CN104065259A - 滤波装置、功率转换器及共模噪声抑制方法 - Google Patents

Abstract

一种滤波装置、功率转换器及共模噪声抑制方法，其中该滤波装置连接在交流电压单元与功率转换器的半导体开关单元之间，用以滤除电路中的共模噪声，该滤波装置包括：滤波电容部，一端连接至该交流电压单元，另一端经由低阻抗元件而连接至该半导体开关单元的直流端，其中该滤波电容部的两端以及该半导体开关单元的直流端均是功率转换器的静地端；滤波电感部，具有四个连接端，其中第一连接端连接至该交流电压单元，第二连接端连接至该半导体开关单元的交流端，而第三连接端连接至该功率转换器的静地端之一；以及补偿部，一端连接至该滤波电感部的第四连接端，另一端接地。本申请结构简单，造价低廉，且对共模噪声的滤除效果更为彻底。

Description

滤波装置、功率转换器及共模噪声抑制方法

技术领域

本申请涉及一种滤波装置或功率转换器，尤其是涉及一种能够抑制共模噪声的滤波装置、功率转换器及其应用系统及共模噪声抑制方法

背景技术

图1所示为基本的三相功率转换器的拓扑结构，该功率转换器包括：功率转换单元（或称半导体开关单元）12，其包括：分别由两组半导体开关元件串联连接而组成的三个桥臂，作为交流端的三个桥臂的中点A、B和C，以及由直流母线滤波电容CB0、CB1和CB2分别形成的直流端O、P和Q，其中O为滤波电容CB1和CB2的共用端；滤波电感组14’，其一端与电网11相连接，另一端与半导体开关单元12的桥臂中点A、B和C相连；滤波电容组13，其包括星形连接的三个滤波电容C_x，每个滤波电容C_x的一端与电网11连接，另一端彼此相连以构成中性点N。该滤波电感组14’与该滤波电容组13组成差模滤波器。

其中电网11也可称为交流电压单元，例如其可以是约为50HZ的交流电压，如电网侧的三相交流电源（用于给其他设备供电）或电机侧的功率接收单元（用于接收由电机生成的电能）。

此外，该功率转换器还可包括电源阻抗稳定网络（LISN）16，它是用来进行传导电磁干扰测试时的辅助设备。

假设C0为连接有直流母线滤波电容CB0、CB1或CB2的直流母线与地之间的分布电容，C_1A、C_1B和C_1C分别为半导体开关单元的每一个桥臂中点对地的分布电容。直流母线以及桥臂中点的对地电位跳变会通过该分布电容产生位移电流，位移电流流入地，形成共模噪声。为了满足相应的国际电磁兼容标准，如何更有效，更低成本地抑制共模噪声，是业界普遍关注的问题。

图2示出一个现有的共模噪声抑制方案，其使用无源共模滤波器17抑制共模噪声。该共模滤波器包括共模电感171和一组由星形连接的三个滤波电容C_y形成的滤波电容172。该共模电感往往体积较大，成本较高。而且当要求共模电感的共模感量较大时，该共模电感甚至很难设计。

另一类现有技术通过减小原始共模噪声，从而减小对共模滤波器的要求。如图3所示，将滤波电容组13的中性点N与直流母线的中点O相连，由于N为一个虚拟中性点，其电位较稳，将直流母线与该虚拟中性点相连后，母线的对地电位也被钳位到稳定电位，因而可以改善共模噪声。该方案的另一变形为如图4所示，考虑到直接连接时，连接线上的零序分量电流可能会较大，则可以在滤波电容的中性点N与直流母线的中点O之间的连接线上串入一个电容，以将零序分量的电流控制到适当的数值。但是这一类方案只能抑制通过直流母线对地的分布电容C0流入地的共模噪声，对于通过桥臂中点对地电容C_1A、C_1B和C_1C引起的共模电流，则不但不能抑制，反而还会增加。

发明内容

为了克服现有技术中的缺陷，本发明的目的在于提供一种滤波装置、功率转换器及共模噪声抑制方法，用以滤除该功率转换器中的共模噪声。

本发明的进一步目的在于以具有紧凑结构和较低造价的过滤装置来实现对该功率转换器中的共模噪声的良好滤除。

根据本申请的一个方案，提供一种滤波装置，连接在交流电压单元与功率转换器的半导体开关单元之间，用以滤除电路中的共模噪声，该滤波装置包括：滤波电容部，一端连接至该交流电压单元，另一端经由低阻抗元件而连接至该半导体开关单元的直流端，其中该滤波电容部的两端以及该半导体开关单元的直流端均是功率转换器的静地端；滤波电感部，具有四个连接端，其中第一连接端连接至该交流电压单元，第二连接端连接至该半导体开关单元的交流端，而第三连接端连接至该功率转换器的静地端之一；以及补偿部，一端连接至该滤波电感部的第四连接端，另一端接地。

根据一个实施例，该滤波电感部包括电感，该电感包括：主绕组，其两端分别作为该第一连接端和该第二连接端；以及辅助绕组，与该主绕组耦合，其对应于该主绕组的第二连接端的同名端作为该滤波电感部的第三连接端，其另一端作为该滤波电感部的第四连接端。

根据一个实施例，该半导体开关单元包括至少一跳变端，该滤波电感部的辅助绕组与其主绕组的耦合使得该辅助绕组的电压跳变方向与该功率转换器的至少一跳变端的电压跳变方向相反。

根据一个实施例，该半导体开关单元的直流端为高电位端、低电位端或中性电位端至少之一。

根据一个实施例，该低阻抗元件的阻抗值小于该滤波电感部的主绕组的阻抗值的1/2。

根据一个实施例，该低阻抗元件为导线或电容。

根据一个实施例，该补偿部包括容性阻抗元件。

根据一个实施例，该容性阻抗元件为电容。

根据一个实施例，该补偿部还包括与该容性阻抗元件串联的电阻。

根据一个实施例，该交流电压单元具有三相交流电压，并具有分别与该滤波电感部的第一连接端连接的三相交流端子，且该半导体开关单元的交流端包括三个交流端。

根据一个实施例，该滤波电容部包括三个电容，每个电容的一端分别连接至所述三相交流端子之一，而每个电容的另一端彼此连接以形成作为该功率转换器的静地端之一的中性点。

根据一个实施例，该滤波电感部包括三个电感，其中第一电感包括第一主绕组和第一辅助绕组，第二电感包括第二主绕组和第二辅助绕组，第三电感包括第三主绕组和第三辅助绕组，每个所述主绕组的第一端作为所述滤波电感部的第一连接端分别连接至所述三相交流端子之一，且其第二端作为所述滤波电感部的第二连接端分别连接至该半导体开关单元的三个交流端之一，所述第一辅助绕组的第一端作为所述滤波电感部的第三连接端连接至该功率转换器的静地端之一，所述第二辅助绕组的第一端连接至所述第一辅助绕组的第二端，所述第三辅助绕组的第一端连接至所述第二辅助绕组的第二端，所述第三辅助绕组的第二端连接端作为所述滤波电感部的第四连接端连接至该补偿部。

根据一个实施例，该滤波电感部包括三个电感，每个电感的主绕组的第一端作为所述滤波电感部的第一连接端分别连接至所述三相交流端子之一，且其第二端作为所述滤波电感部的第二连接端分别连接至该半导体开关单元的三个交流端之一，每个电感的辅助绕组的第一端作为所述滤波电感部的第三连接端分别连接至该功率转换器的静地端之一，并且每个电感的辅助绕组的第二端作为所述滤波电感部的第四连接端连接至该补偿部。

根据一个实施例，该交流电压单元具有单相交流电压，且具有分别与该滤波电感部的第一连接端连接的两个交流端子，且该半导体开关单元的交流端包括两个交流端。

根据一个实施例，该滤波电容部包括两个电容，每个电容的一端分别连接至所述两个交流端子之一，而每个电容的另一端彼此连接以形成作为该功率转换器的静地端之一的中性点。

根据一个实施例，该滤波电感部包括两个电感，其中第一电感包括第一主绕组和第一辅助绕组，第二电感包括第二主绕组和第二辅助绕组，每个所述主绕组的第一端作为所述滤波电感部的第一连接端分别连接至所述两个交流端子之一，且其第二端作为所述滤波电感部的第二连接端分别连接至该半导体开关单元的两个交流端之一，所述第一辅助绕组的第一端作为所述滤波电感部的第三连接端连接至该功率转换器的静地端之一，所述第二辅助绕组的第一端连接至所述第一辅助绕组的第二端，所述第二辅助绕组的第二端作为所述滤波电感部的第四连接端连接至该补偿部。

根据一个实施例，该滤波电感部包括两个电感，每个所述主绕组的第一端作为所述滤波电感部的第一连接端分别连接至所述两个交流端子之一，且其第二端作为所述滤波电感部的第二连接端分别连接至该半导体开关单元的两个交流端之一，每个电感的辅助绕组的第一端作为所述滤波电感部的第三连接端分别连接至该功率转换器的静地端之一，并且每个电感的辅助绕组的第二端作为所述滤波电感部的第四连接端连接至该补偿部。

根据一个实施例，该滤波电感部的辅助绕组的补偿电压与补偿部等效阻抗的乘积等于该半导体开关单元的等效共模电压及等效共模阻抗的乘积的0.5倍至1.5倍。

根据一个实施例，中所述半导体开关单元为AC-DC或DC-AC半导体开关单元。

根据一个实施例，所述半导体开关单元为两电平、三电平或多电平半导体开关单元。

根据本申请的另一个方案，提供一种功率转换器，包括如上所述的滤波装置，该功率转换器还包括半导体开关单元，其中所述滤波装置连接至交流电压单元与该半导体开关单元之间。

根据一个实施例，在该滤波装置与交流电压单元之间还连接有电磁干扰滤波器。

根据一个实施例，该电磁干扰滤波器为差模滤波器或共模滤波器。

根据本申请的又一个方案，提供一种共模噪声抑制方法，包括使用如上所述的滤波装置中的滤波电容部、滤波电感部和补偿部来滤除电路中的共模噪声。

本申请相比现有技术而具有以下优点：

在本申请的过滤装置中，滤波电容部采用的就是现有的功率转换器基本结构中的滤波电容，无须另外设置额外的电容元件，而滤波电感部也仅仅是在原有的每个滤波电感上各增加一组辅助绕组而已。此外，由于每个滤波电感的辅助绕组上仅有补偿电流，而没有功率电流流过，因而各辅助绕组的绕线可以做的很细，则辅助绕组的造价也非常低廉。

因而，相比于现有技术中的共模电感滤波方案，本申请的过滤装置的结构更为紧凑、造价大为降低，也更易于实现。而相对于仅采用滤波电容中性点N与直流母线的中点O相连的技术方案，本申请对共模噪声的滤除更为彻底，不仅可以抑制通过直流母线对地的分布电容流入地的共模噪声，还能抑制通过桥臂中点对地的电容C_1A、C_1B和C_1C引起的共模电流。

附图说明

参见如下的附图来详细描述配置和实施例，其中以相同的附图标记指代相同的元件。

图1是示出基本的三相功率转换器的拓扑结构的视图；

图2是示出现有的三相功率转换器的共模噪声抑制方案之一的视图；

图3是示出现有的三相功率转换器的共模噪声抑制方案之二的第一示例的电路图；

图4是示出现有的三相功率转换器的共模噪声抑制方案之二的第二示例的电路图；

图5是示出根据本申请的第一实施例的滤波装置的电路图；

图6是示出根据本申请的第一实施例的滤波装置的第一示例的电路图；

图7是示出根据本申请的第一实施例的滤波装置的第二示例的电路图；

图8是示出图6所示实施例的滤波装置的等效共模噪声模型的视图；

图9是示出图8所示等效共模噪声模型的进一步的等效模型的视图；

图10是示出图6所示实施例的滤波装置的相关电压和电流的波形图；

图11是示出根据本申请的第一实施例的滤波装置的第三示例的电路图；

图12是示出根据本申请的第一实施例的滤波装置的第四示例的电路图；

图13是示出根据本申请的第一实施例的滤波装置的第五示例的电路图；

图14是示出根据本申请的第一实施例的滤波装置的第六示例的电路图；

图15a是示出本申请的两电平半导体开关单元的配置示例的视图；

图15b是示出本申请的三电平半导体开关单元的配置示例的视图；

图16是示出根据本申请的第二实施例的滤波装置的电路图；

图17是示出根据本申请的第三实施例的滤波装置的电路图；

图18是示出本申请的功率转换器应用系统的第一示例的视图；

图19是示出本申请的功率转换器应用系统的第二示例的视图；以及

图20是示出本申请的功率转换器应用系统的第三示例的视图。

其中，附图标记说明如下：

11-交流电压单元； 12-半导体开关单元；

13-滤波电容部（滤波电容组） 14-滤波电感部；

14’-滤波电感组； 15-补偿部；

16-电源阻抗稳定网络； 17-无源共模滤波器；

21-逆变器单元（变频器）； 22-以及电机；

23-输出滤波电容部； 24-输出滤波电感部；

141～143-滤波电感； A、B和C-交流端；

O、P和Q-直流端； L_A、L_B和L_C-主绕组；

L_A’、L_B’和L_C’-辅助绕组； u_AO、u_BO和u_CO-跳变电压；

C₁、C_1A、C_1B和C_1C-跳变端的分布电容； u_CM-共模电压；

C_CM-共模电容； i_CM-补偿前的共模电流；

i_CM’-补偿后的共模电流； U_comp-补偿电压；

C_comp-补偿电容； 151、152和153-容性阻抗。

具体实施方式

以下将结合附图具体描述本申请的多个实施方式。为明确说明起见，多个实施例的细节将在以下叙述中一并说明。然而，应了解到，这些实施例的细节不应该被用以限制本申请。

图5是示出根据本申请的第一实施例的滤波装置的电路图。

如图5所示，由半导体开关单元12和滤波装置共同构成功率转换器，该功率转换器接收交流电压单元11的交流电压。该滤波装置连接在交流电压单元11与功率转换器的半导体开关单元12之间，用以滤除电路中的共模噪声。其中该交流电压单元11具有低频交流电压，其频率例如为约50Hz，或者约60Hz。该半导体开关单元12包括一组交流端A、B和C，以及一组直流端O、P和Q，所述交流端A、B和C之间的电压为高频调制的低频交流电压，常见的调制方法包括正弦脉宽波调制SPWM，空间矢量调制等。所述直流端O、P和Q具有高电位、低电位或中性电位至少之一，所述直流端O、P和Q之间的电压为直流电压。

该滤波装置可包括：滤波电容部13，一端分别连接至该交流电压单元11，另一端彼此连接而形成一个中性点N，该中性点N经由低阻抗元件而连接至该半导体开关单元12的直流端O、P和Q之一；滤波电感部14，具有四个连接端，其中第一连接端连接至该交流电压单元11，第二连接端分别连接至该半导体开关单元的交流端A、B和C，而第三连接端连接至该滤波电容部13的上下两端之一或该半导体开关单元12的直流端O、P和Q之一；以及补偿部14，一端连接至该滤波电感部14的第四连接端，另一端接地。该补偿部可包括容性阻抗元件。

其中，该低阻抗元件可被定义为：在所关注的频段（例如9kHz-1MHz）之内，其阻抗小于滤波电感14的主绕组的阻抗的1/2。该低阻抗元件例如可为导线或阻抗较小的电容等。

对于一个功率转换器而言，其电路节点按其对地电压的变化情况，可分为静地端和跳变端。其中，静地端是指对地电压不跳变或跳变频率远小于所述半导体开关单元12的开关频率（例如至少为十分之一）的点，而跳变端是指对地电压跳变频率等于或接近该开关频率的点。以图5为例，因为低频交流电压单元11的频率仅为50-60Hz，远远小于半导体开关单元12的开关频率（通常在600Hz以上），因而低频交流电压单元11的三相端子Ua、Ub和Uc可属于功率转换器的静地端，滤波电容13的各电容C_x直接与三个端子Ua、Ub和Uc相连，因而也属于静地端，而滤波电容13的中性点N仅通过低阻抗元件（电容C_x）与三个端子Ua、Ub和Uc相连，也为静地端，此外，由于该中性点N和半导体开关单元12的直流端O、P和Q之间同样仅通过低阻抗元件连接，所以直流端O、P和Q也为静地端。另一方面，半导体开关单元的交流端A、B和C则由于直接连接至以高频率切换的开关元件而属于功率转换器的跳变端。

如上所述，可知功率转换器的静地端应该是指与低频交流电压单元11通过低阻抗元件相连的所有点。这里的低阻抗元件的含义也如同之前的定义，即，在所关注的频段（例如9kHz-1MHz）之内，其阻抗小于滤波电感14的主绕组的阻抗的1/2，该低阻抗元件例如包括电容Cx。

滤波电感部14可包含多个滤波电感，其中每一个滤波电感均包括主绕组和辅助绕组，主绕组的两端分别作为该滤波电感部14的第一连接端和第二连接端，而辅助绕组与主绕组耦合，其对应于该主绕组的第二连接端的同名端作为该滤波电感部14的第三连接端，其另一端则是对应于该主绕组的第一连接端的同名端，作为该滤波电感部14的第四连接端。

具体而言，主绕组L_A、L_B和L_C的一端（作为该滤波电感部14的第一连接端）分别与低频交流电压单元11连接，并且可将主绕组L_A、L_B和L_C的与低频交流电压单元11连接的这些端子定义为主绕组的静地端，主绕组L_A、L_B和L_C的另一端（作为该滤波电感部的第二连接端）分别与半导体开关单元12的交流端A、B和C连接，并且可将主绕组L_A、L_B和L_C的与半导体开关单元12的交流端A、B和C连接的这些端子定义为主绕组的跳变端。辅助绕组L_A’、L_B’和L_C’同样也存在两个端子，辅助绕组与主绕组的跳变端为同名端的端子可被定义为辅助绕组的静地端，与主绕组静地端为同名端的端子可被定义为辅助绕组的跳变端。在将各辅助绕组首尾串联后，辅助绕组的静地端之一（例如L_A’的静地端，作为该滤波电感部14的第三连接端）与功率转换器的静地端之一相连，辅助绕组的跳变端之一（例如L_C’的跳变端，作为该滤波电感部14的第四连接端）与补偿部14相连。

其中针对该半导体开关单元12的跳变端，该滤波电感部14的辅助绕组L_A’、L_B’和L_C’按照上述方式分别与其主绕组L_A、L_B和L_C相耦合，使得该辅助绕组L_A’、L_B’和L_C’的电压跳变方向与该功率转换器的跳变端的电压跳变方向相反。

在所关注的频段（例如9kHz-1MHz）之内，补偿部15的阻抗呈现容性特性，所述补偿部15的一端与滤波电感辅助绕组的跳变端相连，另一端接保护地。

图6是示出根据本申请的第一实施例的滤波装置的第一示例的电路图。

在如图6所示的示例中，交流电压单元11是三相交流电压，其具有三相交流端子Ua、Ub和Uc；半导体开关单元12由六对半导体开关元件两两串联而组成三个桥臂，滤波电感部14包括三个电感，这三个电感中的主绕组L_A、L_B和L_C的每一个的一端连接至交流电压单元11的三相交流端子Ua、Ub和Uc之一，另一端连接至半导体开关单元12的三个桥臂的中点A、B和C之一。电容CB1与CB2为半导体开关单元直流侧的滤波电容，两个电容的共用端为O。滤波电容13的中性点N通过一段导线（低阻抗元件）与半导体开关单元12的直流共用端O连接，且补偿部15中的容性阻抗元件是电容。

图8是示出图6所示实施例的滤波装置的等效共模噪声模型的视图。图9是示出图8所示等效共模噪声模型的进一步的等效模型的视图。图10是示出图6所示实施例的滤波装置的相关电压和电流的波形图。

下面结合图8和图9的噪声模型具体说明本申请的共模噪声滤除原理。假设u_AO、u_BO和u_CO分别为跳变端A、B和C对静地端O之间的电压。C_1A、C_1B和C_1C分别为跳变端A、B和C对地的分布电容。跳变电压在这些分布电容上生成位移电流，位移电流流入地，形成共模电流（此共模电流即为共模噪声）。在本申请中，通过在滤波电感14中的各电感中分别设置一个辅助绕组而形成补偿电压U_comp，由于辅助绕组L_A’、L_B’和L_C’上的电压跳变方向与该功率转换器的跳变端A、B和C处的电压跳变方向相反，则该补偿电压的相位与跳变电压u_AO、u_BO和u_CO的相位相反。这样，该补偿电压通过补偿部15的补偿电容而形成的电流与原共模电流方向相反，这样，流过电源阻抗稳定网络（LISN）16的共模电流就可以相互抵消，从而使得共模噪声得到抑制。

利用电路原理戴维南定理，图8可以进一步等效为图9所示的模型。其中，假设跳变端A、B和C的总跳变电压（或称为共模电压）为u_CM，而跳变端A、B和C的总跳变电容（或称为共模电容）为C_CM，则它们应满足下列公式：

$u_{\mathrm{CM}}=\frac{u_{\mathrm{AO}}-C_{\mathrm{lA}}}{C_{\mathrm{lA}}+C_{\mathrm{lB}}+C_{\mathrm{lC}}}+\frac{u_{\mathrm{BO}}-C_{\mathrm{lB}}}{C_{\mathrm{lA}}+C_{\mathrm{lB}}+C_{\mathrm{lC}}}+\frac{u_{\mathrm{CO}}-C_{\mathrm{lC}}}{C_{\mathrm{lA}}+C_{\mathrm{lB}}+C_{\mathrm{lC}}}$ 公式1

$C_{\mathrm{CM}}=C_{\mathrm{lA}}+C_{\mathrm{lB}}+C_{\mathrm{lC}}$ 公式2

因此，如果补偿电压和补偿电容满足：

$u_{\mathrm{CM}}\·C_{\mathrm{CM}}=u_{\mathrm{Comp}}\·C_{\mathrm{Comp}}$ 公式3

共模电流就可以得到补偿。

亦即，为了获得良好的共模噪声滤除效果，该滤波电感部的辅助绕组的补偿电压U_comp应该与该半导体开关单元的交流端的跳变电压的相位相反，该滤波电感部的辅助绕组的补偿电压U_comp与补偿部15的补偿电容C_comp的乘积应该大致等于该半导体开关单元的交流端的共模电压及共模电容的乘积。

在实际工程应用中，允许存在一定的补偿误差，只要u_Comp*C_Comp在u_CM*C_CM的0.5至1.5倍之间，均可以获得明显的补偿（即共模噪声滤除）效果。

考虑到三相电路的对称型，一种较佳的情况为：C_1A=C_1B=C_1C=C₁，

则u_CM=（u_AO+u_BO+u_CO）/3

C_CM=3C₁

此时可以选择各辅助绕组L_A’、L_B’和L_C’的匝数分别为其主绕组L_A、L_B和L_C的匝数的1/3，补偿电容C_Comp=3C₁；即补偿电压大小为u_Comp=（u_AO+u_BO+u_CO）/3=u_CM，C_Comp=3C₁=C_CM。

图10所示为图6所示实施例的相关电压和电流波形的示意图，其中i_CM为不带本申请的滤波装置时的共模电流波形，i_CM’为设置有本申请的滤波装置时的共模电流波形。从图中可以看出，补偿电压u_Comp和共模电压u_CM大小相等，方向相反，增加滤波装置后，共模电流i_CM’得到了显著抑制。

图7是示出根据本申请的第一实施例的滤波装置的第二示例的电路图。

在如图7所示的示例中，连接在滤波电容13与半导体开关单元12的直流端O之间的低阻抗元件不再是一段导线，而是以具有低阻抗元件特性的电容C_y0替代，本示例的其他部分则与图6所示的示例相同。

对于图7所示的滤波装置的示例而言，其噪声模型及共模噪声的滤除原理与图6中的示例大致等同。

除了上述图6-图7中的两个示例之外，本申请的滤波装置还可以有其他的具体实现方式。例如，在如图11所示的示例中，补偿部还可以是电容与电阻串联连接。考虑到实际应用中，滤波电感主绕组和辅助绕组之间会存在漏感，该漏感和补偿部15的补偿电容会形成谐振，影响补偿效果。此时，可以通过与补偿电容串联一个电阻R来阻尼这个谐振。

在图12和图13所示的示例中，滤波电容部13的中性点N并非与滤波电容CB1和CB2的共用端O连接，而是直接连接至其两电平直流端P和Q之一。此时，滤波电容组13的中性点N同样也可通过一段导线或一个电容C_Y0等与半导体开关单元的直流端P或Q相连。

此外，在图14所示的示例中，滤波电感部14的第三连接端（即电感辅助绕组LA’的静地端S）也可以不与滤波电容部13的中性点N连接，而是连接到功率转换器的其他静地端，例如连接到交流电压单元11的三相端子（滤波电容部13的非中性点N的另一端）之一，或连接到半导体开关单元12的三个直流端O、P和Q之一。

此外，本申请的半导体开关单元12除了可以是图12和图13中的两电平拓扑（具体配置如图15a所示）之外，还可以是多电平拓扑，例如，可以是图15b所示示例中的三电平拓扑。

图16是示出根据本申请的第二实施例的滤波装置的电路图。

请参阅图16，由半导体开关单元12和滤波装置共同构成功率转换器，该功率转换器接收低频交流电压单元11的交流电压。本实施例的滤波装置同样设置在低频交流电压单元11与半导体开关单元12之间。

其中，低频交流电压单元11的频率例如为约50Hz或约60Hz，半导体开关单元12可包括一组交流端A，B和C，一组直流端O、P和Q，该交流端之间的电压为高频调制的低频交流电压，常见的调制方法包括正弦脉宽波调制SPWM，空间矢量调制等，该直流端之间的电压为直流电压。

滤波装置用以滤除电路中的共模噪声，其包括滤波电容部13、滤波电感部14及补偿部15。

滤波电容部13可包括一组（三个）滤波电容，所述滤波电容的一端分别与低频交流电压单元11的三相交流端子之一相连，另一端彼此连接以形成中性点N。

滤波电感部14可包括一组（三个）滤波电感141～143，其中每个滤波电感又包括主绕组和辅助绕组。主绕组L_A、L_B和L_C的一端（主绕组的静地端）与低频交流电压单元11的三相交流端子之一连接，另一端（主绕组的跳变端）分别与半导体开关单元12的交流端A、B和C连接。辅助绕组L_A’、L_B’和L_C’同样也存在两个端子，与主绕组跳变端为同名端的是辅助绕组的静地端S1、S2和S3，与主绕组静地端为同名端的是辅助绕组的跳变端。辅助绕组的各静地端S1、S2和S3与功率转换器的至少一个静地端相连，辅助绕组的跳变端与补偿部15相连。

与图5至图15所示的第一实施例类似，功率转换器的静地端同样可包括低频交流电压单元11的三相交流端子、滤波电容部13的与所述三相交流端子连接的一端、滤波电容部13的中性点N、以及半导体开关单元12的直流端O、P和Q等。

另一方面，本实施例与本申请的第一实施例的不同之处在于，在如图16所示的本实施例中，辅助绕组L_A’、L_B’和L_C’并非首尾串联连接而只形成一个滤波电感部14的第三连接端和一个滤波电感部14的第四连接端，而是分别形成三个第三连接端（静地端）S1、S2和S3和三个第四连接端（跳变端）。其中，这三个第三连接端S1、S2和S3可以与功率转换器的同一个静地端（例如滤波电容部13的中性点N）相连，也可与功率转换器的不同静地端分别相连。例如第三连接端S1可连接到中性点N，第三连接端S2和S3可连接到半导体开关单元12的直流端O、P和Q之一或之二。

补偿部15例如可包括三个容性阻抗151、152和153，此时，辅助绕组L_A’、L_B’和L_C’的三个跳变端可分别连接至所述补偿部15的容性阻抗151、152和153之一，容性阻抗的另一端均接保护地。

补偿部15的容性阻抗的定义与第一实施例相同，即，其阻抗在所关注的频段（例如9kHz-1MHz之内），阻抗呈现容性特性。

所述滤波电容部13的中性点N与所述半导体开关单元12的直流端O、P和Q之间通过低阻抗元件连接。低阻抗元件的定义也与本申请的第一实施例相同，即，在所关注的频段（例如9kHz-1MHz之内）之内，其阻抗小于滤波电感主绕组阻抗的1/2。

图17是示出根据本申请的第三实施例的滤波装置的电路图。

在上面的第一和第二实施例中，低频交流电压单元11均为三相交流电压，其具有分别与滤波电容部13和滤波电感部14的第一连接端连接的三相交流端子，且半导体开关单元12的交流端相应地包括三个交流端A、B和C。然而，如图17所示，本申请的滤装置还可以用于单相功率因子校正（PFC，Power Factor Correction）电路中。

具体而言，在图17所示的第三实施例中，低频交流电压单元11为单相交流电压，其具有两个交流端子，且该半导体开关单元12包括由四对半导体开关元件两两串联连接而组成的两个桥臂，且相应地具有两个交流端A和B。

在本实施例中，滤波电容部13包括两个电容C_x，每个电容C_x的一端分别连接至低频交流电压单元11的两个交流端子之一，而两个电容C_x的另一端彼此连接以形成作为功率转换器的静地端之一的中性点N。

滤波电感部14包括两个电感，其中每个滤波电感又包括主绕组和辅助绕组。主绕组L_A和L_B的静地端分别与低频交流电压单元11的两个交流端子之一连接，主绕组L_A和L_B的跳变端分别与半导体开关单元12的交流端A和B连接。辅助绕组L_A’和L_B’同样也存在两个端子，辅助绕组L_A’的静地端S1（与主绕组L_A的跳变端为同名端，作为所述滤波电感部14的第三连接端）可连接至功率转换器的静地端之一，辅助绕组L_B’的静地端与辅助绕组L_A’的跳变端串联连接，辅助绕组L_B’的跳变端（与主绕组L_B的静地端为同名端，作为所述滤波电感部14的第四连接端）与补偿部15相连。

与前述其他实施例相同，补偿部15也可包括容性阻抗，例如可以为电容，或还包括与电容串联的电阻。

与前述其他实施例类似，本实施例中的功率转换器的静地端同样可包括低频交流电压单元11的两个交流端子、滤波电容部13的与所述两个交流端子连接的一端、滤波电容部13的中性点N、以及半导体开关单元12的直流端O、P和Q等。

在本实施例中，滤波电感部15辅助绕组L_A’和L_B’同样也可具有类似于图16所示示例中的连接方式。例如，每个辅助绕组L_A’和L_B’的两个第一端均作为所述滤波电感部的第三连接端而连接至该功率转换器的静地端之一或之二，并且每个电感的辅助绕组的两个第二端作为所述滤波电感部的第四连接端连接至该补偿部。

如上可知，本实施例中的单相交流电压单元11、半导体开关单元12和滤波装置一起组成单相PFC电路。

在本申请的上述实施例中，功率转换器可以是从交流到直流的整流器单元，也可以是从直流到交流的逆变器单元，因而半导体开关单元12即可以是进行AC-DC转换的半导体开关单元，也可以是进行DC-AC转换的半导体开关单元。

下面将结合图18-图20具体描述本申请的功率转换器的应用示例。

图18是示出本申请的功率转换器应用系统的第一示例的视图。

图18示出一种变频器驱动电机系统。该系统可包括电网11和电机22。这里，功率转换器可包括从交流到直流的整流器单元（或逆变器单元）12（即，第一整流器/逆变器单元），以及从直流到交流的逆变器单元（或整流器）21（即，第二整流器/逆变器单元）。

滤波装置可包括滤波电容部13、带辅助绕组的滤波电感部14、以及补偿电容部15。在滤波电容部13的中性点N与整流单元12的直流端O（滤波电容C_B1和C_B1）之间通过低阻抗元件连接。

该滤波装置可以设置在电网11与整流器单元12之间，用以滤除整流器单元12的输入端的共模噪声。

在此示例中，功率的走向可以是从电网11到电机22，此时是由电网11提供电能来驱动电机22工作，或者，功率的走向也可以是从电机22到电网11，此时是由电机22发电来给电网11提供电能。

如图19所示，本申请的滤波装置也可以设置在电机22一侧，即，位于逆变器单元（变频器）21与电机22之间，用于抑制逆变器单元21的输出端的共模噪声。该滤波装置可包括：输出滤波电容部23（等同于前述实施例中的滤波电容部13）、带辅助绕组的输出滤波电感部24（等同于前述实施例中的滤波电感部14）、以及补偿电容15。在输出滤波电容部23的中性点N与逆变器单元21的直流端O（滤波电容C_B1和C_B1）之间通过低阻抗元件连接。

此外，本申请的功率转换器还可应用于无功补偿装置SVG、有源滤波器APF、太阳能逆变器、以及风力发电系统等，用以滤除电路中的共模噪声。

当然，本申请还可以与现有的采用电磁干扰滤波器（EMI Filter）的系统配合使用，如图20所示。在电网11与功率转换器的半导体开关单元12之间还可设置有EMI滤波器17，其可以为差模滤波器，或共模滤波器，或者兼具差模和共模功能的滤波器。本申请的滤波装置可设置在EMI滤波器17与半导体开关单元12之间。

根据上述实施例，只要设置有本申请的滤波装置，则功率转换器或其应用系统的噪声模型及共模噪声的滤除原理与图6所示的示例均大致等同。

根据本申请的另一实施例，还提供一种共模噪声抑制方法，可包括：在功率转换器或其他应用系统中设置根据上述实施例中所述的滤波电容部、滤波电感部和补偿部，用以滤除电路中的共模噪声。

本申请相比现有技术而具有以下优点：

在本申请的过滤装置中，滤波电容部采用的就是现有的功率转换器基本结构中的滤波电容，无须另外设置额外的电容元件，而滤波电感部也仅仅是在原有的每个滤波电感上各增加一组辅助绕组而已。此外，由于每个滤波电感的辅助绕组上仅有补偿电流，而没有功率电流流过，因而各辅助绕组的绕线可以做的很细，则辅助绕组的造价也非常低廉。

因而，相比于现有技术中的共模电感滤波方案，本申请的过滤装置的结构更为紧凑、造价大为降低，也更易于实现。而相对于仅采用滤波电容中性点N与直流母线的中点O相连的技术方案，本申请对共模噪声的滤除更为彻底，不仅可以抑制通过直流母线对地的分布电容流入地的共模噪声，还能抑制通过桥臂中点对地的电容C_1A、C_1B和C_1C引起的共模电流。

对于本领域技术人员来说，显然可在不背离本申请的精神和范围的前提下对本申请作各种变化和修改。因此，本申请意图涵盖对本申请做出的各种修改和变化，只要它们落在所附权利要求及其等同方案的保护范围内即可。

Claims (24)

1.一种滤波装置，连接在交流电压单元与功率转换器的半导体开关单元之间，用以滤除电路中的共模噪声，该滤波装置包括：

滤波电容部，一端连接至该交流电压单元，另一端经由低阻抗元件而连接至该半导体开关单元的直流端，其中该滤波电容部的两端以及该半导体开关单元的直流端均是功率转换器的静地端；

滤波电感部，具有四个连接端，其中第一连接端连接至该交流电压单元，第二连接端连接至该半导体开关单元的交流端，而第三连接端连接至该功率转换器的静地端之一；以及

补偿部，一端连接至该滤波电感部的第四连接端，另一端接地。

2.根据权利要求1所述的滤波装置，其中该滤波电感部包括电感，该电感包括：

主绕组，其两端分别作为该第一连接端和该第二连接端；以及

辅助绕组，与该主绕组耦合，其对应于该主绕组的第二连接端的同名端作为该滤波电感部的第三连接端，其另一端作为该滤波电感部的第四连接端。

3.根据权利要求1所述的滤波装置，其中该半导体开关单元包括至少一跳变端，该滤波电感部的辅助绕组与其主绕组的耦合使得该辅助绕组的电压跳变方向与该功率转换器的至少一跳变端的电压跳变方向相反。

4.根据权利要求1所述的滤波装置，其中该半导体开关单元的直流端为高电位端、低电位端或中性电位端至少之一。

5.根据权利要求2所述的滤波装置，其中该低阻抗元件的阻抗值小于该滤波电感部的主绕组的阻抗值的1/2。

6.根据权利要求1所述的滤波装置，其中该低阻抗元件为导线或电容。

7.根据权利要求1所述的滤波装置，其中该补偿部包括容性阻抗元件。

8.根据权利要求7所述的滤波装置，其中该容性阻抗元件为电容。

9.根据权利要求7所述的滤波装置，其中该补偿部还包括与该容性阻抗元件串联的电阻。

10.根据权利要求1至9的任意一个所述的滤波装置，其中该交流电压单元具有三相交流电压，并具有分别与该滤波电感部的第一连接端连接的三相交流端子，且该半导体开关单元的交流端包括三个交流端。

11.根据权利要求10所述的滤波装置，其中该滤波电容部包括三个电容，每个电容的一端分别连接至所述三相交流端子之一，而每个电容的另一端彼此连接以形成作为该功率转换器的静地端之一的中性点。

12.根据权利要求10所述的滤波装置，其中该滤波电感部包括三个电感，其中第一电感包括第一主绕组和第一辅助绕组，第二电感包括第二主绕组和第二辅助绕组，第三电感包括第三主绕组和第三辅助绕组，每个所述主绕组的第一端作为所述滤波电感部的第一连接端分别连接至所述三相交流端子之一，且其第二端作为所述滤波电感部的第二连接端分别连接至该半导体开关单元的三个交流端之一，所述第一辅助绕组的第一端作为所述滤波电感部的第三连接端连接至该功率转换器的静地端之一，所述第二辅助绕组的第一端连接至所述第一辅助绕组的第二端，所述第三辅助绕组的第一端连接至所述第二辅助绕组的第二端，所述第三辅助绕组的第二端连接端作为所述滤波电感部的第四连接端连接至该补偿部。

13.根据权利要求10所述的滤波装置，其中该滤波电感部包括三个电感，每个电感的主绕组的第一端作为所述滤波电感部的第一连接端分别连接至所述三相交流端子之一，且其第二端作为所述滤波电感部的第二连接端分别连接至该半导体开关单元的三个交流端之一，每个电感的辅助绕组的第一端作为所述滤波电感部的第三连接端分别连接至该功率转换器的静地端之一，并且每个电感的辅助绕组的第二端作为所述滤波电感部的第四连接端连接至该补偿部。

14.根据权利要求1至9的任意一个所述的滤波装置，其中该交流电压单元具有单相交流电压，且具有分别与该滤波电感部的第一连接端连接的两个交流端子，且该半导体开关单元的交流端包括两个交流端。

15.根据权利要求14所述的滤波装置，其中该滤波电容部包括两个电容，每个电容的一端分别连接至所述两个交流端子之一，而每个电容的另一端彼此连接以形成作为该功率转换器的静地端之一的中性点。

16.根据权利要求14所述的滤波装置，其中该滤波电感部包括两个电感，其中第一电感包括第一主绕组和第一辅助绕组，第二电感包括第二主绕组和第二辅助绕组，每个所述主绕组的第一端作为所述滤波电感部的第一连接端分别连接至所述两个交流端子之一，且其第二端作为所述滤波电感部的第二连接端分别连接至该半导体开关单元的两个交流端之一，所述第一辅助绕组的第一端作为所述滤波电感部的第三连接端连接至该功率转换器的静地端之一，所述第二辅助绕组的第一端连接至所述第一辅助绕组的第二端，所述第二辅助绕组的第二端作为所述滤波电感部的第四连接端连接至该补偿部。

17.根据权利要求14所述的滤波装置，其中该滤波电感部包括两个电感，每个所述主绕组的第一端作为所述滤波电感部的第一连接端分别连接至所述两个交流端子之一，且其第二端作为所述滤波电感部的第二连接端分别连接至该半导体开关单元的两个交流端之一，每个电感的辅助绕组的第一端作为所述滤波电感部的第三连接端分别连接至该功率转换器的静地端之一，并且每个电感的辅助绕组的第二端作为所述滤波电感部的第四连接端连接至该补偿部。

18.根据权利要求2至9的任意一个所述的滤波装置，其中该滤波电感部的辅助绕组的补偿电压与补偿部等效阻抗的乘积等于该半导体开关单元的等效共模电压及等效共模阻抗的乘积的0.5倍至1.5倍。

19.根据权利要求1至9的任意一个所述的滤波装置，其中所述半导体开关单元为AC-DC或DC-AC半导体开关单元。

20.根据权利要求1至9的任意一个所述的滤波装置，其中所述半导体开关单元为两电平、三电平或多电平半导体开关单元。

21.一种功率转换器，包括根据权利要求1至20的任意一个所述的滤波装置，该功率转换器还包括半导体开关单元，其中所述滤波装置连接至交流电压单元与该半导体开关单元之间。

22.根据权利要求21所述的功率转换器，其中在该滤波装置与交流电压单元之间还连接有电磁干扰滤波器。

23.根据权利要求22所述的功率转换器，其中该电磁干扰滤波器为差模滤波器或共模滤波器。

24.一种共模噪声抑制方法，包括使用根据权利要求1至20的任意一个所述的滤波装置中的滤波电容部、滤波电感部和补偿部来滤除电路中的共模噪声。