容式传导路径电分离。
9.根据权利要求1所述的电热器，其中，所述整流器为全波整流器。
10.根据权利要求1所述的电热器，其中，所述接地电容器包括将通过所述电容式传导路径传导的漏电流限制为小于约3500μA的电容值，所述漏电流具有约50Hz以下的频率以及约240VRMS的最大电压。
11.一种用于驱动电负载的电源设备，所述电源设备包括：
滤波器，对AC电流的噪声分量进行衰减，所述噪声分量的频率大于所述AC电流的频率，其中，所述滤波器没有建立用于将高频交流信号和漏电流传导至接地电极的传导路径的电容器；
整流器，电设置在所述滤波器与要通过电源电路的操作来激励的负载之间，其中，所述整流器将所述AC电流转换为整流信号；
接地电容器，在所述整流器的输出端与要电连接至大地的接地电极之间建立电容式传导路径，所述接地电容器通过所述整流器与所述滤波器电分离，其中，所述接地电容器在接地导体与以下中的至少一个之间电延伸：（i）所述整流器中的正DC总线导体和（ii）至所述整流器的DC总线回路；以及
逆变器，将所述整流信号转换为要引入至所述负载的高频交流信号。
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