TW201421888A - 低共模噪聲的電源變換裝置及其應用系統 - Google Patents

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Abstract

一種低共模噪聲的電源變換裝置，包括：電源變換電路，其係包括：交流源；功率變換單元，具有直流端和交流端；濾波電感單元，其係包含第一端和第二端，濾波電感單元的第一端連接交流源，第二端連接功率變換單元的交流端；共模噪聲抑制電路，其係包括：容性阻抗網路及阻抗平衡網路，分別包括第一端和第二端；容性阻抗網路的第二端與阻抗平衡網路的第一端連接，容性阻抗網路的第一端與濾波電感單元的第一端連接，阻抗平衡網路的第二端連接功率變換單元的直流端；阻抗平衡網路與濾波電感單元在預設電磁干擾頻段具有相同的阻抗特性。

Description

低共模噪聲的電源變換裝置及其應用系統
本發明涉及一種電源變換裝置，包括使用這種電源變換裝置的能量轉換系統、電能質量裝置和能量控制系統。
電源變換裝置的開關元件的開關動作會引起較高的電壓變化率（dv/dt）和電流變化率（di/dt），這些電壓電流的快速變化會通過系統對地的分布電容産生共模噪音，流入電網，從而干擾連接在電網上的其他電子設備。

圖1示例性示出了一典型的三相功率變換器拓撲及其産生共模噪聲的原因的電路圖。11爲功率變換單元，例如由三個半導體橋臂並聯構成，每個橋臂由兩個半導體器件構成。在圖1中，121和122分別爲直流母線電容CB1和CB2，123爲直流母線中點O，即直流母線電容CB1和CB2的連接點；15爲交流源，例如電網。131、132、133分別爲濾波電感La、Lb、Lc，各濾波電感的一端與交流源15對應的一相相線連接，另一端與功率變換單元11對應的橋臂中點相連，通常這三個濾波電感的分布是對稱的。14爲一組星形連接的差模濾波電容組，例如包括三個連接成星形的電容Cx，141爲三個電容Cx連接構成的公共端N。圖1中的濾波電感La、Lb、Lc與X電容組14組成差模濾波器。G表示接地，爲簡潔起見，只標示出了一處，其餘處由相同的器件符號標示。16爲電源阻抗穩定網路（LISN），是傳導電磁干擾測試時的輔助設備。

直流母線中點O與地之間具有分布電容C0（100）。類似地，功率變換單元11的橋臂中點A、B、C對地分別具有分布電容C1a（101）、C1b（102）、C1c（103）。直流母線中點O以及橋臂中點A、B、C對地電位跳變會通過上述分布電容C0、C1a、C1b、C1c産生位移電流，位移電流流入地，形成共模噪聲。

爲了滿足國際電磁兼容標準，如何更有效，更低成本地抑制共模噪聲，是業界普遍關注的問題。
圖2示例性示出了傳統技術中一種抑制共模噪聲的解决方案的電路圖。圖2與圖1的區別在於在電網15與功率變換單元11之間的三相電源線上增加了一個無源共模濾波器17來抑制共模噪聲。圖2中的無源共模濾波器17包括一個共模電感LCM（171）和一組Y電容組172，Y電容組172例如包括三個連接成星形的電容CY，三個電容CY的公共端NY（173）接地。
然而，圖2中的共模電感171往往體積較大，成本較高。而且當要求的共模感量較大時，共模電感171甚至很難設計。
圖3示意了傳統技術中另一類抑制共模噪聲的解决方案，就是通過減小原始共模噪聲來降低對共模濾波器的要求。圖3示例性示出了該種抑制共模噪聲的解决方案的電路圖。圖3與圖1的區別在於將星形連接的X電容組14的公共端N（141）直接與直流母線中點O（123）相連。由於N是一個虛擬中性點，其電位較穩，將直流母線中點O與該虛擬中性點N直接相連後，母線的對地電位也被嵌位到穩定電位，因而可以在一定程度上改善共模噪聲。
然而，圖3的方案只能抑制通過功率變換器的直流母線對地分布電容C0（100）流入地時所産生的共模噪聲，而對於通過功率變換單元的橋臂中點A、B、C對地分布電容C1a（101）、C1b（102）、C1c（103）引起的共模電流，則不但不能抑制，反而還會增加。
爲了解决上述技術問題之一，本申請提供了一種低共模噪聲的電源變換裝置，包括：電源變換電路。電源變換電路包括：交流源，功率變換單元和濾波電感單元。功率變換單元具有直流端和交流端，濾波電感單元包含第一端和第二端，濾波電感單元的第一端連接交流源，濾波電感單元的第二端連接功率變換單元的交流端。低共模噪聲的電源變換裝置還包括共模噪聲抑制電路。共模噪聲抑制電路包括：一容性阻抗網路和阻抗平衡網路。容性阻抗網路包括第一端和第二端；阻抗平衡網路包括第一端和第二端。容性阻抗網路的第二端與阻抗平衡網路的第一端連接，容性阻抗網路的第一端與濾波電感單元的第一端連接，阻抗平衡網路的第二端連接功率變換單元的直流端。阻抗平衡網路與濾波電感單元在預設電磁干擾頻段具有相同的阻抗特性。

本申請還提供了一種能量轉換系統，包括：交流源；第一功率變換單元，具有直流端和交流端；第二功率變換單元，具有直流端和交流端；電機；和共模噪聲抑制電路。其中，交流源與第一功率變換單元的交流端耦接，第一功率變換單元的直流端與第二功率變換單元的直流端耦接，第二功率變換單元的交流端與電機電性耦接，共模噪聲抑制電路與第一功率變換單元耦接。第一功率變換單元包括：一第一功率變換電路和一濾波電感單元。該第一功率變換電路具有直流端和交流端。濾波電感單元包含第一端和第二端，濾波電感單元的第一端連接交流源，濾波電感單元的第二端連接第一功率變換電路的交流端。共模噪聲抑制電路包括：容性阻抗網路和阻抗平衡網路，容性阻抗網路包括第一端和第二端；阻抗平衡網路包括第一端和第二端；容性阻抗網路的第二端與阻抗平衡網路的第一端連接，容性阻抗網路的第一端與濾波電感單元的第一端連接，阻抗平衡網路的第二端連接第一功率變換電路的直流端。其中，阻抗平衡網路與濾波電感單元在預設電磁干擾頻段具有相同的阻抗特性。

本申請還提供了一種電能質量裝置，包括：逆變電路單元和共模噪聲抑制電路。逆變電路單元連接於一交流源，逆變電路單元用於補償與交流源電性連接的非線性負載所産生的無功和/或諧波，逆變電路單元包括：逆變電路和濾波電感單元。逆變電路具有直流端和交流端，濾波電感單元包含第一端和第二端，濾波電感單元的第一端連接交流源，濾波電感單元的第二端連接逆變電路的交流端。共模噪聲抑制電路包括：容性阻抗網路和阻抗平衡網路。容性阻抗網路包括第一端和第二端，阻抗平衡網路包括第一端和第二端；其中，容性阻抗網路的第二端與阻抗平衡網路的第一端連接，容性阻抗網路的第一端與濾波電感單元的第一端連接，阻抗平衡網路的第二端連接逆變電路的直流端；阻抗平衡網路與濾波電感單元在預設電磁干擾頻段具有相同的阻抗特性。

本申請還提供了一種能量控制系統，包括：直流源、交流源、逆變電路單元和共模噪聲抑制電路。逆變電路單元包括：逆變電路，和濾波電感單元。逆變電路具有直流端和交流端；濾波電感單元包含第一端和第二端，濾波電感單元的第一端連接交流源，濾波電感單元的第二端連接逆變電路的交流端。共模噪聲抑制電路包括：容性阻抗網路以及阻抗平衡網路。容性阻抗網路包括第一端和第二端，阻抗平衡網路包括第一端和第二端。其中，容性阻抗網路的第二端與阻抗平衡網路的第一端連接，容性阻抗網路的第一端與濾波電感單元的第一端連接，阻抗平衡網路的第二端連接逆變電路的直流端，逆變電路的直流端連接直流源；阻抗平衡網路與濾波電感單元在預設電磁干擾頻段具有相同的阻抗特性。
根據本申請的抑制共模噪聲的電源變換裝置，能夠有效地降低電源變換裝置的共模噪聲，或者幫助減小所採用的共模濾波電感的體積或共模濾波電感的設計困難、或降低整個電源變換裝置成本。
下面將結合圖5至圖13C詳細描述本申請。需要注意的是，在以下描述的本申請的附圖中，具有相同參考標記的元件在系統中具有相同的功能，作爲連接導線的線段之間如果存在交叉點，那麽交叉點上帶有黑點“‧”則表示該交叉點是連接點，交叉點上不帶有黑點“‧”則表示該交叉點不是連接點而僅僅是相互穿越；各線圈所示的匝數僅僅是示意圖，而不表示實際的匝數值或匝數比；各電感、變壓器線圈和電容的符號不但代表該元件自身，還可以表示該元件的容量的代數符號。

在圖3中將星形連接的X電容組14的公共端N（141）直接與直流母線中點O（123）相連，連接線上的零序分量電流可能會比較大。圖4示例性示出了一種能夠控制低頻零序分量的電流的抑制共模噪聲的解决方案的電路圖。圖4與圖3的區別在於X電容組14的公共端N（141）與直流母線中點O（123）之間通過一個電容Cs來連接，以便能夠適當地控制零序分量的電流。

然而，圖4的方案仍然只能抑制通過直流母線對地分布電容C0（100）流入地時所産生的共模噪聲，而對於通過橋臂中點A、B、C對地分布電容C1a（101）、C1b（102）、C1c（103）引起的共模電流，則不但不能抑制，反而還會增加。

本申請提供了一種低共模噪聲的電源變換裝置。圖5示例性示出了根據本申請的一個低共模噪聲的電源變換裝置的一實施例的電路圖。圖5所示低共模噪聲的電源變換裝置包括：功率變換單元21，具有直流端和交流端，其中直流端包括正極端子PO和負極端子NE，交流端包括三相交流端子At、Bt和Ct。各相交流端子之間的電壓爲經高頻調製的低頻交流電壓，通常各端子的分布是對稱的。功率變換單元21可以爲交流-直流整流器、或直流-交流逆變器。直流母線電容CB1（121）和CB2（122）串聯連接於功率變換單元21的直流端的正極端子PO和負極端子NE之間，直流母線電容CB1和CB2的連接點123爲直流母線中點O，其中直流母線電容也可以只有一個。交流源15爲包括三相電壓Ua、Ub和Uc的三相電源。濾波電感單元包括數目與功率變換單元21的交流端數目相同的若干濾波電感子單元。該濾波電感子單元可以是單一的電感，例如爲濾波電感La（131）、Lb（132）、Lc（133）。濾波電感單元的一端與交流源15連接，而另一端與功率變換單元21對應的交流端子相連。該電源變換裝置還包括共模噪聲抑制電路。該共模噪聲抑制電路包括容性阻抗網路24和阻抗平衡網路28。容性阻抗網路24包括第一組端子Dt、Et和Ft以及第二組端子Gt、Ht和It。第一組端子Dt、Et和Ft分別與交流源15對應的一相連接，即與濾波電感單元的一端連接。阻抗平衡網路28包括第三組端子Jt、Kt和Lt以及第四端子Mt，第三組端子Jt、Kt和Lt分別與容性阻抗網路24對應的第二組端子Gt、Ht和It相連接，第四端子Mt與功率變換單元21的直流母線中點O（123）相連接。在其他實施例中，阻抗平衡網路28的第四端子Mt也可與功率變換單元21直流端子中正極PO或負極NE相連。其中，阻抗平衡網路28的阻抗在打算抑制共模噪聲的頻率範圍內，即預設電磁干擾頻段與濾波電感La（131）、Lb（132）、Lc（133）具有一致的阻抗特性，例如都爲感性阻抗或都爲容性阻抗，本文中所有涉及的阻抗特性都是指該阻抗爲容性阻抗還是感性阻抗，比如說相同的阻抗特性，即指它們在關注的頻率上都是感性阻抗，或者都是容性阻抗。

圖5中的功率變換單元21例如可以是如圖6A所示的兩電平電路中的功率變換單元31。圖6A示例性示出了根據本申請的一個低共模噪聲的電源變換裝置中的功率變換單元的一實施例的電路圖。三相交流端子At、Bt和Ct分別對應連接到兩電平電路的功率變換單元31各橋臂的中點A、B和C。

圖5中的功率變換單元21例如可以是如圖6B所示的三電平電路中的功率變換單元41。圖6B示例性示出了本申請的低共模噪聲的電源變換裝置中的功率變換單元的另一個實施例的電路圖。三相交流端子At、Bt和Ct分別對應連接到三電平電路的功率變換單元41各橋臂的中點A、B和C。
圖5中的容性阻抗網路24例如可以是如圖7A中所示的純電容網路34。圖7A示例性示出了根據本申請的低共模噪聲的電源變換裝置中的容性阻抗網路的一個實施例的電路圖。圖7A所示的純電容網路34例如包括三個電容Cx，可用於三相的應用中，即與功率變換單元21的相數對應，通常三個電容Cx的參數相同。其中，每個電容Cx也可以是由多個電容組合連接形成。

圖5中的容性阻抗網路24例如可以是如圖7B中所示的阻容網路44。圖7B示例性示出了根據本申請的低共模噪聲的電源變換裝置中的容性阻抗網路的另一個實施例的電路圖。圖7B所示的阻容網路44包括三個容性支路，與功率變換單元21的交流端數目對應，通常三個容性支路的參數相同。其中每個容性支路包括一個電容Cx和一個電阻Rx的串聯，由於阻容網路44是用於耦合交流的無源網路，所以不分極性，即上下翻轉過來、電容電阻位置互換均可以使用。在其他容性阻抗網路的實施例中，每個容性支路可以是由多個電容和電阻組合連接形成。

圖5中的阻抗平衡網路28例如可以是如圖8A中所示的單個電感Lx（38）。圖8A示例性示出了根據本申請的低共模噪聲的電源變換裝置中的阻抗平衡網路的一個實施例的電路圖。圖8A所示的單個電感Lx一端分別連接容性阻抗網路24的第二組端子Gt、Ht和It，單個電感Lx的另一端可直接或通過電容和/或電阻連接到功率變換單元21的直流端例如直流母線中點O（123）。

圖5中的阻抗平衡網路28例如可以是如圖8B中所示的非耦合電感網路48。圖8B示例性示出了根據本申請的低共模噪聲的電源變換裝置中的阻抗平衡網路的另一個實施例的電路圖。圖8A所示的非耦合電感網路48例如包括三個電感Lx，每個電感Lx的一端連接容性阻抗網路24的第二組端子Gt、Ht和It中相應的一個，通常三個電感Lx的參數相同，每個電感Lx的另一端可直接或通過電容和/或電阻連接到功率變換單元21的直流端，例如直流母線中點O（123）。

圖5中的阻抗平衡網路28例如可以是如圖8C中所示的耦合電感網路58。圖8C示例性示出了根據本申請的低共模噪聲的電源變換裝置中的阻抗平衡網路的又一個實施例的電路圖。圖8C所示的耦合電感網路58例如是一個三相耦合電感，包括三個繞組，該三相耦合繞組的第一組端子的每一個端子分別連接容性阻抗網路24的第二組端子Gt、Ht和It中相應的一個，三個繞組的另一組端子即該三相耦合電感的公共端可直接或通過電容連接到功率變換單元21的直流端，例如直流母線中點O（123）。其中，三個繞組彼此磁耦合。至於實現磁耦合的方式多種多樣，在此不進行進一步例舉。

圖9A示例性示出了根據本申請的低共模噪聲的電源變換裝置的具體實施例的電路圖。其中，阻抗平衡網路的阻抗示意爲平衡阻抗Z0。平衡阻抗Z0與構成濾波電感單元的濾波電感La（131）、Lb（132）、Lc（133）具有一致的阻抗特性，例如在預設降低共模噪聲的頻率範圍內都呈感性。
爲了更好地理解本申請，下面將通過等效模型電路等效電路來進一步闡述本申請的原理。

圖9B示例性示出了針對圖9A的電源變換裝置的三相所産生的共模噪聲所建立的模型電路圖。基於圖9A構建共模噪聲模型電路，如圖9B所示該共模噪聲等效模型包括直流母線中點O與地之間的分布電容C0（100）、功率變換單元11的橋臂中點A、B、C對地分別具有的分布電容C1a（101）、C1b（102）、C1c（103）、濾波電感La（131）、Lb（132）、Lc（133）和電壓uAO、uBO和uCO和一電源阻抗穩定網路16。在此等效模型電路中，電壓uAO、uBO和uCO是橋臂中點A、B、C對直流母線中點O之間的電壓。電源阻抗穩定網路爲干擾測試時的輔助設備，電源阻抗穩定網路16的阻抗等效爲ZLISN/3，其上的壓降即爲共模電壓。
根據線性疊加原理，可以分別對圖9B中的三相電壓uAO、uBO和uCO單獨地進行分析。例如在分析電壓uAO所引起的共模噪聲時，可以另外兩相的電壓uBO和uCO視爲短路，這樣，就能夠進一步得到圖9C所示的等效電路。

圖9C示例性示出了針對圖9B中一相的共模噪聲的等效模型電路圖。如圖9C所示，該等效模型電路包括一感性支路。該感性支路包括並聯的濾波電感Lb、Lc即Lb//Lc（134）、平衡阻抗Z0（68）和濾波電感La（131）；Lb//Lc（134）與平衡阻抗Z0（68）並聯且與濾波電感La（131）串聯，濾波電感與並聯的Lb//Lc（134）和平衡阻抗Z0的連接點爲一第一節點。該等效模型電路還包括一容性支路。該容性支路包括分布電容C1a（101）、C1b、C1c和C0；分布電容C1b、C1c和C0相互之間並聯且與分布電容C1a串聯，分布電容C1a與其他分布電容的連接點爲一第二節點。電源阻抗網路16的兩端分別與第一節點和第二節點連接。圖9C所示電路構成了一個惠斯登電橋（wheatstone bridge）。

如果該電橋滿足電橋平衡條件，電源阻抗網路16兩端電壓爲零，共模電壓爲零。即只要滿足以下公式：
 （1），

其中，ZLa是濾波電感La的阻抗、Z0是平衡阻抗Z0的阻抗、ZLb是濾波電感Lb的阻抗、ZLc是濾波電感Lc的阻抗、是分布電容C1a的阻抗、分布電容C1b的阻抗、是分布電容C1c的阻抗、以及是分布電容C0的阻抗。那麽，當電源阻抗穩定網路16兩端電壓較小或接近等於0時，對於La所在相産生的共模噪聲就可以得到一定程度的抑制。

由於實際電感爲非理想電感，存在分布參數，在頻率較高時，其阻抗可能呈現容性。例如前述的濾波電感La、Lb、Lc可能在10MHz之前爲感性，在10MHz之後爲容性。爲了滿足公式（1），如果要讓所述惠斯登電橋在一個較寬的頻率範圍內達到平衡，那麽平衡阻抗Z0與濾波電感La、Lb、Lc需要有一致的阻抗特性，應該在預設電磁干擾頻率範圍，例如共模噪聲的頻率範圍內，可既呈現感性也可呈現容性。例如，在頻率較低時，濾波電感La、Lb、Lc的阻抗爲感性阻抗，則平衡阻抗Z0也需要呈現感性；在頻率較高時，濾波電感的阻抗爲容性阻抗，則相應地，平衡阻抗Z0也需要呈現容性。

以此類推，對於其他兩相共模噪聲的等效模型電路與圖9C所示基本一致。爲達到各相共模噪聲平衡，可能平衡阻抗Z0的值會有所不同。因此Z0的設計可以依據共模噪聲的主要來源的相，選擇能抑制該相共模噪聲的平衡阻抗Z0的參數，或可根據需要去設計使得三相總共模噪聲最小的原則來設計平衡阻抗Z0的參數。

考慮到爲使各相的共模噪聲均能得到一定程度的抑制，那麽功率變換單元結構對稱，即各相包括元件數目和種類相同且相同元件的連接關係一致，且各相相同元件的參數一致，因此可假設各濾波電感La=Lb=Lc=L，功率變換單元11對地之間的分布電容C1a=C1b=C1c=C1。

圖9D與圖9C所示的等效模型電路的差別主要在於，圖9D將上述對濾波電感和分布電容的假設參數代入了圖9C。由於功率變換單元各相結構對稱，相同元件的參數一致，根據線性叠加的原理，圖9C的電壓uAO可轉換成電壓uAO、uBO和uCO之和。因此，圖9B所示的電源變換裝置共模噪聲模型就可以等效爲圖9D所示的等效模型電路。

如圖9D所示，爲使圖9所示的惠斯登電橋達到平衡，電源阻抗網路兩端的電壓相等，即滿足公式：
 （2），

其中，Z表示阻抗的意思，Z0是平衡阻抗Z0的阻抗。

在實際工程應用中，三個濾波電感La、Lb、Lc可能會存在一定的容差（例如10%），或者三個分布電容C1a、C1b、C1c也可能會存在一定的容差（例如10%）。那麽，按照公式（2）得到的平衡阻抗Z0的取值達到抑制共模噪聲的效果與預期效果會有些偏差，這種偏差應是在正常允許範圍內的。

圖10示例性示出了根據本申請的低共模噪聲的電源變換裝置的又一個實施例的電路圖。圖10所示的電路是圖5所示的技術方案的又一個具體實施例。圖10與圖9A的區別在於，圖10更具體地示意了阻抗平衡網路包括一個電感L1（67）、隔直電容Cs（18）和阻尼電阻Rd（19），這三者相互串聯。當然在其他的實施例中，阻抗平衡網絡也可只包含一個電感。

對於圖10所示的阻抗平衡網路，在電感L1與隔直電容Cs的諧振頻率f0之前，即低於諧振頻率f0，電感L1、隔直電容Cs和阻尼電阻Rd的串聯支路的阻抗主要取决於隔直電容Cs，從而可以限制或隔離低頻段的零序電流。在電感L1與隔直電容Cs的諧振頻率f0之後，即高於諧振頻率f0，電感L1、隔直電容Cs和阻尼電阻Rd的串聯支路的阻抗主要取决於電感L1。因此，在實際應用時，爲保證在預設電磁干擾頻段，例如共模噪聲所在的干擾頻段，阻抗平衡網路與濾波電感具有相同的阻抗特性，達到降低共模噪聲的效果，可將阻抗平衡網路的諧振頻率設置小於該干擾頻段的最小頻率。例如關注的電磁干擾頻段爲9kHz-30MHz時，只需將f0設置在小於9kHz，例如可以取f0=1kHz。

圖10中的阻尼電阻Rd在電感L1與隔直電容Cs諧振時起到阻尼的作用，以免使電感L1、隔直電容Cs和阻尼電阻Rd的串聯支路産生過大的電流。

雖然以上各實施例主要是例舉電源變換裝置中功率變換單元爲三相功率變換單元的情况，然而電源變換裝置中功率變換單元並不局限於三相功率變換單元，也可以是單相功率變換單元。

例如，圖11示例性示出了低共模噪聲的電源變換裝置中功率變換單元爲單相功率變換單元實施例的電路圖。

可以看到，圖11中的單相交流源25、單相功率變換單元51、容性阻抗網路54、由濾波電感La（131）、Lb（132）構成的濾波電感單元、以及包含電感Ls（66）的阻抗平衡網路。圖11所示的單相功率變換單元具有兩交流端，容性阻抗網路54包括兩電容，電容的一端對應與單相功率變換單元的一端連接，而另一端連接阻抗平衡網路。該圖11所示的實施例中，阻抗平衡網路以一單一的電感Ls（66）為例。該單相功率變換單元51具有兩橋臂，兩橋臂分別具有一橋臂中點A和一橋臂中點B。以橋臂中點A爲例，按照上述共模噪聲的等效模型，若需降低橋臂中點A可能産生的共模噪聲，則需滿足公式：
　（3），

其中，C1a、C1b分別代表橋臂中點A和橋臂中點B對地的分布電容，C0代表直流母線中點123對地的分布電容，Z代表阻抗的符號，例如ZLa是濾波電感La的阻抗，其他的可依次類推。

如以上實施例，若單相功率變換單元51兩橋臂結構對稱，即包含元件的數目和種類相同，且相同元件的連接關係一致，各橋臂相同元件的參數一致。這樣，阻抗平衡網路的同一阻抗值可同時對兩橋臂中點導致的共模噪聲具有一定抑制作用。然而若在實際情况中，兩橋臂的結構並非對稱，那麽可根據實際需求或者以降低主要共模噪聲源爲目的去設計阻抗平衡網路的阻抗。

對於以上電源變換裝置的實施例應不局限於以上介紹的實施例，實際上以上介紹的電源變換裝置各個組件可變換的實施例之間相互交叉組合也是可行的。因此，本申請所要保護的電源變換裝置應不局限於以上例舉的實施例，而是已所附上的權利要求書所要求保護的範圍爲准。

圖12A示例性示出了原始共模噪聲、傳統技術方案以及本申請技術方案三個方案的交流掃描仿真結果，仿真模型爲各自對應的共模噪聲等效電路模型。原始共模噪聲的共模噪聲的等效模型是基於圖1所示電路。傳統技術方案的共模噪聲的等效模型是基於圖3所示電路。而在圖12A中，本申請技術方案的共模噪聲的等效模型是以圖9D爲例。假設這三種方案的共模噪聲的等效模型中所涉及的元件參數是相同的，例如各橋臂中點對地分布電容均爲C1=20皮法，直流母線中點對地分布電容C0=1納法，每相濾波電感均爲L=700微亨，電源阻抗穩定網路16中的阻抗ZLISN=50，而圖9D中所示平衡阻抗Z0以設置爲14微亨的一個電感為例。三種仿真結果如圖12A所示，原始共模噪聲的結果如小矩形指示的曲線所示，傳統技術方案的共模噪聲的結果如小三角形指示的曲線所示，而最後一條曲線則爲圖9D所示等效模型結合以上具體參數值仿真出的結果。從圖12所示的結果可看出：在大約1.3MHz以前，如圖3所示的傳統技術方案對共模噪聲有一定的抑制作用，但在頻率超過1.3MHz之後，共模噪聲反而增加；而例舉的本申請的技術方案，已經減小到背景噪聲的程度了。

圖12B示例性示出了爲根據圖1所示的傳統功率變換器電路的共模噪聲仿真結果。圖12C是根據圖3所示的傳統具有降低噪聲功能技術的功率變換器電路的共模噪聲仿真結果。圖12D是根據圖9A所例舉的本申請的電源轉換系統的共模噪聲仿真結果，其中平衡阻抗Z0以一單一電感爲例。這三張電路共模噪聲的仿真結果所基於的電路中功率變換單元的三相橋臂均完全對稱，且仿真所基於的電路中參數均相同，例如橋臂中點對地的分布電容C1=20皮法，直流母線中點對地的分布電容C0=1納法，濾波電感L=700微亨，電源阻抗穩定網路16中的阻抗ZLISN=50歐姆。圖12B至圖12D三種電路的仿真結果基本與圖12A所示三種共模噪聲等效模型電路一致。觀察對比圖12B至圖12D，不難發現本申請技術方案的共模噪聲仿真結果是優於其他兩種技術方案的。

本申請的低共模噪聲方案可以應用在各種電源系統中。

圖13A示例性示出了低共模噪聲的電源變換裝置應用于一能量轉換系統中的一個應用實施例。該應用例可以爲一變頻器驅動系統，電機300爲電動機，電能從電網200流入電機300，轉換成機械能。該變頻器驅動系統可以是帶有有源前端（AFE）的變頻器驅動（VFD）系統。其中，該變頻器驅動系統包括第一功率變換單元111和第二功率變換單元112；該功率變換單元111爲一整流單元，例如可以是如圖9A中所示的由三個橋臂組成的功率變換單元11，用於將交流電壓轉換爲直流電壓。第二功率變換單元112爲一逆變單元，用於驅動該電機300。

圖13A所示的應用例也可以爲一風力發電系統，在作爲風力發電系統時，該電機300可以是發電機，例如風力發電機。電機300借助其他能源産生的電能輸送給電網200，電能是從電機300流入電網200。這時，第一功率變換單元111是一逆變單元，將直流電壓轉換爲交流電壓。第二功率變換單元112爲一整流單元，將電機300所産生的交流電轉化爲直流電輸送給第一功率變換單元111；第一功率變換單元111將接收的直流電轉換成可輸送至電網的交流電。

在圖13A所示的應用例中，共模噪聲的抑制原理在以上內容已有描述過，因此不在這重複闡述。

圖13B示例性示出了低共模噪聲的電源變換裝置另一個應用實施例的電路圖。該電源變換裝置還可以應用於電能質量裝置，例如有源電力濾波器（APF）或無功補償裝置。電能質量裝置的作用通常是用來補償非線性負載400産生的諧波和/或無功。如圖13B所示，該電能質量裝置包括一逆變電路單元111，爲避免非線性負載對交流源，例如電網200，造成污染，逆變電路單元111的輸出可用於補償非線性負載産生的諧波和/或無功。因此，在本實施例中，功率變換單元是作爲逆變電路單元111工作的，因此該逆變電路單元111産生的共模噪聲也得到一定程度的降低。在此逆變電路單元111中阻抗平衡網路以單一電感Ls（66）進行例舉，其降低共模噪聲的原理在以上內容已有描述過，因此不在這重複闡述。
圖13C示例性示出了低共模噪聲的電源變換裝置應用於能量控制系統的一實施例的電路圖。具體地，該應用例爲其在太陽能並網逆變系統中的應用。太陽能電池組500用於産生直流電壓，並將所産生的直流電壓提供給電源變換裝置的逆變電路單元111的直流端，通過逆變電路單元111變換成三相交流電後送入電網200。在此應用例中，功率變換單元也是作爲逆變電路單元111工作的，因此該逆變電路單元111産生的共模噪聲也得到一定程度降低，其降低共模噪聲原理以上內容已有描述過，因此不再贅述。

根據本申請的低共模噪聲的電源變換裝置，能夠有效地降低電源變換裝置的共模噪聲向電網傳播，而且免除了現有技術中因採用大容量共模濾波電感所需要的大體積、高成本和設計上的困難。

雖然已參照典型實施例描述了本申請，但應當理解，所用的術語是說明和示例性、而非限制性的術語。由於本申請能夠以多種形式具體實施，所以應當理解，上述實施例不限於任何前述的細節，而應在隨附權利要求所限定的範圍內廣泛地解釋，因此落入權利要求或其等同範圍內的全部變化和改型都應爲隨附權利要求所涵蓋。
11、21、31、41．．．功率變換單元
121．．．直流母線電容CB1
122．．．直流母線電容CB2
123．．．直流母線中點O
15．．．交流源
16．．．電源阻抗穩定網路
131．．．濾波電感La
132．．．濾波電感Lb
133．．．濾波電感Lc
14．．．一組星形連接的差模濾波電容組
141．．．公共端N
16．．．電源阻抗穩定網路
17．．．無源共模濾波器
171．．．共模電感
172．．．電容組
173．．．公共端
18．．．隔直電容Cs
19．．．阻尼電阻Rd
100．．．電容C0
101．．．電容C1a
102．．．電容C1b
103．．．電容C1c
Cx．．．電容
24、54．．．容性阻抗網路
25．．．單相交流源
28．．．阻抗平衡網路
38．．．電感Lx
44．．．阻容網路
48．．．非耦合電感網路
51．．．單相功率變換單元
58．．．耦合電感網路
66．．．電感Ls
200．．．電網
300．．．電機
111．．．第一功率變換單元
112．．．第二功率變換單元
400．．．非線性負載
500．．．太陽能電池組
67．．．電感L1
Dt、Et、Ft．．．第一組端子
Gt、Ht、It．．．第二組端子
Jt、Kt、Lt．．．第三組端子
Mt．．．第四端子
uAO、uBO、uCO．．．電壓
圖1示例性示出了一典型的三相功率變換器拓撲及其産生共模噪聲的原因的電路圖；
圖2示例性示出了傳統技術中一種抑制共模噪聲的解决方案的電路圖；
圖3示例性示出了傳統技術中另一種抑制共模噪聲的解决方案的電路圖；
圖4示例性示出了一種能夠控制零序分量的電流的抑制共模噪聲的解决方案的電路圖；
圖5示例性示出了低共模噪聲的電源變換裝置的第一個實施例的電路圖；
圖6A示例性示出了低共模噪聲的電源變換裝置中的功率變換單元的一個實施例的電路圖；
圖6B示例性示出了低共模噪聲的電源變換裝置中的功率變換單元的另一個實施例的電路圖；
圖7A示例性示出了低共模噪聲的電源變換裝置中的容性阻抗網路的一個實施例的電路圖；
圖7B示例性示出了根據本申請的低共模噪聲的電源變換裝置中的容性阻抗網路的另一個實施例的電路圖；
圖8A示例性示出了低共模噪聲的電源變換裝置中的阻抗平衡網路的一個實施例的電路圖；
圖8B示例性示出了低共模噪聲的電源變換裝置中的阻抗平衡網路的另一個實施例的電路圖；
圖8C示例性示出了低共模噪聲的電源變換裝置中的阻抗平衡網路的又一個實施例的電路圖；
圖9A示例性示出了低共模噪聲的電源變換裝置的第二個實施例的電路圖；
圖9B示例性示出了針對圖9A的電源變換裝置的三相所産生的共模噪聲所建立的模型電路圖；
圖9C示例性示出了針對圖9B中一相的共模噪聲的模型等效電路圖；
圖9D示例性示出了針對圖9B中三相完全對稱時共模噪聲模型等效電路圖；
圖10示例性示出了根據低共模噪聲的電源變換裝置的第三個實施例的電路圖；
圖11示例性示出了低共模噪聲的電源變換裝置的第四個實施例的電路圖；
圖12A示例性示出了原始共模噪聲、傳統技術方案以及本申請技術方案根據共模噪聲等效模型的交流掃描結果；
圖12B至圖12D分別示例性示出了根據圖1所示的傳統技術的功率變換器的原始共模噪聲、根據圖3所示的傳統技術抑制後的共模噪聲、以及採用圖9A所示的本申請的共模噪聲抑制方案的電路仿真結果；
圖13A示例性示出了根據本申請的低共模噪聲的電源變換裝置一個應用實施例的電路圖；
圖13B示例性示出了根據本申請的低共模噪聲的電源變換裝置另一個應用實施例的電路圖；以及
圖13C示例性示出了根據本申請的低共模噪聲的電源變換裝置又一個應用實施例的電路圖。
21．．．功率變換單元
121．．．直流母線電容CB1
122．．．直流母線電容CB2
123．．．直流母線中點O
15．．．交流源
16．．．電源阻抗穩定網路
131．．．濾波電感La
132．．．濾波電感Lb
133．．．濾波電感Lc
24．．．容性阻抗網路
28．．．阻抗平衡網路
Dt、Et、Ft．．．第一組端子
Gt、Ht、It．．．第二組端子
Jt、Kt、Lt．．．第三組端子

Claims (19)

  1. 一種低共模噪聲的電源變換裝置，包括：
       一電源變換電路，該電源變換電路包括：
        一交流源；
        一功率變換單元，具有一直流端和一交流端；以及
        一濾波電感單元，該濾波電感單元包含一第一端和一第二端，該濾波電感單元的該第一端連接該交流源，該濾波電感單元的該第二端連接該功率變換單元的該交流端；和
       一共模噪聲抑制電路，該共模噪聲抑制電路包括：
        一容性阻抗網路，包括一第一端和一第二端；和
        一阻抗平衡網路，包括一第一端和一第二端；
        其中，該容性阻抗網路的第二端與該阻抗平衡網路的該第一端連接，該容性阻抗網路的該第一端與該濾波電感單元的該第一端連接，該阻抗平衡網路的該第二端連接該功率變換單元的一直流端；
        該阻抗平衡網路與該濾波電感單元在預設電磁干擾頻段具有相同的阻抗特性。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的電源變換裝置，其中，該功率變換單元爲三相功率變換單元或者單相功率變換單元；對應地，該交流源爲三相交流源或者單相交流源。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的電源變換裝置，其中，該濾波電感單元包括數目與交流源的端子數目相同的濾波電感子單元；該濾波電感子單元的該第一端與該交流源的端子一一對應連接，該濾波電感子單元的該第二端與該功率變換單元的交流端一一對應連接。
  4. 如申請專利範圍第3項所述的電源變換裝置，其中，該濾波電感子單元爲一電感元件。
  5. 如申請專利範圍第3項所述的電源變換裝置，其中，該容性阻抗網路包括數目與該濾波電感子單元相同的一容性支路，該容性支路的一第一端與濾波電感子單元的第一端一一對應連接，該容性支路的一第二端與該阻抗平衡網路的該第一端連接。
  6. 如申請專利範圍第5項所述的電源變換裝置，其中，該容性支路爲一電容元件或一電容元件與一電阻串聯。
  7. 如申請專利範圍第5項所述的電源變換裝置，其中，該阻抗平衡網路的阻抗滿足：

       其中Z0爲該阻抗平衡網路的阻抗，ZLi爲與Z0等效並聯的該濾波電感子單元的阻抗，ZLx爲一與Z0等效串聯的該濾波電感子單元的阻抗；Zcx爲ZLx所對應的該濾波電感子單元連接的該功率變換單元的該交流端對地的阻抗，Zc0爲該阻抗平衡網路連接的該功率變換單元的該直流端對地的阻抗，Zci爲與Zc0等效並聯的該功率變換單元的其他交流端對地的阻抗。
  8. 如申請專利範圍第5項所述的電源變換裝置，其中，各該容性支路結構相同，器件參數一致；各該濾波子單元結構相同，器件參數一致；該功率變換單元呈對稱結構，器件參數一致。
  9. 如申請專利範圍第1項所述的電源變換裝置，其中，該阻抗平衡網路爲一感性支路，該感性支路至少包括一電感。
  10. 如申請專利範圍第9項所述的電源變換裝置，其中，該感性支路還包括一阻尼電阻和一電容，該阻尼電阻、電容和電感相互串聯連接。
  11. 如申請專利範圍第9項所述的電源變換裝置，其中，該電感爲單一電感；該單一電感的一端作爲該阻抗平衡網路的該第一端。
  12. 如申請專利範圍第9項所述的電源變換裝置，其中，該電感爲一非耦合的電感網路或一耦合的電感網路；該非耦合的電感網路包括至少兩個一非耦合的電感，該耦合的電感網路包括至少兩個耦合的繞組，該兩個非耦合的電感或耦合的繞組的一端共接成一共接點，作爲該阻抗平衡網路的該第二端，該兩個非耦合的電感或耦合的繞組的另一端作爲該阻抗平衡網路的第一端。
  13. 如申請專利範圍第1項所述的電源變換裝置，其中，該功率變換單元的直流端包括兩直流引線端，該兩直流引線端之間爲一直流電壓。
  14. 如申請專利範圍第13項所述的電源變換裝置，其中，該功率變換單元的直流端還包括兩串聯的母線電容，該兩串聯的母線電容跨接於該兩直流引線端之間，該兩串聯的母線電容的共接端形成一直流端中點。
  15. 如申請專利範圍第1項所述的電源變換裝置，其中，該功率變換單元是兩電平整流或逆變電路，或者是多電平整流或逆變電路。
  16. 一種能量轉換系統，包括：
       一交流源；
       一第一功率變換單元，具有一直流端和ㄧ交流端；
       一第二功率變換單元，具有一直流端和一交流端；
       一電機；以及
       一共模噪聲抑制電路；
       其中，該交流源與該第一功率變換單元的該交流端耦接，該第一功率變換單元的該直流端與該第二功率變換單元的該直流端耦接，該第二功率變換單元的該交流端與該電機電性耦接，該共模噪聲抑制電路與該第一功率變換單元耦接；
       該第一功率變換單元包括：
        一第一功率變換電路，具有一直流端和一交流端；以及　
        一濾波電感單元，該濾波電感單元包含一第一端和一第二端，該濾波電感單元的第一端連接該交流源，該濾波電感單元的該第二端連接該第一功率變換電路的該交流端；
       該共模噪聲抑制電路包括：　
        一容性阻抗網路，包括一第一端和一第二端；以及　
        一阻抗平衡網路，包括一第一端和一第二端；
       該容性阻抗網路的該第二端與該阻抗平衡網路的該第一端連接，該容性阻抗網路的該第一端與該濾波電感單元的該第一端連接，該阻抗平衡網路的該第二端連接該第一功率變換電路的該直流端；
      該阻抗平衡網路與該濾波電感單元在預設電磁干擾頻段具有相同的阻抗特性。
  17. 如申請專利範圍第16項所述的能量轉換系統，其中，該電機爲風力發電機。
  18. 一種電能質量裝置，包括：
       一逆變電路單元，連接於一交流源，該逆變電路單元用於補償與該交流源電性連接的非線性負載所産生的無功和/或諧波，該逆變電路單元包括：　
       一逆變電路，具有一直流端和一交流端；以及　
       一濾波電感單元，該濾波電感單元包含一第一端和一第二端，該濾波電感單元的第一端連接該交流源，該濾波電感單元的一第二端連接該逆變電路的該交流端；以及
      一共模噪聲抑制電路，該共模噪聲抑制電路包括：　
       一容性阻抗網路，包括一第一端和一第二端；以及　
       一阻抗平衡網路，包括一第一端和一第二端；
       其中，該容性阻抗網路的該第二端與該阻抗平衡網路的該第一端連接，該容性阻抗網路的該第一端與該濾波電感單元的該第一端連接，該阻抗平衡網路的該第二端連接該逆變電路的該直流端；
       該阻抗平衡網路與該濾波電感單元在預設電磁干擾頻段具有相同的阻抗特性。
  19. 一種能量控制系統，包括：
       一直流源；
       一交流源；
       一逆變電路單元，該逆變電路單元包括：　
        一逆變電路，具有直流端和交流端；以及　
        一濾波電感單元，該濾波電感單元包含一第一端和一第二端，該濾波電感單元的該第一端連接該交流源，該濾波電感單元的該第二端連接該逆變電路的該交流端；以及
       一共模噪聲抑制電路，該共模噪聲抑制電路包括：　
        一容性阻抗網路，包括一第一端和一第二端；和　
        一阻抗平衡網路，包括一第一端和一第二端；
       其中，該容性阻抗網路的該第二端與該阻抗平衡網路的該第一端連接，該容性阻抗網路的該第一端與該濾波電感單元的該第一端連接，該阻抗平衡網路的該第二端連接該逆變電路的該直流端，該逆變電路的該直流端連接該直流源；
       該阻抗平衡網路與該濾波電感單元在預設電磁干擾頻段具有相同的阻抗特性。
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