CN116345930B - 一种低共模干扰的交流电源及其调制方法 - Google Patents

一种低共模干扰的交流电源及其调制方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于交流电源技术领域，公开了一种低共模干扰的交流电源及其调制方法，电路结构包括A桥臂、B桥臂、输出滤波电容C和输出滤波电感L，通过在四分之一调制波周期内计算开通关断的时间序列，对各个四分之一周期分配导通时间序列和导通的开关管，使共模电压跳变次数减少，从根源上消减共模干扰，而且不增加额外的元器件消耗。

Description

一种低共模干扰的交流电源及其调制方法
技术领域
本发明属于交流电源技术领域，是调节电变量的系统，具体涉及一种低共模干扰的交流电源及其调制方法。
背景技术
由于电路中存在电压变化频率较高的点，导致交流电源在工程中会产生共模（common mode，CM）噪声，引起电磁干扰（electro-magnetic interface，EMI）问题，影响电网，甚至会导致被测设备损坏。
形成共模干扰的基本路径是干扰源、耦合途径和敏感设备，可以通过增加共模滤波器的方法抑制共模干扰的强度，但滤波器一方面增加了电路元器件数量，另一方面抑制干扰的成效与滤波器的性能有很大关系。所以，解决电磁干扰的根本途径还是消除干扰源，即减小共模电压从而减小或者消除共模干扰。单相交流电源的共模电压Ucm定义为两个桥臂的瞬时平均电压：Ucm=0.5（UAo+UBo），UAo是A桥臂的A点与母线电压中点o的瞬时电压，UBo是B桥臂的B点与母线电压中点o的瞬时电压。
发明内容
本发明目的是提供一种低共模干扰的电源电路及调制方法，不仅能够从根源上消减共模干扰，而且不增加额外的元器件消耗。
本发明为实现上述目的，通过以下技术方案实现：
一种低共模干扰的交流电源，包括A桥臂、B桥臂、输出滤波电容C和输出滤波电感L，字母A、B仅为区分桥臂，不代表三相ABC，所述A桥臂包括四个开关管Ta1、Ta2、Ta3、Ta4及四个开关管分别反并联的体二极管Da1、Da2、Da3、Da4，所述B桥臂包括四个开关管Tb1、Tb2、Tb3、Tb4及四个开关管分别反并联的体二极管Db1、Db2、Db3、Db4；
开关管Ta1上端连接母线电压正Udc+，下端与开关管Ta3上端、开关管Ta4上端、输出滤波电感的一端连接于A点；所述开关管Ta2上端与母线电压中点o相连，下端与开关管Ta3下端相连；所述开关管Ta4下端与母线电压负Udc-相连；
开关管Tb1上端连接母线电压正Udc+，下端与开关管Tb3上端、开关管Tb4上端、输出滤波电容的一端连接于B点；所述开关管Tb2上端与母线电压中点o相连，下端与开关管Tb3下端相连；所述开关管Tb4下端与母线电压负Udc-相连；
A、B点之间依次连接有输出滤波电感L和输出滤波电容C。
本发明还公开了上述低共模干扰的交流电源的具体调制方法：在一个调制周期内，有调制波幅值高于载波、载波幅值高于调制波两种状态，当处于其中一种状态不变时，记为一种时间次序，状态切换时时间次序加一，形成导通时间序列：t1、t2、t3……tn-1、tn，n为一个调制周期内开关管的导通时间序列的个数，按照导通时间序列分配各个开关管导通状态和导通时间。
优选的，载波频率为基波频率的偶数倍，调制频率与基波频率相等。
优选的，将调制周期四等分，选取某一个四分之一周期区间作为计算和分配的起点，依次在四个四分之一周期区间分配导通的开关管和导通时间。
优选的，选用第一个四分之一调制波作为计算和分配开关管导通的起点。
优选的，第一个四分之一调制周期为0到90°，计算和分配开关管导通的起点，调制波us为正弦波，载波uc为三角波，第一个载波大于调制波的区域对应的时间序列为t1，最后一个时间tn是半个周期载波和调制波比较形成第n个区域时间序列时间。
下面给出两种开关管导通时间分配方案，第一种为：
（1）A桥臂开关管的分配为：
第一个四分之一调制周期中，Ta2恒定导通，Ta4恒定关断，t1、t2、t3、t4……tn-1、tn一一对应的开通开关管为Ta3、Ta1、Ta3、Ta1……Ta3、Ta1；
第二个四分之一调制周期中，Ta2恒定导通，Ta4恒定关断，tn、tn-1……t4、t3、t2、t1一一对应的开通开关管为Ta1、Ta3……Ta1、Ta3、Ta1、Ta3；
第三个四分之一调制周期中，Ta3恒定导通，Ta1恒定关断，t1、t2、t3、t4……tn-1、tn一一对应的开通开关管为Ta2、Ta4、Ta2、Ta4……Ta2、Ta4；
第四个四分之一调制周期中，Ta3恒定导通，Ta1恒定关断，tn、tn-1……t4、t3、t2、t1一一对应的开通开关管为Ta4、Ta2……Ta4、Ta2、Ta4、Ta2；
（2）B桥臂开关管的分配为：
第一个四分之一调制周期中，Tb2恒定导通，Tb4恒定关断，t1、t2、t3、t4……tn-1、tn一一对应的开通开关管为Tb1、Tb3、Tb1、Tb3……Tb1、Tb3；
第二个四分之一调制周期中，Tb2恒定导通，Tb4恒定关断，tn、tn-1……t4、t3、t2、t1一一对应的开通开关管为Tb3、Tb1……Tb3、Tb1、Tb3、Tb1；
第三个四分之一调制周期中，Tb3恒定导通，Tb1恒定关断，t1、t2、t3、t4……tn-1、tn一一对应的开通开关管为Tb4、Tb2、Tb4、Tb2……Tb4、Tb2；
第四个四分之一调制周期中，Tb3恒定导通，Tb1恒定关断，tn、tn-1……t4、t3、t2、t1一一对应的开通开关管为Tb2、Tb4……Tb2、Tb4、Tb2、Tb4；
共模电压Ucm=（UAo+UBo）/2，Ucm在上半调制周期中恒为Udc/4，在下半调制周期中恒为-Udc/4，其中UAo为A桥臂的A点与母线电压中点o的瞬时电压，UBo为B桥臂的B点与母线电压中点o的瞬时电压。
第二种开关管导通时间分配方案为：
（1）A桥臂开关管的分配为：
第一个四分之一调制周期中，Ta2恒定导通，Ta4恒定关断，t1、t2、t3、t4……tn-1、tn一一对应的开通开关管为Ta3、Ta1、Ta3、Ta1……Ta3、Ta1；
第二个四分之一调制周期中，Ta2恒定导通，Ta4恒定关断，tn、tn-1……t4、t3、t2、t1一一对应的开通开关管为Ta1、Ta3……Ta1、Ta3、Ta1、Ta3；
第三个四分之一调制周期中，Ta3恒定导通，Ta1恒定关断，t1、t2、t3、t4……tn-1、tn一一对应的开通开关管为Ta2、Ta4、Ta2、Ta4……Ta2、Ta4；
第四个四分之一调制周期中，Ta3恒定导通，Ta1恒定关断，tn、tn-1……t4、t3、t2、t1一一对应的开通开关管为Ta4、Ta2……Ta4、Ta2、Ta4、Ta2；
（2）B桥臂开关管的分配为：
第一个四分之一调制周期中，Tb3恒定导通，Tb1恒定关断，t1、t2、t3、t4……tn-1、tn一一对应的开通开关管为Tb2、Tb4、Tb2、Tb4……Tb2、Tb4；
第二个四分之一调制周期中，Tb3恒定导通，Tb2恒定关断，tn、tn-1……t4、t3、t2、t1一一对应的开通开关管为Tb4、Tb2……Tb4、Tb2、Tb4、Tb2；
第三个四分之一调制周期中，Tb2恒定导通，Tb4恒定关断，t1、t2、t3、t4……tn-1、tn一一对应的开通开关管为Tb3、Tb1、Tb3、Tb1……Tb3、Tb1；
第四个四分之一调制周期中，Tb2恒定导通，Tb4恒定关断，tn、tn-1……t4、t3、t2、t1一一对应的开通开关管为Tb1、Tb3……Tb1、Tb3、Tb1、Tb3；
共模电压Ucm=（UAo+UBo）/2，Ucm在整个调制周期内恒为0，其中UAo为A桥臂的A点与母线电压中点o的瞬时电压，UBo为B桥臂的B点与母线电压中点o的瞬时电压。
优选的，时间序列内每个时间的计算方法采用常规技术规则采样法进行计算。
本发明的优点在于：在四分之一调制波周期内计算开通关断的时间序列，然后在各个四分之一区间内分配时间序列和导通的开关管，本发明给出了两种分配方案都实现了低或者零共模干扰，在一个基波周期内仅跳变一次或零次，从干扰源头减小了交流电源的共模干扰，无需增加额外的滤波器件。
附图说明
图1为实施例1的低共模干扰的交流电源拓扑图；
图2为以0°到90°四分之一周期为起点的时间序列计算原理图；
图3为n=6的以0°到90°四分之一周期为起点的时间序列计算原理图；
图4为实施例2调制方案下电压波形；
图5为实施例3调制方案下电压波形；
图6为规则采样法计算原理图。
具体实施方式
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。
实施例1
本实施例公开了一种低共模干扰的交流电源，请参照图1，包括A桥臂、B桥臂、输出滤波电容C和输出滤波电感L，A桥臂包括四个开关管Ta1、Ta2、Ta3、Ta4及四个开关管分别反并联的体二极管Da1、Da2、Da3、Da4，B桥臂包括四个开关管Tb1、Tb2、Tb3、Tb4及四个开关管分别反并联的体二极管Db1、Db2、Db3、Db4。
开关管Ta1上端连接母线电压正Udc+，下端与开关管Ta3上端、开关管Ta4上端、输出滤波电感的一端连接于A点；所述开关管Ta2上端与母线电压中点o相连，下端与开关管Ta3下端相连；开关管Ta4下端与母线电压负Udc-相连。Udc+和Udc-之间连接有电容Cpa、Cna，Cpa和Cna之间为母线电压中点o。
开关管Tb1上端连接母线电压正Udc+，下端与开关管Tb3上端、开关管Tb4上端、输出滤波电容的一端连接于B点；开关管Tb2上端与母线电压中点o相连，下端与开关管Tb3下端相连；开关管Tb4下端与母线电压负Udc-相连。Udc+和Udc-之间连接有电容Cpb、Cnb，Cpb和Cnb之间为母线电压中点o。
A、B点之间依次连接有输出滤波电感L和输出滤波电容C。
实施例2
本实施例还公开了一种基于实施例1电源电路的调制方法，在四分之一调制波周期内计算开通关断的时间序列，然后对各个四分之一周期分配导通时间序列和导通的开关管，载波频率为基波频率的偶数倍，调制波频率与基波频率相等；fc=2m*fs，m为自然数，fc为载波频率，fs为基波频率；每个调制周期只在0到90°或者90°到180°或者180°到270°或者270°到360°（坐标原点为0°）四个区间内的一个区间计算一次导通时间序列；优选的在在0到90°区间内计算导通时间序列。
请参照图2，将调制周期四等分，选用第一个四分之一调制波0到90°作为计算和分配开关管导通的起点，调制波us为正弦波，载波uc为三角波，第一个载波大于调制波的区域对应的时间序列为t1，第二个区域调制波大于三角波，时间序列时间为t2，第三个区域三角波大于调制波，时间序列时间为t3，以此类推，第n-1个区域时间序列时间为tn-1，第n个区域时间序列时间为tn，形成导通时间序列：t1、t2、t3……tn-1、tn，n为一个调制周期内开关管的导通时间序列的个数，值得注意的是最后一个时间tn是半个周期载波和调制波比较形成上的，其他时间都是一个载波和调制波比较形成的。
例如n=6，请参照图3， 0到90°之间有t1（载波大于调制波）、t2（调制波大于载波）、t3（载波大于调制波）、t4（调制波大于载波）、t5（载波大于调制波）、t6（调制波大于载波）组成的时间序列。
时间序列和导通开关管的一种分配如下：
（1）A桥臂开关管的分配为：
第一个四分之一调制周期中，Ta2恒定导通，Ta4恒定关断，t1、t2、t3、t4……tn-1、tn一一对应的开通开关管为Ta3、Ta1、Ta3、Ta1……Ta3、Ta1；
第二个四分之一调制周期中，Ta2恒定导通，Ta4恒定关断，tn、tn-1……t4、t3、t2、t1一一对应的开通开关管为Ta1、Ta3……Ta1、Ta3、Ta1、Ta3；
第三个四分之一调制周期中，Ta3恒定导通，Ta1恒定关断，t1、t2、t3、t4……tn-1、tn一一对应的开通开关管为Ta2、Ta4、Ta2、Ta4……Ta2、Ta4；
第四个四分之一调制周期中，Ta3恒定导通，Ta1恒定关断，tn、tn-1……t4、t3、t2、t1一一对应的开通开关管为Ta4、Ta2……Ta4、Ta2、Ta4、Ta2；
（2）B桥臂开关管的分配为：
第一个四分之一调制周期中，Tb2恒定导通，Tb4恒定关断，t1、t2、t3、t4……tn-1、tn一一对应的开通开关管为Tb1、Tb3、Tb1、Tb3……Tb1、Tb3；
第二个四分之一调制周期中，Tb2恒定导通，Tb4恒定关断，tn、tn-1……t4、t3、t2、t1一一对应的开通开关管为Tb3、Tb1……Tb3、Tb1、Tb3、Tb1；
第三个四分之一调制周期中，Tb3恒定导通，Tb1恒定关断，t1、t2、t3、t4……tn-1、tn一一对应的开通开关管为Tb4、Tb2、Tb4、Tb2……Tb4、Tb2；
第四个四分之一调制周期中，Tb3恒定导通，Tb1恒定关断，tn、tn-1……t4、t3、t2、t1一一对应的开通开关管为Tb2、Tb4……Tb2、Tb4、Tb2、Tb4；
请参照图4，共模电压Ucm=（UAo+UBo）/2，Ucm在上半调制周期中恒为Udc/4，在下半调制周期中恒为-Udc/4，其中UAo为A桥臂的A点与母线电压中点o的瞬时电压，UBo为B桥臂的B点与母线电压中点o的瞬时电压。共模电压在一个基波周期内仅跳变一次，dv/dt产生的能量非常小，共模干扰非常小。
实施例3
本实施例公开了时间序列和导通开关管的另一种分配：
（1）A桥臂开关管的分配为：
第一个四分之一调制周期中，Ta2恒定导通，Ta4恒定关断，t1、t2、t3、t4……tn-1、tn一一对应的开通开关管为Ta3、Ta1、Ta3、Ta1……Ta3、Ta1；
第二个四分之一调制周期中，Ta2恒定导通，Ta4恒定关断，tn、tn-1……t4、t3、t2、t1一一对应的开通开关管为Ta1、Ta3……Ta1、Ta3、Ta1、Ta3；
第三个四分之一调制周期中，Ta3恒定导通，Ta1恒定关断，t1、t2、t3、t4……tn-1、tn一一对应的开通开关管为Ta2、Ta4、Ta2、Ta4……Ta2、Ta4；
第四个四分之一调制周期中，Ta3恒定导通，Ta1恒定关断，tn、tn-1……t4、t3、t2、t1一一对应的开通开关管为Ta4、Ta2……Ta4、Ta2、Ta4、Ta2；
（2）B桥臂开关管的分配为：
第一个四分之一调制周期中，Tb3恒定导通，Tb1恒定关断，t1、t2、t3、t4……tn-1、tn一一对应的开通开关管为Tb2、Tb4、Tb2、Tb4……Tb2、Tb4；
第二个四分之一调制周期中，Tb3恒定导通，Tb2恒定关断，tn、tn-1……t4、t3、t2、t1一一对应的开通开关管为Tb4、Tb2……Tb4、Tb2、Tb4、Tb2；
第三个四分之一调制周期中，Tb2恒定导通，Tb4恒定关断，t1、t2、t3、t4……tn-1、tn一一对应的开通开关管为Tb3、Tb1、Tb3、Tb1……Tb3、Tb1；
第四个四分之一调制周期中，Tb2恒定导通，Tb4恒定关断，tn、tn-1……t4、t3、t2、t1一一对应的开通开关管为Tb1、Tb3……Tb1、Tb3、Tb1、Tb3；
请参照图5，共模电压Ucm=（UAo+UBo）/2，Ucm在整个调制周期内恒为0，其中UAo为A桥臂的A点与母线电压中点o的瞬时电压，UBo为B桥臂的B点与母线电压中点o的瞬时电压。共模电压Ucm在整个基波周期内始终为零，不存在电压跳变，dv/dt始终为零，理想条件下共模干扰为零
实施例4
时间序列内每个时间的计算方法采用常规技术规则采样法进行计算，具体方法如图6，Vc为载波幅值，Vs为调制波幅值，tc为载波周期，t为时间序列内的某一个时间，一般载波周期都远比调制波大，估在一个载波周期内调试波可近似为直线，由相似三角形可知0.5t/0.5tc=（Vc- Vs）/ Vc，t=tc*（Vc- Vs）/ Vc。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种低共模干扰的交流电源调制方法，其特征在于，在一个调制周期内，有调制波幅值高于载波、载波幅值高于调制波两种状态，当处于其中一种状态不变时，记为一种时间次序，状态切换时时间次序加一，形成导通时间序列：t1、t2、t3……tn-1、tn，n为一个调制周期内开关管的导通时间序列的个数，按照导通时间序列分配各个开关管导通状态和导通时间；
载波频率为基波频率的偶数倍，调制频率与基波频率相等；
将调制周期四等分，选用第一个四分之一调制波作为计算和分配开关管导通的起点，依次在四个四分之一周期区间分配导通的开关管和导通时间，开关管导通时间分配方案有两种，第一方案为：
（1）A桥臂开关管的分配为：
第一个四分之一调制周期中，Ta2恒定导通，Ta4恒定关断，t1、t2、t3、t4……tn-1、tn一一对应的开通开关管为Ta3、Ta1、Ta3、Ta1……Ta3、Ta1；
第二个四分之一调制周期中，Ta2恒定导通，Ta4恒定关断，tn、tn-1……t4、t3、t2、t1一一对应的开通开关管为Ta1、Ta3……Ta1、Ta3、Ta1、Ta3；
第三个四分之一调制周期中，Ta3恒定导通，Ta1恒定关断，t1、t2、t3、t4……tn-1、tn一一对应的开通开关管为Ta2、Ta4、Ta2、Ta4……Ta2、Ta4；
第四个四分之一调制周期中，Ta3恒定导通，Ta1恒定关断，tn、tn-1……t4、t3、t2、t1一一对应的开通开关管为Ta4、Ta2……Ta4、Ta2、Ta4、Ta2；
（2）B桥臂开关管的分配为：
第一个四分之一调制周期中，Tb2恒定导通，Tb4恒定关断，t1、t2、t3、t4……tn-1、tn一一对应的开通开关管为Tb1、Tb3、Tb1、Tb3……Tb1、Tb3；
第二个四分之一调制周期中，Tb2恒定导通，Tb4恒定关断，tn、tn-1……t4、t3、t2、t1一一对应的开通开关管为Tb3、Tb1……Tb3、Tb1、Tb3、Tb1；
第三个四分之一调制周期中，Tb3恒定导通，Tb1恒定关断，t1、t2、t3、t4……tn-1、tn一一对应的开通开关管为Tb4、Tb2、Tb4、Tb2……Tb4、Tb2；
第四个四分之一调制周期中，Tb3恒定导通，Tb1恒定关断，tn、tn-1……t4、t3、t2、t1一一对应的开通开关管为Tb2、Tb4……Tb2、Tb4、Tb2、Tb4；
共模电压Ucm=（UAo+UBo）/2，Ucm在上半调制周期中恒为Udc/4，在下半调制周期中恒为-Udc/4，其中UAo为A桥臂的A点与母线电压中点o的瞬时电压，UBo为B桥臂的B点与母线电压中点o的瞬时电压；
第二方案为：
（1）A桥臂开关管的分配为：
第一个四分之一调制周期中，Ta2恒定导通，Ta4恒定关断，t1、t2、t3、t4……tn-1、tn一一对应的开通开关管为Ta3、Ta1、Ta3、Ta1……Ta3、Ta1；
第二个四分之一调制周期中，Ta2恒定导通，Ta4恒定关断，tn、tn-1……t4、t3、t2、t1一一对应的开通开关管为Ta1、Ta3……Ta1、Ta3、Ta1、Ta3；
第三个四分之一调制周期中，Ta3恒定导通，Ta1恒定关断，t1、t2、t3、t4……tn-1、tn一一对应的开通开关管为Ta2、Ta4、Ta2、Ta4……Ta2、Ta4；
第四个四分之一调制周期中，Ta3恒定导通，Ta1恒定关断，tn、tn-1……t4、t3、t2、t1一一对应的开通开关管为Ta4、Ta2……Ta4、Ta2、Ta4、Ta2；
（2）B桥臂开关管的分配为：
第一个四分之一调制周期中，Tb3恒定导通，Tb1恒定关断，t1、t2、t3、t4……tn-1、tn一一对应的开通开关管为Tb2、Tb4、Tb2、Tb4……Tb2、Tb4；
第二个四分之一调制周期中，Tb3恒定导通，Tb2恒定关断，tn、tn-1……t4、t3、t2、t1一一对应的开通开关管为Tb4、Tb2……Tb4、Tb2、Tb4、Tb2；
第三个四分之一调制周期中，Tb2恒定导通，Tb4恒定关断，t1、t2、t3、t4……tn-1、tn一一对应的开通开关管为Tb3、Tb1、Tb3、Tb1……Tb3、Tb1；
第四个四分之一调制周期中，Tb2恒定导通，Tb4恒定关断，tn、tn-1……t4、t3、t2、t1一一对应的开通开关管为Tb1、Tb3……Tb1、Tb3、Tb1、Tb3；
共模电压Ucm=（UAo+UBo）/2，Ucm在整个调制周期内恒为0，其中UAo为A桥臂的A点与母线电压中点o的瞬时电压，UBo为B桥臂的B点与母线电压中点o的瞬时电压；
所述低共模干扰的交流电源包括A桥臂、B桥臂、输出滤波电容C和输出滤波电感L，所述A桥臂包括四个开关管Ta1、Ta2、Ta3、Ta4及四个开关管分别反并联的二极管Da1、Da2、Da3、Da4，所述B桥臂包括四个开关管Tb1、Tb2、Tb3、Tb4及四个开关管分别反并联的二极管Db1、Db2、Db3、Db4；
所述开关管Ta1上端连接母线电压正Udc+，下端与开关管Ta3上端、开关管Ta4上端、输出滤波电感的一端连接于A点；所述开关管Ta2上端与母线电压中点o相连，下端与开关管Ta3下端相连；所述开关管Ta4下端与母线电压负Udc-相连；
所述开关管Tb1上端连接母线电压正Udc+，下端与开关管Tb3上端、开关管Tb4上端、输出滤波电容的一端连接于B点；所述开关管Tb2上端与母线电压中点o相连，下端与开关管Tb3下端相连；所述开关管Tb4下端与母线电压负Udc-相连；
A点、B点之间依次连接有输出滤波电感L和输出滤波电容C。
2.根据权利要求1所述的低共模干扰的交流电源调制方法，其特征在于，第一个四分之一调制周期为0到90°，计算和分配开关管导通的起点，调制波us为正弦波，载波uc为三角波，第一个载波大于调制波的区域对应的时间序列为t1，最后一个时间tn是半个周期载波和调制波比较形成第n个区域时间序列时间。
3.根据权利要求1所述的低共模干扰的交流电源调制方法，其特征在于，时间序列内每个时间的计算方法采用规则采样法进行计算。
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Denomination of invention: A Low Common Mode Interference AC Power Supply and Its Modulation Method

Effective date of registration: 20231218

Granted publication date: 20230808

Pledgee: China Merchants Bank Co.,Ltd. Jinan Branch

Pledgor: Shandong Ainuo Intelligent Instrument Co.,Ltd.

Registration number: Y2023980072046

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