CN115378236A - 一种可控滤波电路及电源变换器 - Google Patents

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CN115378236A CN202210843591.3A CN202210843591A CN115378236A CN 115378236 A CN115378236 A CN 115378236A CN 202210843591 A CN202210843591 A CN 202210843591A CN 115378236 A CN115378236 A CN 115378236A
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Abstract

本申请公开了一种可控滤波电路及电源变换器，实现了上电缓冲目的。所述可控滤波电路包括滤波电容E和上电缓冲电路1，滤波电容E与上电缓冲电路1串联连接；上电缓冲电路1包括旁路开关S和限流电阻R，旁路开关S与限流电阻R并联连接。

Description

一种可控滤波电路及电源变换器
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，更具体地说，涉及一种可控滤波电路及电源变换器。
背景技术
电源变换器通常会用到滤波电容来滤除直流电中含有的交流成份，但由于电源变换器上电前滤波电容是无电荷无电压的，故在上电瞬间滤波电容上会产生极大的充电电流，威胁系统的安全稳定运行。
以电源变换器包括对电网电压进行整流滤波的电路结构为例，对上述内容进行举例说明：如图1所示，整流桥用于将输入的交流电转换为直流电，但整流桥输出电压中含有交流成份，故需要在整流桥输出端并联滤波电容E来将其滤除；由于在上电前滤波电容E是无电荷无电压的，故在上电瞬间滤波电容E上会产生较大的冲击电流。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种可控滤波电路及电源变换器，以实现上电缓冲目的。
一种可控滤波电路，其中：
所述可控滤波电路包括滤波电容E和上电缓冲电路1，所述滤波电容E与所述上电缓冲电路1串联连接；
所述上电缓冲电路1包括旁路开关S和限流电阻R，所述旁路开关S与所述限流电阻R并联连接。
在一个实施例中，所述滤波电容E为一个独立的电容元件；或者，所述滤波电容E为多个电容元件的串联组合、并联组合或串并联组合。
在一个实施例中，所述滤波电容E包括第一电容元件E1和第二电容元件E2，所述第一电容元件E1与第二电容元件E2串联连接或者并联连接。
在一个实施例中，当所述第一电容元件E1与第二电容元件E2串联连接时，所述可控滤波电路还包括：第一均压电阻R1和第二均压电阻R2，第一均压电阻R1与第一电容元件E1并联连接，第二均压电阻R2与第二电容元件E2并联连接。
在一个实施例中，所述旁路开关S为双向可控电子开关或者触点开关。
在一个实施例中，所述双向可控电子开关为双向可控硅，其中：所述双向可控硅的一端作为所述双向可控电子开关的一端，所述双向可控硅的另一端作为所述双向可控电子开关的另一端；
或者，所述双向可控电子开关包括全桥整流电路和开关管Q7，其中：所述全桥整流电路包括第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4，开关管Q7的电能输入端与第一二极管D1的阴极以及第二二极管D2的阴极电连接，开关管Q7的电能输出端与第三二极管D3的阳极以及第四二极管D4的阳极电连接，第二二极管D2的阳极与第四二极管D4的阴极电连接后作为所述双向可控电子开关的一端，第一二极管D1的阳极与第三二极管D3的阴极电连接后作为所述双向可控电子开关的另一端；
或者，所述双向可控电子开关包括第一开关管Q8和第二开关管Q9，第一开关管Q8的电能输出端与第二开关管Q9的电能输出端电连接，第一开关管Q8的电能输入端作为所述双向可控电子开关的一端，第二开关管Q9的电能输入端作为所述双向可控电子开关的另一端。
一种电源变换器，包括主电路和控制单元，所述主电路包括如上述公开的任一种可控滤波电路；所述可控滤波电路能够与直流电源电连接；所述控制单元输出端至少与所述可控滤波电路的旁路开关的控制端电连接；
所述控制单元用于在所述可控滤波电路接入到所述直流电源前，保持所述旁路开关断开；在所述可控滤波电路接入到所述直流电源的状态持续时间超过第一时间时，控制所述旁路开关导通。
在一个实施例中，所述主电路还包括整流桥，所述整流桥为所述直流电源；所述主电路还包括逆变桥；
所述可控滤波电路的一端与所述整流桥高电位输出端电连接，所述可控滤波电路的另一端与所述整流桥低电位输出端电连接，所述逆变桥输入端与所述整流桥输出端电连接；所述控制单元输出端还与所述逆变桥的控制端电连接，用于控制所述逆变桥工作；所述逆变桥能够与空调压缩机输入端电连接，用于控制所述空调压缩机工作。
或者，所述主电路还包括：逆变桥；所述可控滤波电路并联在所述直流电源的输出端，所述逆变桥输入端与所述直流电源输出端电连接。
或者，所述主电路包括可控滤波电路和开关电源；
所述可控滤波电路并联在所述直流电源的输出端，所述开关电源输入端与所述直流电源输出端电连接；所述开关电源输出端与负载电路或者负载电连接。
从上述的技术方案可以看出，本发明提供的可控滤波电路或者电源变换器在上电瞬间保持旁路开关S断开，此时直流输出电压瞬间全部施加在限流电阻R上并开始对滤波电容E充电，滤波电容E上电压逐渐升高，滤波电容E充电电流被限流电阻R限制在安全范围内；待滤波电容E基本完成充电或充满电后再闭合旁路开关S来将限流电阻R旁路掉，由于此时滤波电容E上已有电压，故限流电阻R被旁路后滤波电容E充电电流也仍然处在安全范围内，这样就实现了上电缓冲目的。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有技术公开的一种对电网电压进行整流滤波的电路原理图；
图2为本发明实施例公开的一种可控滤波电路原理图；
图3为图2所示方案中旁路开关断开时的滤波电容充电电流流通路径示意图；
图4为本发明实施例公开的又一种可控滤波电路原理图；
图5为本发明实施例公开的又一种可控滤波电路原理图；
图6为图4所示可控滤波电路采用双向可控硅作为旁路开关时的原理图；
图7为应用于可控滤波电路采用一全桥整流电路与一开关管的组合作为旁路开关时的原理图；
图8为应用于可控滤波电路采用两个开关管的组合作为旁路开关时的原理图；
图9为在任意两相交流输入上各串联一个上电缓冲电路的原理图；
图10为本发明实施例公开的一种电源变换器原理图，具体为采用图5所示方案的三相供电变频器电路原理图；
图11为本发明实施例公开的又一种电源变换器原理图；
图12为本发明实施例公开的又一种电源变换器原理图。
具体实施方式
为了引用和清楚起见，下文中使用的技术名词、简写或缩写总结如下：
MCU：Micro Control Unit，微控制单元；
PTC：Positive Temperature Coefficient，正温度系数；
MOSFET：Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，金属氧化物半导体场效应晶体管；
IGBT：Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极晶体管。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，整流桥用于将输入的交流电转换为直流电，但整流桥输出电压中含有交流成份，故需要在整流桥输出端并联滤波电容E来将其滤除；由于在上电前滤波电容E是无电荷无电压的，故在上电瞬间滤波电容E上会产生较大的冲击电流，且该冲击电流理论上非常大，不仅会给电网带来极大冲击或者跳闸，而且还有可能损坏整流桥、误断熔丝或电路连接。基于此，参见图2，本发明实施例公开了一种可控滤波电路，其中：
所述可控滤波电路包括滤波电容E和上电缓冲电路1，滤波电容E与上电缓冲电路1串联连接；
上电缓冲电路1包括旁路开关S和限流电阻R，旁路开关S与限流电阻R并联连接。
在实际使用中，可控滤波电路安装于电源变换器内部某一路直流电压输出端，当然也可以接入到外部电压源输出端，该输出端电压较高、电压纹波较大，需要安装滤波电容进行滤波；此处的电压纹波既可以指直流电压输出端的输出电压纹波，也可以指负载对直流电压产生影响造成的输入电压纹波。该路直流电压输出端具体为何种电路的输出端需根据电源变换器的电路结构确定。比如说，当电源变换器包括对电网电压进行整流滤波的电路结构(对电网电压进行整流滤波后输出的直流电可作为变频空调、电动汽车充电器、高频电焊机、电解电镀电源、通信电源等中大功率电器的直流电源)时，可控滤波电路可并联在整流桥的输出端(即所述可控滤波电路的一端即高电位端与整流桥的高电位输出端DC+电连接，所述可控滤波电路的另一端即低电位端与所述整流桥的低电位输出端DC-电连接)，整流桥后的输出电压往往电压较高且电压纹波较大。又比如说，该可控滤波电路还可以运用在电动汽车等高电压蓄电池供给电机变频器的直流电源输出场合；对于大功率负载，所需蓄电池的输出电压较高，且负载可能会造成输入电压纹波。
本发明实施例通过为滤波电容E串联一个上电缓冲电路1后再并联接入电源变换器内部某一路直流电压输出端，该输出端电压较高、电压纹波较大，实现了上电缓冲目的，其工作原理如下：
在上电前，保持旁路开关S处于断开状态，此时相当于滤波电容E与限流电阻R串联后再并联接在该路直流电压输出端，滤波电容E上无电荷无电压。在上电后的短时间内比如第一时间内，维持旁路开关S的断开状态不变，直流输出电压瞬间几乎全部施加在限流电阻R和滤波电容E上并开始对滤波电容E充电(滤波电容E充电电流流通路径如图3中带箭头的虚线所示)；而在第一时间内，随着充电时间的累积，滤波电容E上电荷逐渐增多、滤波电容E上电压逐渐升高，限流电阻R上电压逐渐降低；滤波电容E充电回路上因有限流电阻R的缓冲，所以不会产生极大的充电电流，即滤波电容E充电电流被限流电阻R限制在安全范围内。上电且经过第一时间后，滤波电容E充满电或基本充满电，此时，闭合旁路开关S来将限流电阻R旁路掉，限流电阻R被旁路后滤波电容E直接并联在该路直流电压输出端，但由于此时滤波电容E上已有电压，故滤波电容E充电电流也仍然处在安全范围内，从而实现了上电缓冲目的。在实现上电缓冲目的后，就可以启动后级电路工作，限流电阻R由于已被旁路所以不会在后级电路工作过程中产生额外的功率损耗。旁路开关S为双向可控开关，其开关状态受控制单元例如MCU控制。其中，所述第一时间可以是秒级，具体时长由直流电压、滤波电容大小和限流电阻阻值有关，只需满足第一时间时长内，直流电压能够对滤波电容基本完成或者完成充电即可。
综上，本发明实施例在上电瞬间保持旁路开关S断开，此时直流输出电压瞬间几乎全部施加在限流电阻R上并开始对滤波电容E充电；第一时间内，滤波电容E上电压逐渐升高，滤波电容E充电电流被限流电阻R限制在安全范围内。在第一时间或待滤波电容E充满电后再闭合旁路开关S来将限流电阻R旁路掉，由于此时滤波电容E上已有电压，故限流电阻R被旁路后滤波电容E充电电流也仍然处在安全范围内，这样就实现了上电缓冲目的。且在第一时间或者滤波电容E充满电后，滤波电容E上的平均电压保持在一个相对稳定的范围，在滤波过程中充电电荷与放电电荷保持相对平衡，即流过旁路开关S的电流仅为电容器E的交流纹波电流分量而并非主电路上的全部电流，如此可以降低对旁路开关S的选型要求，进一步能够降低成本。
在上述公开的任一实施例中，滤波电容E可以为一个独立的电容元件，也可以为多个电容元件的串联组合、并联组合或串并联组合。图2仅以滤波电容E为两个电容元件E1、E2的串联组合作为示例，例如在三相AC380V供电整流时，一般可以选择两个400V左右耐压的电解电容串联工作。图4仅以滤波电容E为两个电容元件E1、E2的并联组合作为示例，例如在单相AC220V供电整流，并且后级电路要求的直流母线电压为300多伏特时，一般可以选择两个400～450V耐压的电解电容并联工作。
当滤波电容E为多个电容元件的串联组合或串并联组合时，滤波电容E上还可以配置均压电阻。例如图5所示，滤波电容E为两个电容元件E1、E2的串联组合，电容元件E1上并联一个均压电阻R1，电容元件E2上并联一个均压电阻R2。均压电阻的作用是实现相串联的各电容元件的电压相等，从而避免个别电容元件上电压承担过高电压而造成电容元件过压损坏。
在上述公开的任一实施例中，限流电阻R可以为一个独立的电阻元件，也可以为多个电阻元件的串联组合、并联组合或串并联组合。图2～图5仅以限流电阻R为一个独立的电阻元件作为示例。另外，限流电阻R的类型推荐采用功率电阻或PTC电阻，但并不局限。
在上述公开的任一实施例中，旁路开关S可以是双向可控电子开关或者触点开关等，并不局限。所述触点开关例如为继电器。
所述双向可控电子开关例如为双向可控硅，例如图6所示：所述双向可控硅的一端作为所述双向可控电子开关的一端，所述双向可控硅的另一端作为所述双向可控电子开关的另一端。
或者，所述双向可控电子开关也可以由一全桥整流电路与一开关管Q7组合得到，例如图7所示：所述全桥整流电路包括第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4，开关管Q7的电能输入端与第一二极管D1的阴极以及第二二极管D2的阴极电连接，开关管Q7的电能输出端与第三二极管D3的阳极以及第四二极管D4的阳极电连接，第二二极管D2的阳极与第四二极管D4的阴极电连接后作为所述双向可控电子开关的一端，第一二极管D1的阳极与第三二极管D3的阴极电连接后作为所述双向可控电子开关的另一端；图7通过该全桥整流电路，使单向的开关管Q7实现双向通断；开关管Q7开通时，旁路开关S开通；开关管Q7关断时，旁路开关S关断。
或者，所述双向可控电子开关也可以为第一开关管Q8与第二开关管Q9的串联组合，例如图8所示：第一开关管Q8的电能输出端与第二开关管Q9的电能输出端电连接，第一开关管Q8的电能输入端作为所述双向可控电子开关的一端，第二开关管Q9的电能输入端作为所述双向可控电子开关的另一端；Q8与Q9均开通时，旁路开关S开通；Q8与Q9均关断时，旁路开关S关断。
上述公开的任一实施例中所指的开关管可以是MOSFET也可以是带反并联二极管的IGBT等，其中，反并联二极管可以是IGBT自带的，也可以是外接的，并不局限。当开关管为MOSFET时，开关管的电能输入端为MOSFET的漏极，开关管的电能输出端为MOSFET的源极；当开关管为带反并联二极管的IGBT时，开关管的电能输入端为带反并联二极管的IGBT的集电极，开关管的电能输出端为带反并联二极管的IGBT的发射极。
在上述公开的任一实施例中，上述的电压较高且电压纹波较大的直流电压输出端可以是整流桥输出端，具体的，整流桥可以为三相整流桥或单相整流桥，对应的输入电源是三相交流电源或单相交流电源；上述直流电压输出端也可以是某直流电源输出端，比如蓄电池、光伏电源等的输出端，并不局限。需要特别指出的是，上述公开的任一实施例接在三相整流桥输出端时优势更加明显，这是因为三相整流后的直流分量很高，流经滤波电容的充、放电电流远小于主回路电流，所以同样电流容量的旁路开关S可以带动数倍主回路电流的大功率电器。当然，当运用在直流电源输入端时，也具有优点：流经滤波电容的充、放电电流远小于主回路电流，所以同样电流容量的旁路开关S可以带动数倍主回路电流的大功率电器。
图9为在任意两相交流输入上各串联一个上电缓冲电路的原理图。区别于上述公开的任一实施例，图9中的上电缓冲电路包括开关K1、电阻R1和开关K2，开关K1与电阻R1串联后再与开关K2并联，在上电瞬间K1闭合且K2断开，待滤波电容E充满电或基本充满电后让K1断开且K2闭合，从而实现上电缓冲目的。图9中的上电缓冲电路串联在主回路上，主回路电流远大于滤波电容E支路上的电流，所以相比上述公开的任一实施例接在三相整流桥输出端时，图9中的上电缓冲电路内各器件容量规格要求更高，成本更高。另外，相比上述公开的任一实施例接在三相整流桥输出端时，图9中使用的上电缓冲电路的数量更多、电路结构也更复杂，这进一步增加了成本。可见，上述公开的任一实施例相比于图9所示电路至少具有如下优势：上电缓冲电路数量少，电路简单，成本低。
此外，本发明实施例还公开了一种电源变换器，包括：主电路和控制单元(例如MCU)，所述主电路包括如上述公开的任一种可控滤波电路(图9除外)。
例如，如图10所示，所述主电路A1包括可控滤波电路和逆变桥，直流电源A2包括整流桥，主电路与整流桥输出端电连接；具体的，所述可控滤波电路并联在所述整流桥的输出端，所述逆变桥输入端与整流桥输出端电联连接。此时所述电源变换器可作为三相供电变频器。
图10为采用图5所示方案的三相供电变频器电路原理图。图10中的Q1～Q6六个IGBT构成三相逆变桥，输出U、V、W三相SPWM或SVPWM驱动变频交流或永磁直流电机实现无级调速。电流采样与三相L1～L3输入的AC电压信号、过零信号、相位相序信号一起提供给MCU综合处理，MCU实现对旁路开关S以及三相逆变桥的三个半桥驱动的智能变频控制，具体的MCU对旁路开关S的处理过程可以是：在可控滤波电路接入到直流电源前，保持所述旁路开关断开；在所述可控滤波电路接入到所述直流电源的状态持续时间超过第一时间时，控制所述旁路开关导通。本实施例中，可控滤波电路接入直流电源具体可以指整个电源变换器接入三相输入电源通电，通电时，整流桥输出带有纹波的高电压，利用该可控滤波电路即可实现滤波及上电缓冲。逆变桥输出端可以连接空调压缩机，用于驱动空调压缩机，滤波电容E1可以是容值较小(相对于电解电容)的薄膜电容。
或者，如图11所示，所述主电路包括可控滤波电路和逆变桥；主电路可以与直流电源(例如光伏电池板、蓄电池、整流桥等)电连接；具体的，所述可控滤波电路并联在所述直流电源的输出端，所述逆变桥输入端与直流电源输出端电连接。此时，所述可控滤波电路用于滤除逆变桥输入电压中的交流分量。
或者，如图12所示，所述主电路包括可控滤波电路和开关电源；主电路可以和直流电源(例如光伏电池板、蓄电池或者整流桥)电连接；具体的，所述可控滤波电路并联在所述直流电源的输出端，所述开关电源输入端与直流电源输出端电连接；开关电源后面连接负载或负载电路。其中，负载电路可以包括负载驱动电路，具体的，可以是电机驱动电路(比如逆变桥)、电动汽车电加热电路等，适用于空调压缩机驱动、无轨电车驱动、电动汽车电加热技术、电动汽车驱动等领域。开关电源后面还可以直接接负载，比如直流电机等，本申请对此不做限定。此时，电源变换器相当于增设了可控滤波电路的DC/DC变压器，所述可控滤波电路用于滤除开关电源输入电压中的交流分量。当用于蓄电池等储能电源时，还可以弥补接入过长的电源线(会产生等效电感)带来的输入纹波的影响，有利于提高电源变换器的稳定性。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明实施例的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明实施例将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种可控滤波电路，其特征在于：
所述可控滤波电路包括滤波电容(E)和上电缓冲电路(1)，所述滤波电容(E)与所述上电缓冲电路(1)串联连接；
所述上电缓冲电路(1)包括旁路开关(S)和限流电阻(R)，所述旁路开关(S)与所述限流电阻(R)并联连接。
2.根据权利要求1所述的可控滤波电路，其特征在于，所述滤波电容(E)为一个独立的电容元件；或者，所述滤波电容(E)为多个电容元件的串联组合、并联组合或串并联组合。
3.根据权利要求2所述的可控滤波电路，其特征在于，所述滤波电容(E)包括第一电容元件(E1)和第二电容元件(E2)，所述第一电容元件(E1)与第二电容元件(E2)串联连接或者并联连接。
4.根据权利要求3所述的可控滤波电路，其特征在于，当所述第一电容元件(E1)与第二电容元件(E2)串联连接时，所述可控滤波电路还包括：第一均压电阻(R1)和第二均压电阻(R2)，第一均压电阻(R1)与第一电容元件(E1)并联连接，第二均压电阻(R2)与第二电容元件(E2)并联连接。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的可控滤波电路，其特征在于，所述旁路开关(S)为双向可控电子开关或者触点开关。
6.根据权利要求5所述的可控滤波电路，其特征在于，所述双向可控电子开关为双向可控硅，其中：所述双向可控硅的一端作为所述双向可控电子开关的一端，所述双向可控硅的另一端作为所述双向可控电子开关的另一端；
或者，所述双向可控电子开关包括全桥整流电路和开关管(Q7)，其中：所述全桥整流电路包括第一二极管(D1)、第二二极管(D2)、第三二极管(D3)、第四二极管(D4)，开关管(Q7)的电能输入端与第一二极管(D1)的阴极以及第二二极管(D2)的阴极电连接，开关管(Q7)的电能输出端与第三二极管(D3)的阳极以及第四二极管(D4)的阳极电连接，第二二极管(D2)的阳极与第四二极管(D4)的阴极电连接后作为所述双向可控电子开关的一端，第一二极管(D1)的阳极与第三二极管(D3)的阴极电连接后作为所述双向可控电子开关的另一端；
或者，所述双向可控电子开关包括第一开关管(Q8)和第二开关管(Q9)，第一开关管(Q8)的电能输出端与第二开关管(Q9)的电能输出端电连接，第一开关管(Q8)的电能输入端作为所述双向可控电子开关的一端，第二开关管(Q9)的电能输入端作为所述双向可控电子开关的另一端。
7.一种电源变换器，其特征在于，包括主电路和控制单元，所述主电路包括如权利要求1～6中任一项所述的可控滤波电路；所述可控滤波电路能够与直流电源电连接；所述控制单元输出端至少与所述可控滤波电路的旁路开关的控制端电连接；
所述控制单元用于在所述可控滤波电路接入到所述直流电源前，保持所述旁路开关断开；在所述可控滤波电路接入到所述直流电源的状态持续时间超过第一时间时，控制所述旁路开关导通。
8.根据权利要求7所述的电源变换器，其特征在于，所述主电路还包括整流桥，所述整流桥为所述直流电源；所述主电路还包括逆变桥；
所述可控滤波电路的一端与所述整流桥高电位输出端电连接，所述可控滤波电路的另一端与所述整流桥低电位输出端电连接，所述逆变桥输入端与所述整流桥输出端电连接；所述控制单元输出端还与所述逆变桥的控制端电连接，用于控制所述逆变桥工作；所述逆变桥能够与空调压缩机输入端电连接，用于控制所述空调压缩机工作。
9.根据权利要求7所述的电源变换器，其特征在于，所述主电路还包括：逆变桥；所述可控滤波电路并联在所述直流电源的输出端，所述逆变桥输入端与所述直流电源输出端电连接。
10.根据权利要求7所述的电源变换器，其特征在于，所述主电路包括可控滤波电路和开关电源；
所述可控滤波电路并联在所述直流电源的输出端，所述开关电源输入端与所述直流电源输出端电连接；所述开关电源输出端与负载电路或者负载电连接。
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