TW512574B - Active filter for reduction of common mode current - Google Patents

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Brian R Pelly
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Description

512574 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印制衣 五、發明說明( 發明領! 本發明係關於電路的濾波器,且更特別關於一種主動 濾波為’其用來降低或引開切換式電源供應器中的共模電 流’且特別用來降低P WM馬達驅動電路中的共模電流和 EMI。 發里背兔 諸如雙極電晶體、mosfet^hgbt等高速切換裝置促 成用於電壓源PWM變流器的增加載波頻率,因此導致更佳 的操作特性。然而,高速切換引起下列嚴重問題,源自電 壓及/或電流中的高改變速率: a) 透過馬達内的雜散電容和透過長電纜逸至地面的接 地電流; b) 傳導和輻射EMI; c) 馬達轴承電流和主軸電壓;及 d) 縮短馬達和變壓器之絕緣壽命。 由高速切換引起的電壓及/或電流改變在切換裝置因 寄生雜散電容不可避免地存在如ac馬達之負載内、及在切 換轉換器内而改變狀態時,產生高頻振盪共模和常模電 流。因此,每當變流器切換情形發生時,對應變流器輸出 端子之電位相對地面地迅速移冑,且共模電流之脈波在連 至變流裔之(1-(:鏈路中,經由散熱的馬達電纜和馬達繞線之 電容而流至接地。對於仏級(住宅用)馬達驅動器,此電流脈 波之巾田度典型上為數百毫安培到數安培,且脈寬典型為 至5〇〇ns。對於八級(工業用)、且依據馬達之大小和馬達電
本紙張尺度適用中國國豕仏準(CNS)A4規格(210 X 297公爱 (請先閱讀背面之:i意事項再填寫本頁) --------^---------^ . 經濟部智,慧財產局員工消費合作社印制衣 512574 A7 __B7___ : 五、發明說明(2 ) 纜之長度’脈波電流幅度典型為250至5 00ns之脈寬的數安 , 培到1至2微秒之脈寬的20安培或更大。 , 共模振盪電流可具有從轉換器之切換頻率到數十MHz 的一頻譜範圍’其產生磁場並將產生遍佈的輻射電磁干擾 (EMI),因此不利地影響諸如無線電接受機、醫療設備等電 子裝置。 夕數政府規定在某些馬達應用中施於可允許線電流 EMI和可允許接地電流之程度。因此,在B級(住宅用器具) 應用中’接地電流在分別從〇到3 OkHz的頻率範圍内必須保 持低於1到20mA(在對數曲線中);且傳導線電流emi在 150kHz到300MHz之頻率範圍内必須保持低於指定值(小於 約60dB // V)。對於指定為A級工業應用的馬達驅動器應 用’接地電流上的限制較不嚴苛,但線電流EMI仍限制在 150kHz至30MHz範圍内。 一般上,根據被動元件的共模扼流圈和EMI濾波器不 能元全解決這些問題。在輸入ac線上由共模電感器和” γ,, 電容器組成的被動濾波器已使用來過濾此等馬達驅動電路 中的共模電流。被動共模濾波器可能對可以使用的PWM頻 率設下限制、且體形大(經常為馬達驅動結構之體積的主要 部份)、且昂貴。再者,它們功能上不完善,在於它們展現 與期望的濾波動作相抗的不期望共振。再者,在一般工業 用驅動器中,驅動器電路和馬達經常由1 〇〇米或更長的電纜 來連接。電健越長,則馬達電纜中的傳導共模EMI越大, 且傳統被動共模輸入濾波器之所需尺寸越大。 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐) 裝--------訂---------線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) A7 B7 五、發明說明(3 ) 有由一電阻器短路的額外繞組之一共模變壓器係已 知,其可衰減振盪接地電流。不幸地,小量的非週期接地 電流將仍留在此電路中。 在脈寬調變(PWM)控制之馬達驅動器電路中用來控制 共模電流之主動濾波器為熟知。此等裝置典型描述於電力 電子上的IEES報告第13冊第5號(1998年9月)由Sat0Shi Ogasawara等人論述的用來抵消由pwm變流器產生的共模 電壓之主動電路之論文中、和在以〇gasawara等人之名義的 專利第5,831,842號中。 第1圖顯示一典型習知技術用於a_c馬達的主動濾波器 電路或EMI和雜訊抵消器。因此,在第丨圖中,包含一輸入 端子L和一中性端子n的a-c電源連接至一全波橋式連接整 流為40之a-c輸入端子。當顯示一單相供應器時,其中和要 描述的所有圖式中的原理可用三相或多相輸入來實施。整 流器40之正和負匯流排分別包含點a和d,且連接於三相橋 式連接PWM控制之變流器41的變流器端子6和F。變流器之 輸出a-c端子連接於a_c馬達42。一濾波器電容器4〇a也連接 跨過端子B和F。馬達42有用接地端子43a連接至接地配線 43的一接地殼體。 主動濾波器包含一對電晶體h和q2,連接跨過整流器 40之d-c輸出線而其射極連接於節點e。這些界定了放大 器’其受具有連接於整流器40之正和負輸出匯流排的輸入 繞組45和46之一差分變壓器的輸出繞組44控制。繞組極性 由傳統點符號來指定。繞組44連接於電晶體Q,和q2之控制 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 x 297公釐) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) --------^---------^ . 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 6 A7
t 經濟部智慧財產.局員工消費合作社印製 M2374 五、發明說明(4 ) 编子與共射極節點E之間。一d_c隔離電容器47連接至接地 線43的節點c。 包括電容器47的主動濾波器界定用來引開大部份共模 電流的一路徑,其不然會流入路徑L·或N、A、B、Μ(馬達 42) 43 43a並回到[或:^,(或在極性反轉時以相反路徑) 或/爪入路徑L或Ν、D、F、Μ、43、43a(或在極性反轉時以 相反路徑)。因此,大部份共模電流可被引開,對於來自正 端子A的電流,針對,,正電流,,之路徑b、m、c、e、q2、f、 B,而針對,,負電流,,之圖樣B、M、c、E、a、B,藉由適 田控制電晶體Qi和Q2。供共模電流流入負端子D的路徑對 於正電流跟隨路徑F、Μ、c、E、Q2、F而針對,,負,,電流 跟隨F、Μ、C、E、Qi、B。引開的程度係依據繞組44之電 流增益和A的電流增益(對於,,正,,電流),及繞組44之電流 增益和Q!的電流增益(對於,,負,,電流)。為了獲得共模電流 之充分引開,繞組44和電晶體QjaQ2之整體電流增益必須 高。 第1圖之感測變壓器44、45、46體積大且昂貴,以提供 充分尚的電流增益。很期望縮減此變壓器之大小和成本, 而不危害電路之操作。進一步問題係因為所需的高增益, 閉迴路電路傾向產生不要的攝盈。 再者,已發現到電晶體(^和(^2在由電路界定的,,首間,, 内之足夠大的範圍中無法在其線性區内來操作,因此減弱 主動濾波功能。首間、或在電晶體QjaQ2之集極和射極間 的電壓由考慮第1圖之近似等效電路而最佳瞭解,如第2圖 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐) I I · I---I--^ . I I — I I — I I (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) /Η
五、發明說明(5 ) 中顯示的’其中C處的接地電位與第1圖中的中性線者相 同電a曰體Q1和Q2分別被顯示為心和r2,含個別並聯的二 極體。d-c橋式40被顯示為兩d_c電源5〇和51,各產生Vdc/2 之輸出電壓而Vdc係在端子A和D處的正和負匯流排間的全 波輸出電壓,及具有Vdc/2之峰值a-c電壓的一a-c電源52。 可從第2圖看到首間在電源52之週期的不同部份處會 消失。因此,考慮其中電晶體(^和匕之漏阻抗為相同的第 一情形。在此情形中,第2圖中電阻器心和心之值約相等。 現在,當端子c處的接地電位在(+)Vdc/2和㈠Vdc/2間相對 於第2圖中的節點53之d_c中點而搖晃時,在電晶體仏和匕 之射極處的電位也在(+)Vdc/2和㈠Vdc/2間搖擺,若假設電 容器47之阻抗遠小於心和!^。因此,在當節點£處的電位 接近或等於d-c匯流排之電位(在點b或ρ處)期間,不充分電 壓首間存在於相關電晶體Q i或Q2來操作為線性放大器,且 主動濾波功能喪失。 其次考慮其中C處的接地電位與第1圖中的中性輸入 線N者相同之情形,且電晶體A之漏電流現在遠大於電晶 體Qi者’其在第2圖中由&遠小於&的情形來表示。這然 後使E處的電位朝向負d-c匯流排(F處)偏移。因此,E處的 電位停留在負匯流排電位達务輸入週期的一明顯部份。在 此期間’電晶體Q2不能操作為線性放大器且主動濾波功能 喪失。 其次考慮其中接地在N且電晶體Q!之電阻更小於電晶 體Q2者的情形,亦即R!更小於R2。這將使點E朝向正d-c匯 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐) . - . 訂·------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) •線- 經濟部智慧財產局員工消費合作社印制衣 ^574 ^574 經濟部智慧財產,局員工消費合作社印製 A7 '^ -----~---- 五、發明說明(6 ) 流排(點B)偏移,使得對於各輸入週期的一明顯部份,電晶 體仏不能操作為線性放大器。 _最後,考慮'其中一小a_c電位(第2圖中的點線W電源 52a)存在第1圖的接地配線43和中性^^間之情形,如在供應 變壓器之接地中性從馬達驅動器本身之接地連接電氣地遠 隔時將發生的。在此情形巾,接地電位將在+(dv+vDc/2) 和-(dV+VDC/2)間搖擺,其中dV係第2圖中電源❿之電壓波 形的峰值。若電晶體仏和匕之洩漏特性大約相等,則£處 的電位將試圖以在正匯流排上的dv和在負^匯流排下的 -d V來搖擺。在此期間,E處的電壓由電晶體q |和^之低阻 抗反轉特性而箝制於匯流排電壓。因此,沒有電壓首間存 在電晶體來在此期間操作。 很期望提供-種電路,其在上述情況下對電晶體&和 提供充分的首間,且用來把首間電壓箝制於一預定最小 位準;或用來把點E的平均電壓調節至d_c中點電位。 如第1圖中顯示的習知技術主動濾波器總是連接跨過 全部d-c匯流排電壓。這需要電晶體仏和匕的足夠高之額定 電壓,並在主動濾波器組件中造成相當大的功率發散。因 此期望若可能以較低電壓來操作主動濾波器,而不使主動 ;慮波器之性能衰減。 發明之概要 依據本發明之第一特徵,一運算放大器被使用為電流 感測變壓器與電晶體(^和A間的緩衝器/放大器。這允許共 模變壓器之大小上的實質縮減,而不影響電路之操 本紙張尺度適用中_家標準(〇^)A4規格⑵◦ χ 297公爱) 裝--------訂---------線 (請先閱讀背面之沒意事項再填寫本頁) 512574 A7 ------_____ 五、發明說明(7 ) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印?衣
日依據本發明之進-步特徵,且對第1圖之電晶體Q1#a Q2提供充分的首間’一對串聯連接之平衡電阻器與電晶體 Qi和匕的個別者並聯連接。新的電阻器將具有確保對於電 晶體是維持充分電壓首間的一值。這允許明顯大 於電晶體Q!和A之最大可能漏電流的一電流。 替換地,具有大致較少功率發散而仍對電晶體q】和仏 維持充分首間的進-步新電路被提供,使用針對電晶體Qi 和Q2之電壓首間的主動箝制。在此電路中,跨過各個電晶 體的瞬8守電壓被感測且與個別參考值比較。若首間電壓落 得低於參考值,則一回授誤差被饋回驅動電晶體(^和匕的 放大器來維持所需的首間。此新電路大致縮減維持電壓首 間所需的功率發散,且縮減透過d_c隔離電容器〇有線頻率 的接地電流之量度。 依據本發明之又一特徵,使用等於d-C匯流排電壓之一 半的參考電壓來實施首間電壓控制。然後射極節點£處的 電壓與此參考值比較,且電晶體(^和匕受把E處的平均電 壓調節至d-c中點電壓的一主動調節設計之控制。 在上述電路中,所用的放大器需要一操作電源或控制 或偏壓電壓。一新的浮點電源供應器被設置,其自d_c匯流 排電壓導出其電力,且允許所有輸出控制電壓在正和負匯 流排電壓内動態地移動。這係藉由提供分別連接於正和負 匯流排、且透過齊納參考二極體而彼此連接的個別電流源 電路來完成。在電流源和二極體間的節點與二極體間的節 點形成用於都以匯流排電壓來動態地搖擺的兩控制電壓和 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐) 10 512574 A7 B7 五、發明說明(8 一共同參考電壓之輸出。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 在本發明之另一實施例中,跨過主動濾波器的操作電 壓係源自低於全匯流排電壓的一分立,,濾波器匯流排,,電 壓。主動濾波器其他作用肖由全匯流#電壓驅動的電路相 同。此新電路縮減主動濾波器組件中的功率發散,且降低 電晶體Q i和Q2之額定電壓。 依據本發明之更重要特徵,選定的主動濾波器組件被 整合到早一矽晶片中,界定含有主要主動濾波器組件和具 有用來收納各種輸入和匯流排連接點的適合接腳之一主動 濾波器1C晶片。 也提供一新架構,其促成極小圈形電流變壓器之使用 作為共模感測器。不像第丨圖中需要高增益之架構的,此新 架構需要只為一的增益,且因此避免上述不要之振盪的問 題。此架構也可由取代雙極的]^0|§1^丁電晶體來實施,以 獲侍放大器轉換特性之改善的線性化、較寬頻帶寬和改善 的外觀。 圖式之簡單据械 經濟部智慧財產•局員工消費合作社印 第1圖係用於一馬達驅動器電路的習知技術共模主動 濾波器之電路圖; 第2圖係第1圖之電路的等效電路來說明首間電壓之論 點; 第3圖係在電流感測變壓器和電晶體間使用一緩衝放 大器的本發明之一改善例的電路圖; 第4圖顯不第3圖之電路的修正例,其中電流感測主繞 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(2〗0 X 297公f ) 11 512574 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明(9 組係設在a-c電路中; 第5圖係第3圖之電路的進一步修正例之電路圖,其中 电流^:壓器之主繞組係在接地配線中; 第6圖(在和第13圖相同的紙頁上)顯示第3圖之電路的 改善例,其使用跨過電晶體的平衡電阻器來為其操作提供 充分首間; 第7圖顯示用來使用一主動箝制電路來提供首間的電 路之進一步實施例; 第8圖係首間控制電路之又一實施例,其中主動地調節 中點d-c匯流排電位; 第9圖係第8圖之電路的等效電路; 第10、11和12圖顯示接地電壓、跨過電晶體(^和匕的 電壓、跨過濾波器電容器的電壓及針對三種不同首間情況 有線頻率的接地電流ICND ; 第13圖(在和第6圖相同的紙頁上)顯示用於習知圖式 之放大器電路的一新電源供應器,其從d_c匯流排來導出其 電力; 第14圖係習知描述電路之改善例的電路圖,其中滤波 器匯流排電壓小於主d-c匯流排電壓; 第15圖係第14圖之電路的替換例,其中經縮減濾波器 匯流排電壓係從一掉落電阻器和齊納二極體電路導出; 第16圖係用來使用串聯匯流排電容器導出經縮減濾波 器電壓的另一電路; 第17圖係用來導出全匯流排電壓之一半的經縮減濾波 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐) -------------r隊衣 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 線- 12 ^574 ^574 五、 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 發明說明(ίο) 器電壓且使用一倍壓器的電路; 第18圖係與第17圖者相似的電路,其中渡波器電壓小 於全d-c匯流排電壓之一半; 第19圖係整合有前面圖式之滤波器組件的選定者且整 合到單一矽晶片中之一積體電路晶片的圖; 第20圖顯示在切換式電源供應器中具有主動渡波器ic 晶片的一電路之架構; 第21圖顯示在使電流感測器主繞組在接地配線中的― 馬達驅動器電路内使用主動濾波器IC晶片之一回授式架 構; X " 第22圖顯示使用有改善操作的一前饋系統之第2i圖的 架構之修正例; 第23圖顯示類似第21圖者的架構,但使用一差分電流 變壓器; 第24圖顯示有差分變壓器的第22圖之架構; 第2 5圖顯示針對裝置Q!和Q2使用取代雙極電晶體的 功率MOSFET之本發明的新主動濾波器; 第2 6圖係第2 5圖之改善例,更增加控制元件; 第27圖顯示第26圖之電路的修正例,用於靜止點偏壓 電流之改善控制;及 第2 8圖顯示本發明之共模遽波器的較佳實施例之完整 電路圖。 較佳實施例之詳細描沭 第3圖顯示第1圖之電路的改善例,其中遍及此說明書 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐) --------------^--------^---------線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 13 512574 經 濟 部 智 慧 財 產 局 消 費 合 作 社 印 製 A7 B7 五、發明說明(11 ) 相同標號指定相似組件。第3圖更以圖形來顯示裝設pWM 變流器41之IGBT(或MOSFET)的一散熱器49。散熱器49與 馬達42之殼體相同地連接於接地線43。然而在第3圖中,增 加一新的改良,其允許變壓器44、45、46之大小上的實質 縮減,而不影響主動濾波器功能之操作。因此,第3圖中把 運异放大器70加到電路來在共模電流感測變壓器44、45、 46和電晶體(^和匕間作用為一緩衝器/放大器。這允許變壓 器44、45、46之大小和成本被大致縮減。 當共模變壓器之初級繞組45和46在第3圖中顯示於整 流器40之輸出處時,它們可如第4圖中顯示地設置在a_c輸 入線上;或如果期望則單一初級繞組71可如第5圖中顯示 地與接地端子串聯連接。在所有情形中,次級繞組料單純 地耦合至攜帶或不然產生與共模電流相關的信號之一或更 多初級繞組。 不管所用的連接點地,第3、4和5圖之新電路將把流入 隔離電容器47及電晶體(^和匕的大部份共模電流引開,且 從連接至43a的外部接地配線離開。 第卜3、4和5圖之電路將如期望地操作,若電晶體 叫總是具有充分電壓,,首間,’來允許它們操作為線性放大 器。然而,如參考第2圖而稍早指㈣,存在有其中此首間 在輸入電麼週期之某些部份期間消失之情形。依據本發明 之另-特徵且如第6圖中顯示的,使用平衡電阻器的一新電 路將在這些情況下錢適當的首間。因此在第6圖中,兩電 阻器85和86分別連接跨過電晶體Qi#〇Q2。請注意到第㈣ --------V-----------訂---------線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 14 512574 &;s部智#?財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明(η ) 中未顯示完整電路,在第1、3、4和5圖中此等電阻器意圖 連接跨過電晶體Q i和Q2。 電阻器85和86必須滿足下列條件: 1 ·它們的值必須與電容器47之感抗有相同級次之量 度’以確定有線頻率且跨過電晶體QjoQ]產生的電壓之a_c 成份的峰值大致小於d-c匯流排電壓峰值之一半。例如,電 容器47可具有〇·〇ΐ # F的典型值,且在線頻率,電阻器85 和86將各為265仟歐姆。 2·電阻器85和86之大小必須能承載比電晶體(^和匕之 最大可能漏電流明顯較高的電流,以,,清除,,其漏電流上的 差值,且確定跨過電晶體的大約相等的平衡電壓。在特定 例子中’在具有含有各有最大漏電流0.5mA的電晶體(^和 Q2和具有0.01 WF電容的電容器47之最大d-c匯流排電壓 400伏特的電路中’流過電阻器85和86在一半匯流排電壓 (及200伏特)的電流應約為2mA。因此,電阻器85和86應約 為100仟歐姆。這是要選取的值因為它小於上面評準1所需 的265仟歐姆值。 在100仟歐姆電阻器上於400伏特匯流排電壓的功率發 散約為400mW。約0.5mA的接地電流之線頻率成份將透過 電阻器85和86及電容器47拉出。 如將稍後討論的,將期望把用於主動濾波器的控制電 路整合到一積體電路中。因此,功率發散應儘可能縮減。 第7圖顯示用來控制首間的電路,其不需要電阻器且把功率 發散縮減到約20mW。第7圖之電路也把透過電容器47拉出 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐) --------------裝--------訂---------線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 15 512574 五、發明說明(l3 ) 的線頻率接地電流從0.5mA縮減到0.2mA。 第7圖之電路的操作原理係針對電晶體Q!和Q2來主動 地箝制電壓首間。這藉由感測跨過各個電晶體QjuQ2的瞬 時電壓且將它與一參考值比較而完成。若首間掉得低於參 考值’則一誤差信號產生並饋回至放大器70來驅動電晶體
Qd°Q2之基極以維持期望的首間。因此,電晶體仏和匕將 載有共模電流且也將載有電流之一小增加成份以維持其需 要的首間。在各個電晶體仏和卩2中的功率發散在400V之匯 流排電壓處只約為2〇mW,相較於第6圖中的各個電阻器85 和 86之400mW。 器 經濟部智慧財產局員工消費合作社印制农 示 現在請參考第7圖,加總電路90、91和92及放大器93 和94如顯示地加上。第7圖也顯示用來把Vdd和輸入分 別提供到運算放大器7〇的電源供應器d-c電源95和96。各個 加總電路90和91具有分別連接至(+)DC Bus和㈠DC BUS的 一輸入、及分別連接於係分別針對電晶體QjaQ2的首間參 考電壓之參考電壓㈠〜和(+)、的另一輸入(分別為端子97 和98)。裝置9〇和91之分別經加總電壓〜和6^分別施於具 有施於加總電路92之輸入的輸出6_和€1_之運算放大 93和94。特徵輸出e〇ut和e^ut之線性形狀以打圈的插圖顯 在圖式中。電路92之輸出(一誤差信號輸出)透過高頻濾波 器99連接至放大器7〇之輸入。 因此,放大器70將把誤差信號放大;且放大器93和94 分別防止針對電晶體Qi和Q2之首間電壓掉得低於其個別 參考電壓。 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐) 16 512574 經濟部省慧財產,局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明(14 ) 更詳細說,+DC BUS到COMREF(-ve)係一負參考電壓, 其把+DC BUS之所需值設定於COM電壓。此參考值(-)ve之 值被設定來產生對於電晶體Q!的期望首間箝制位準,根據 電晶體(^和仏之射極可能瞬間由VDD變為相對於COM的 正之最壞假設。因此+DC BUS到COMref被設定來表不對於 的所需最小首間,加VDD。 在+DC BUS到 COMREF(-ve)和實際+DC BUS到 COM 電 壓(+ve)間的差值被饋回放大器93之輸入。放大器93之輸出 針對正輸入為零,而針對負輸入電壓為正。當+DC B U S到 COM電壓大於+DC BUS到COMREF之絕對值時,ein為正且 放大器93之輸出為零。當+DC BUS到COM試圖變得小於被 設定來表示對於Qi之所需最小首間、加VDD的+DC BUS到 COMREF的絕對值時,ein變為負且放大器之輸出eout變為 正。此輸出在加總接合部92處被反相,然後通過HF濾波器 99到放大器70,負向地把此放大器之輸出偏壓。結果係電 晶體Q2被恰好充分地偏壓,使跨過電晶體Qi的電壓首間被 調節於設定值。 (-)DC BUS到COMREF在端子98處係一經設定正參考電 壓。此參考之所需值代表對於Q2的所需最小首間,加VSS 之絕對值。 . 在㈠DC BUS 到 COMREF(+ve)和-DC BUS 到 COM 電壓 (-ve)間的差值被饋回放大器94之輸入。放大器94之輸出針 對負輸入為零,而針對正輸入電壓為負。當(-)DC BUS到 COM電壓大於㈠DC BUS到COMref之絕對值時,為負且 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(21〇 x 297公爱) 17 I--------^---------線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 512574 A7
五、發明說明(15 ) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) A3之輸出為零。當(-)DC BUS到COM電壓之絕對值試圖變 付小於㈠DC BUS到COMREF時’^、變為正且放大器94之輸 出e1。^變為負。此輸出在加總接合部92處被反相,然後通 過HF濾波器99到放大器70,正向地把此放大器之輸出偏 壓。結果係電晶體仏被恰好充分地偏壓,使跨過電晶體仏 的電壓首間被調節於設定值。 HF濾波器99從誤差信號去除由流過“旧47的變流器/ 馬達之共模電流引起的高頻分量。因此閉迴路調節器校正 了 E處的誤差電位,其不然將發生在線頻率處,但實質上 不試圖對因變流器之切換引起的較快瞬時偏差做校正。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 第8圖顯不第6圖之電路的進·一步替換例,其中電晶體 Qi和Q2之共射極的節點E處之電壓被感測,且此電壓之平 均值被調節於d-c中點電壓。因此,在第8圖中,界定d_c中 點電壓的一參考電壓電路包含電阻器1〇5和丨〇6,其係相等 值且在係(+)DC Bus和㈠DC Bus間的d-c電壓之中點的節點 107處產生電壓之低功率電阻器。此d-c中點參考電壓及節 點E處的電位被施於一加總比較器108,並被它比較。差值 輸出然後施於放大器109,且其輸出誤差信號經由hF濾波 器99作為一輸入地連接至放大器7〇。 操作上,若E處的電壓試圖上升超過節點1〇7處的d_c 中點參考電位,則放大器1 〇9把一負偏壓信號送到放大器70 之輸入。放大器70之輸出也採用負偏壓,使電晶體q2導通 至需要來校正射極節點E處的電壓之程度,並朝向d-c中點 參考電位退回。 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(21〇 X 297公釐) 18 512574
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相關聯的功率發散之限制。此依據所需的電源供應器電 流,和匯流排電壓。例如,若最大所需電源供應器電流為 3mA,且匯流排電壓為2〇〇v,則由電源供應器引起的最大 總發散將為600mW,其可以接受。 第14圖係具有一縮減操作電壓的新主動濾波器之電路 圖。因此,已認知到無需使主動濾波器直接連接跨過全d_c 匯流排電壓。與前述電流源電源供應器構成的主動濾波器 可源自一分立的,,濾波器匯流排,,電壓,其可小於全d_c匯流 排電壓。已描述的首間控制方法將仍以相同方式來操作以 對電晶體(^和匕維持期望的首間。只需要把針對共模電流 的一低ac阻抗路徑從兩電晶體Qi和a之集極提供到主 匯流排之一。對另一主匯流排的一低扣阻抗路徑則已就 位,經由主d-c匯流排電容器4〇a。 第14圖顯示用把正電壓提供於主動電路的一分立正遽 波器匯流排130之配置,主動濾波器之負匯流排係與主負 匯流排共同。(也可能提供一分立負濾波器匯流排電 I ’使主動;慮波器之正匯流排與主正da匯流排共同)。運 算放大器電路係圖式為方塊132。 電谷器13 1提供正濾波器匯流排13 〇和主要負匯流排間 所需的低ac阻抗。針對在各種操作情況下的共模電流之流 動路徑係與那些先前描述者相同。 使用低於主d-c匯流排電壓的濾波器匯流排電壓之優 點為· (a)在主動濾波器組件中較低的功率發散,包括電流源 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐) ^--------^---------線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 21 /4
五、發明說明(19 ) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 電源供應器。 (b)針對電晶體(^和匕需要較低的額定電壓,且針對電 源供,器之電流源電晶體。針對電晶體q々Q2的較低額定 電壓是有利的’因為這允許電晶體具有較佳的安全操作區 "乂佳的冋頻性能’給予主動濾波器較快響應和改良性能。 使用低於主d-c匯流排電壓的濾波器匯流排電壓將縮 減跨過電晶體(^和匕的線頻率電壓之允許搖擺,因為它們 的射極E現在必須在較窄限度内搖擺。因此,^ 了針對電 晶體(^和匕維持所需的操作首間,跨過濾波器電容器47搖 擺的線頻率電壓可能受強迫增加,導致透過電容ϋ47拉出 的接地電流之線頻率分量上的增加。當這用有接地中性的 單相輸入將成立時,對於有接地中性的三相輸入、或對於 有中點接地的1相輸入它將不成立。因此,以有中性接地的 二相輸入,接地電壓相對於d_c中點的搖擺小於主d_c匯流 排電壓之25%。濾波器匯流排電壓因此將必須在透過電容 器47拉出的電流之線頻率分量增加前被縮減至小於主匯流 排電壓之25%。 第15至18圖顯示用來從主d_c匯流排電壓導出較低濾 波器匯流排電壓的替換電路。在第15圖中,濾波器匯流排 電壓係經由一掉落電阻器140和一電壓調節器二極體141從 d-c匯流排導出。當電阻器ι4〇發散功率時,它允許主動濾 波器本身的功率節省,且可能因使用較低電壓和較寬頻帶 寬之主動組件而提供改善的濾波器性能。 第16圖使用兩串聯連接的d-c電容器145和146,各支持 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐) . --------^---------^ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 22 512574 經濟部知?慧財產局員工消費合作社印制衣 A7 B7 五、發明說明(2〇 ) 大約一半的匯流排電壓。串聯連接的匯流排電容器可使用 於輸入電壓為380V或更高。第16圖中的原理係使用跨過較 低匯流排電容器146的電壓(即大約一半的d-c匯流排電壓) 作為濾波器匯流排電壓。這需要顯示為主動調節器方塊147 的額外主動裝置,來把跨過兩匯流排電容器的電壓保持平 衡。 第17圖顯示有輸入到一倍壓器電路的單相供應l、N2 配置。倍壓器取代前面電路之整流器4〇,且包含二極體 160、161和電容器162和163。主d-c匯流排電壓大約為峰值 線電壓之兩倍。跨過各電容器的電壓為全d_c匯流排電壓之 一半。濾波器匯流排130依據本發明之特徵被連接至較低匯 流排電容器161,且係全d-c匯流排電壓之一半。無需使跨 過倍壓器電容器的電壓平衡之額外裝置,因為這些電壓之 平衡係倍壓器電路之操作的自然結果。 第1 8圖與第17圖相似,但如第1 5圖中地加上電阻器140 和齊納二極體141,來導出小於主d-c匯流排電壓之一半的 較低濾波器匯流排電壓。 其次在第19圖中描述用來把習知描述電路整合到一積 體電路主動濾波器晶片產品中的配置。 第19圖之積體電路可具有整合到單一矽晶片上的多數 濾波器組件,如由點線周邊170顯示的。積體電路1 71包含 電晶體QdaQ2;第8圖之分壓器105、106;第13圖之浮點 電源供應器120-123 ;第8圖之放大器70和109(及一第二放 大器109a)。1C晶片170然後具有多個接腳,包括針對 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐) 23 ---------------------訂--------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 i‘j/4 A7 _ — 五、發明說明(21 ) (+)Filter Bus、(-)Filter Bus、電容器47、CT繞組44、及電 谷器CVDD* CVSS等標示接腳。額外接腳可設置來把電容器 和類似者解耦合。 第20圖顯示積體電路17〇如何具有一般應用來作為一 切換式電源供應器中的主動濾波器。因此,切換式電源供 應态可具有連接至a-c輸入線L*N的一輸入整流器扣,及 一變流器41。變流器41之輸出連接於一變壓器18〇,其然後 連接至輸出整流器181。所有元件4〇、4丨、和丨8丨都安裝在 散熱器49上。散熱器連接於接地線,其如第5圖中地包含容 納有次級繞組44的一感測電流變壓器之初級側。 主動共模濾波器積體電路170然後連接至次級感測繞 組44,且如前述地控制共模電流。 使用第20圖中的電流感測器71、料而非差分Ct 44、 45、46,因為此電路更為通用且對電源供應器有利,且因 ^沒有外部馬達可具有不被電流變壓器拾取的額外接地電 流。 在電源供應n之情形巾,所有接地元件都包含在電源 供應器本身内(輸出變壓器180可具有接地屏幕),且因此, 可能沒有雜散外部接地電流。 在第5和20圖中顯示的择地連接中,CT71、44將較小 因為它只具有初級繞組,針對接地電流而定尺寸,(接地配 線實際必須與,,活性,,配線有相同尺寸)㈣兩初級繞組,各 針對全負載電流來定尺寸。同時,因為接地電流被直接感 測,故不可能有差分誤差。 . ^---------^ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)
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五、發明說明(η) 針對本發明之主動共模濾波器的一基本系統架構顯示 在第21圖中,其顯示顯示一圈形電流感測變壓器200。一基 本設計目標係圈形電流感測變壓器2〇〇應儘量小。較佳地初 、、及側應/、疋直接通過圈形鐵心之中心的單一配線,如第21 圖中說明的。 第21圖之架構係一閉迴路回授式系統。它為一回授系 統在於感測器200之初級側上的信號係一衰減信號,故由繞 組44、緩衝器7〇和電晶體(^和q]組成的放大器必須是高增 盈放大器。結果,系統受到可能的振盪且需要一適度大的 CT。亦即,第21圖中的架構在放大器之輸出電流〗。和到電 流變壓器之初級側2 〇丨的電流輸入j g n d間基本上需要高電 流增益G。其理由係: ------------;裝--------訂 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製
(a)
h]ND
1 + G
,whereG (b)雙極電晶體(^和匕之傳播延遲時間,導致ct 2〇〇 之輸出電流i。和輸入電流一㈣間的落後。此落後在接地電流 波形上之交越點處引起尖峰。當振盪電流“鳴了之半週期 減小時此效應更明顯。1c〇m ^〇7之典型半週期為2〇〇至25〇 奈秒,且交越尖峰為明顯。 父越尖峰可藉由增加增益來縮減。增益越高,則更多 過驅動電流在交越週期期間被饋至電晶體Qi和Q2之基 極,其減小落後。增益可藉由增加電流變壓器之初級圈數 而增加。不幸地,這不期望因為它與把電流變壓器之尺寸 最小化且使用只通過CT之中心一次的初級配線的基本設 線 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(21〇 297公釐) 25 〇丄0/4 A7
五、發明說明(23 ) 計目標相反。原則上,增益可藉由增加運算放大器7〇之增 盈而增加。實用上,這傾向引起已發現很難壓制的閉迴路 振邊。
因此’為了把I GND最小化’ G必須具有高數值。 第22圖中顯示一改良架構。第22圖之架構係一向前饋 送架構’其中全向前電流流過CT 200之初級繞組且 即使在接地電流被縮減時全電流總是被感測。結果,放大 器需要等於1.0的增益。有單一增益的此系統具有良好穩定 性,及一小CT尺寸。因此,與第21圖中的架構對照的,此 架構在電流變壓器之輸入處的電流ic〇m則珈放大器之輸出 電流I。間需要單一電流增益G。 接地電流IGND為: i〇ND = icom mot ' ί〇
Icom mot G · icorn mot 對於接地電流之完全抵消,增益G因此必須正好為i.o。 第2 2圖之架構的基本優點為: a) 因為所需的電流增益g只為一,故電流變壓器2〇〇可 實際上更小,使只有單一初級配線通過圈形鐵心之中心。 b) 電路已縮減對不穩定性之敏感度,因為從電流變壓 器200之輸入到放大器170之輸出的整體電流增益只為1〇。 c) 第22圖之基本架構優於第21圖者的進一步優點係差 分初級繞組必須使用在電流變壓器200上,而非單一接地電 流感測初級繞組。 第23圖針對有只載有共模電流之小部份但載有完整常 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -裝--------訂---------線j 經濟部智慧財產局員工消費合作社印制衣 26 512574 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明(24 ) 模電流的兩差分次級繞組211和212的CT210之情形,顯示 與第21圖中有相同的基本回授系統架構。在差分繞組2 } ^ 和212間的小不平衡將導致常模電流之不完全抵消,且將在 次級測產生除,,期望的,,共模信號外之相當大的不要常模信 號。該不要的常模信號扭曲期望的回授信號,並搞亂主動 遽波器之操作。 第24圖顯示與第22圖中相同的基本回授系統架構,且 CT 200之差分初級繞組211和212載咬完整共模電流、以及 完整常模電流。因此在變壓器之次級側44處的不要常模作 號(由兩初級繞組間的不完全抵消引起的)對想要的共模信 號之比率現在更低,(因為共模信號更高)。任何殘餘常模 k號因此在放大器之輸出上具有相當更小的扭曲效應。 第22圖之架構的一潛在設計問題係為了獲得接地電流 之良好抵消,放大器170之輸入/輸出電流特性必須為線 性’且它必須具有儘可能接近單一增益和小的相位落後。 MOSFET潛在上對於裝置(^和匕係比雙極電晶體為佳的候 選者,由於其小的傳播延遲、以及其較佳的S〇a。 轉換特性之線性化一般可透過MOSFET源極隨搞器之 使用、及使閘極臨界電壓偏移的一駐留d_c偏壓來達成。在 放大器四周的額外’’線性化”玛授也可增加來校正殘餘非線 性和傳播延遲。此增加的回授不需要高增益,因此不造成 閉迴路不穩定性。 使用N通道MOSFET電晶體Q々P通道MOSFET電晶體 Q2的基本放大器電路實施例顯示在第25圖中《在第25圖 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐) ---------------------訂--------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 27 512574 A7 B7 co = isRs(l + B) +, ⑴ 五、發明說明(25 ) 中’與前圖者相似的組件具有相同識別標號。一浮點電源 供應器300被設置來供應偏壓vDD和Vss。電路組件如點線 列出顯不地容易整合到晶片17〇中。放大器3〇1和3〇2分別驅 動N通道MOSFET Q^p通道m〇SFET Q2,且提供使 MOSFET之閘極臨界電壓偏置的個別正和負d-c偏壓電壓。 考慮放大器3(H,且假設電阻器rfb為開路。放大器3〇1 顯示為e。的輸出電壓為·· ΛΚΙ 其中Is係繞組44之輸出,且Rs、Ri、r2、r4、和Vss係 顯示在第25圖中,且 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝----
B R' R2 R2被選擇使得:球、丨 v gih ’其中Vgti^MOSFET Q〗之閘極臨界電壓。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印制衣 因此放大器301之輸出電壓具有大致抵消m〇SFET Q,之臨 界電壓的一駐留d-c偏壓。包含Q丨、RSGuree、Rsense的源極隨 耦器電路之輸出電流I。為: (\^gfs{RsoUrc^Rseme) ^source ^se source ^sense ) (2) 若gfs(RSQUree+Rsense)»l,則方程式(2)大約等於 ^source ^scnsc (3) 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐) 28 512574
五、發明說明(26 ) 方程式(3)顯示I。正比於Is。這當然是根據(a) v训恰好被 R2 抵’肖且(bkfsdurce + Rsense)» 1 的假設。 貫際上’在i。和“間的一些程度之非線性將發生。此非 線性由包含Rsense和Rfb的回授電路縮減。
Rsense被選擇使得eFB(=i〇 · Rsense)名義上等於· Rs),亦即eFB名義上追隨ein。若epB完全追隨^,則跨過 的電壓將為零,沒有電流將流入Rfb,且回授電路沒有修正 效果。 若L · Rsense變得大於is · Rs,回授電流流過RFB,朝向 放大器301之負輸入端子;此具有減少e。之效果,因此減少 誤差。 右 1。 · ^^sense 變得小於is · Rs,回授電流流過RFB,遠離 放大器301之負輸入端子;此具有增加e。之效果,因此減少 誤差。 其次考慮CT 200並把其初級和次級圈數分別指定為
Np和 Ns 〇 ---------------------訂--------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 請回到方程式(3),且把 (Np Rs(i + B)、 NR +7? •V source sense
Nt. 代入is: (4) 藉由適當選擇電阻器值和NS(CT 200之次級圈數)
Nr . 〇 5 .ww/rc T 1.0 29 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐) 5125/4 A7
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512574 A7 _ B7 五、發明說明(28 )
Rs〇uree的電壓之一經放大反相型態,其本身代表流過 MOSFET Q】的駐留d-c偏壓電流。放大器311之輸出電壓因 偏壓電流而小於、但接近於二極體D1之順向臨界電壓。此 二極體因此在被動期間不導通。 在主動期間’當輸出電流I。流過MOSFET Q!時,在放 大器311之輸出的電壓迅速試圖超過二極體m之順向臨界 電壓,但箝制於此電壓。主動期間之工作週期相對於被動 期間很短,且因此放大器3 11之平均輸出電壓基本上只代表 跨過Rs〇urce經反相並由放大器311之增益來乘的駐留偏壓 電壓: Μ3Π ) 放大器3 12之輸出電壓然後變為 裝--- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) J1T· e0(3l2) = ^VDD^-e0(3U)Rn
RU R\0 -(e0(3U)REF^e0(3\2)) R12Έ〇 .線· 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 R9 、 e(3\\)REF-—ihi R 〇 v 7 yjg bias ▲'source R12Έ〇 i?10Έλ 且 e〇(3 11 )REF代表針對駐留d-c偏壓電流Ibias的期望之固 定參考值,且; 6。(312)因此代表期望和實際(1^偏壓電流間的經放大 31 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐) 512574
五、發明說明(29) 誤差。 此誤差電壓經由R13饋至放大器301之輸入,使得除了 其他功能外,放大器301把Ibias調節於大致經設定參考位 準。請注意到Ibias必須也流入MOSFET Q2,因為電容器47 阻擋任何d-c電流流過Rsense 〇 現在剩下來增加用來把浮點電源供應器之共同點大致 調節於正和負d-c匯流排電壓之中點電位的一裝置。此功能 由把正和負匯流排電壓間分別由電阻器R15和R16感測的 差值放大之放大器313來實施。經放大差值電壓經由電阻器 R14饋入到放大器302,使得除了其他功能外,放大器3〇2 把浮點電源供應器之共同點大致調節於正和負匯流排電壓 之中點電位。 如上述的新穎發明促成馬達驅動器電路之產生,其可 縮減傳導放射雜訊且符合A級和B級馬達驅動器之需求。新 穎發明之進一步優點係接地漏電流被縮減以消除因過度接 地電流所致的電路之錯誤漂移。接地漏電流之縮減對使用 如R410A的高介電常數冷卻材料(其將具有從馬達框架到 接地點的增大電容量)的壓縮機馬達之驅動非常重要。 第27圖顯示第26圖之電路上的修正例,其中用於靜止 偏壓電流的回授電路被修正丨且第28圖係本發明之共模濾 波器之詳細完整電路圖。請參考第27和28圖,放大器301 和302四周的主回授迴路現在分別經由R23和R27到電晶體 QdnQ2之源極。直接連到M0SFET之源極的此回授基本上 強迫電壓e。3。丨和e。3”分別跟隨輸入電壓心。3〇1和^3〇2,克 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 x 297公爱) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)
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512574 五、發明說明(3〇) 服MOSFET QjaQ2之非線性轉換特性,電容器〇1和匚13分 別防止放大器301和302之不要的振盪。在e〇和^間針對各 放大器的整體線性被明顯改善,相對於用第26圖之電路獲 得的。 用與MOSFET之源極直接連接的回授電阻器之上面配 置,在放大器本身四周並無直接的回授電阻器。因此若 ein301變為負則放大器301之輸出將飽和,因為電晶體a不 能複製負輸入電流,且若ein3〇2變為正則放大器3〇2之輸出 將飽和,因為電晶體Q2不能複雜正輸入電流。 針對放大器301經由二極體D4和R22、且針對放大器 302經由二極體D5和R47來導出分立的,,只准經允許極性” 輸入。Ein301在icom mot之正期間為正、而在負期間為零。 Ein302在icom mot之負期間為負、而在正期間為零。 因此放大器301之輸出電壓在ic〇m m〇t為負時不飽和,因 為它在此期間不接收輸入;而是,它基本上在(^之臨界電 壓處漂移。同樣地’放大器302之輸出電壓在ic〇mm〇t為正時 基本上在Q2之臨界電壓處漂移。因此各個這些放大器之輸 出在其怠用期間維持在期望的MOSFET閘極臨界位準,準 備以最小的交越扭曲來把其個別MOSFET中的電流驅動於 L:)m mot之父越點處。 請注意到電流感測變壓器之次級繞組44基本上為一電 流源。跨過R22的電壓因此直接比例於ieQm mQt,當其為正 時。跨過R47的電壓直接比例於,當其為負時。跨過 二極體D4和D5的壓降不把電流波形扭曲,跨過R22和R47 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐) ---------------------訂--------I (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 33 512574 A7 B7 五、發明說明(31 ) 不引入電流依賴信號之任何明顯扭曲。 第26圖中的放大器311和3 12經由電阻器R13、放大器 301和MOSFET Q!來調節靜止偏壓電流。第26圖中的放大 器313經由電阻器尺14、放大器302和河〇8?£丁(52來把電位 調節於源極電阻器之共同點。這些功能在第28圖之電路中 被倒轉。放大器U2和U3(與放大器311和312等效)經由電阻 器R43、放大器U1B(與302等效)和Q2來調節靜止偏壓電 机。放大器U4(與放大器313等效)經由電阻器R7、放大器 U1A(與301等效)和仏來把電位調節於源極電阻器之共同 點。在(^和仏間的這些功能之交換不改變基本原理,但第 28圖之配置已發現實用上較佳。 參考於第26圖,跨越放大器311的箝制二極體D1係在 輸出電流經由47流過4到接地時來減輕放大器3 n之不要 的輸出電壓之一方法。然而理想上,放大器311之輸出應總 疋/、代表邊止偏壓電流,而無任何加諸分量之輸入電流, 且在輸出電流之脈波期間應不改變。實用上,在放大器3ιι 之輸出處第26圖之從靜止電流回授信號,,箝制出,,輸出電流 分置的此方法一般不允許靜止偏壓電流之充分正確調節, 因為靜止偏壓電流回授信號在輸出電流之各脈波期間被破 壞到一些程度。 在第27和28圖之電路中,增加組件R5〇、R51、R52、 D10和Dll來解決此問題。因此,與由電晶體a載有的輸出 電流成比例之電壓跨過R50產生。此電壓被施加為經由R52 到放大器311/U2的第二輸入,使得它恰好抵消跨過 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -----------------線一 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 34 512574 A7 B7 五、發明說明(32)
Rsource(Q2)(R3〇等)發生、由經由R12施於輸入放大器311(U2) 的輸出電流分量引起之電壓。經由R12和R52之組合到放大 l§311(U2)的淨輸入因此只歸因於流過R_rce(Q2)*Q2的靜 止偏壓電流。它在輸出處不流入R50或R51。311(U2)之輸 出現在不管輸出電流是否流動地保持在只代表靜止偏壓電 流的位準之恆定。用此配置,不再需要第26圖中的箝制二 極體D1。 雖然已相關於特定實施例描述了本發明,對於那些熟 知該技術者許多其他改變和修正及其他使用將變得明顯。 因此較佳地本發明不受其中特定揭露的限制。 --------------裝--- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂· · 一經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 x 297公釐) 512574 A7 B7_ 五、發明說明(33 ) 元件標號對照 經濟部智慧財產局員工消費合作社印制衣 40...全波橋式整流器 99...高頻濾波器 40a...濾波器電容器 120、121…電流源 41...PWM變流器 122、123、141…齊納二極體 42...馬達 130…正濾波器匯流排 43…接地配線 132…方塊 43a...接地端子 13卜 162、163、CM、C13··· 44…輸出繞組 電容器 4 5、4 6...輸入繞組 140…掉落電阻器 47...d-c隔離電容器 145、146...d-c匯流排電容器 49··..散熱器 147…主動調節器方塊 50-52、52a...d-c電源 160、161、Dl、D4、D5、 53、107、C、E···節點 D10、D11...二極體 70、93、94、109、109a、301、 170…積體電路 302、311-313、U1A、U1B、 180...變壓器 U2-U4...運算放大器 181…輸出整流器 71…初級繞組 200、210…電流變壓器 97、98、B、F···端子 201...繞線 85、86、105、106、140、 211、212…次級繞組 Ri、R2、R4、R7、R8-R16、 300...浮點電源供應器 R22、R23、R27、R30、R43、 A、D...接點 R47、R50-R52、Rs、RS()urce、 L...火線 Rsense、RfB·.·電阻器 N...中性線 90-92...加總電路 95、96...d-c電源 Ql、Q2._.電晶體 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 「•裝 I I n ϋ I 一-口τ I ϋ ·1· «ϋ ϋ 1^ ϋ ϋ I · 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐) 36

Claims (1)

  1. 512574 A8 B8 C8 ___ D8 六、申請專利範圍 1 · 一種主動濾波器,用來縮短在一脈寬調變馬達驅動器電 路中的共模電流; a玄馬達驅動器電路包含:一個a-c電源’連接於該 電源、且產生連接至一正d-c匯流排和一負d-c匯流排 的一經整流輸出電壓之一整流器,使輸入端子耦合於該 等正d-c匯流排和負d_c匯流排、且具有一受控制a_c輸出 的一個PWM變流器,由該pwm變流器之該a-c輸出驅動 的一馬達,自該馬達延伸的一接地配線,及用來測量在 違接地配線中的該驅動器電路之共模電流的一電流感 測器,該電流感測器產生與該共模電流相關的一輸出電 流, A主動;慮波器包含·各具有第一和第二主電極和 一控制電極的一第一和第二電晶體,及至少一緩衝放大 器;該等第一和第二電晶體之該第一電極耦合於一共 同節點,該等第-和第二電晶體之該第=電極分別輕合 至該正d-c匯流排和該負d_c匯流排;該至少一緩衝放 大器具有耦合至該電流感測器之該輸出的一輸入、及耦 ^於該等控制電極中之至少_個的—輸出,·以及把該 等第和第一電晶體之該第一電極的該共同節點連接 到ό玄接地配線之一個d-c隔離電容器。 2·依請專利範圍第!項之主動濾波器,其中該電流感 測裔係具有分別與該等正和負d_c匯流排串聯連接的第 矛第、&、、且及用來產生與该共模電流相關之該輸出 電流的一輸出繞組之一差分電流變壓器。 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) Μ--------訂---------線 J· 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 37 A8 BS CS
    、申請專利範圍 •依據申請專利範圍第1項之主動濾波器,其中該電流感 ’則器係具有與該接地配線串聯連接的一初級繞組,及用 來產生與該共模電流相關之該輸出電流的一次級繞組 之一電流變壓器。 依據申明專利範圍第2項之主動濾波器,其中該電流變 壓裔具有一圈形鐵心。 5.依據申請專利範圍第3項之主動濾波器,其中該電流變 i器具有一圈形鐵心,且其中該初級繞組係在該圈形鐵 心上的單一繞圈。 6’依據申請專利範圍第1項之主動濾波器,其中該等第一 和第二電晶體係互補式NPN和PNP雙極電晶體,且它們 的該第一電極為射極電極。 7.依據申請專利範圍第丨項之主動濾波器,其中該等第一 彳第一電b曰體係互補式N和p通道功率M〇SFE丁電晶 體,且其中該第一電極為源極電極。 8·依❹請專利範㈣1項之主Μ波器,其中該電流感 則器係具有連接在連接於該整流器之該電源的供線 之個別者中的第-和第二繞組,及用來產生與該共模電 流相關之該輸出電流的-輸出繞組之一差分電流變壓 器。 9·依據申請專利範圍第!項之主動濾波器,其更包括耦合 至該等第一和第二電晶體以在各電晶體之第一和第二 電極間維持充分電壓的-首間電壓控制電路,來允許其 線性放大操作大致在該㈠電源之完整經整流週期内。 -----------I I --------^ · I--I--I I (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印制衣
    38 1 /Η AS Β8 C8 D8 申請專利範圍 10·依據申明專利範圍第9項之主動濾波器,其中該首間電 壓控制電路包括分別與該等第一和第二電晶體並聯連 接的第一和第二電阻器。 11·依據中請專利範圍第9項之主動濾波器,其中該首間電 壓控制電路包含分別連接至該等第一和第二電晶體來 防止針對各個該等電晶體的首間電壓之縮減低於一給 定值的個別主動箝制電路。 12·依據中請專利範圍第9項之主動濾波器,其中該首間控 制電路包含用來產生係該等正和負d_c匯流排間的d-c 電位之中點的一中點電位之一第一電路,及具有連接於 在該中點d-c電壓和該等第一和第二電晶體之節點處的 電壓間之差值的一輸入、以及連接於該第一所提到放大 為之輸入來把該節點處的平均電壓調節至該中點電壓 之一輸出的一第二放大器。 13. 依據申請專利範圍第丨項之主動濾波器,其更包括耦合 於該匯流排的一經縮減電壓正濾波器匯流排;該等 第一和第二電晶體之該第二電極分別連接至該經縮減 電t正慮波?I d-c匯流排和該負d-c匯流排。 14. 依據申請專利範圍第13項之主動濾波器,其更包括一串 聯連接電阻器和連接在該等正和負d_c匯流排間的齊納 一極體;該正ci-c濾波器匯流排連接於該電阻器和該齊 納二極體間的節點。 15. 依據申請專利範圍第13項之主動濾波器,其更包括連接 跨過該等正和負d - c匯流排的一第一和第二串聯連接電 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 1--------訂---------線·1·· 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 39 經濟部智慧財產局員工消費合作社印^^ 512574 ___§__ t、申請專利範圍 今态,且該d-c濾波器匯流排連接於該等第一和第二電 容器間的節點。 16·依據申請專利範圍第15項之主動濾波器,其中該整流器 包含包括連接跨過該等正和負d-c匯流排且與該等第一 和第二電容器並聯的兩串聯連接二極體之一倍壓器電 路;且該a-c電源連接於該等二極體和該等電容器間的 ArAr eti 即點。 17.依據申請專利範圍第丨項之主動濾波器,其中該緩衝放 大器具有至少第一和第二電源供應器輸入,及用來把偏 壓電壓施加於該緩衝放大器輸入的一電源供應器電 路;該電源供應器電路包含第一和第二電流源和第一 和第一齊納二極體;該第一齊納二極體之陽極在一第 一節點處連接至該第二齊納二極體之陰極;該第一齊 納二極體之該陰極連接至該第一電流源之一端子;該 第二齊納二極體之該陽極連接於該第二電流源之一端 子;該等第一和第二電流源之第二端子分別耦合於該 等正和負d-c匯流排;該第一電流源和該第一齊納二極 體間的節點連接於該第一電源供應器輸入;且該第二 電流源和該第二齊納二極體間的節點連接至該第二電 源供應器輸入。 18·依據申請專利範圍第3項之主動濾波器,其中該d-c隔離 電谷器和該接地配線間的該共同節點係設置在該電流 變壓器之該初級繞組和該馬達間。 19.依據申請專利範圍第3項之主動濾波器,其中該電流變 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐) ^--------^---------^ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 40 512574 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 AS B8 C8 D8 申請專利範圍 壓器之該初級繞組係設置在該d_e隔離渡波器電容器和 該接地配線間的該共同節點和該馬達間。 。 20. 依據申請專利範圍第丨項之主動濾波器,其中該等第一 和第二電晶體及該緩衝放大器係形成在一共同積 路晶片中。 ~ 21. 依據申請專利範圍第9項之主動濾波器,其中該等第一 和第二電晶體及該緩衝放大器及該等首間控制電路係 形成在一共同積體電路中。 22·依據申請專利範圍第14項之主動濾波器,其中該等第一 和第-電晶體及該緩衝放大器及該串聯連接電阻器及 月納一極體係形成在一共同積體電路中。 23·依據申請專利範圍第17項之主動濾波器,其中該等第一 和第一電晶體及該緩衝放大器及該電源供應器電路係 形成在一共同積體電路中。 24.依據申請專利範圍第!項之主動滤波器,其中該電流感 ’則器係連接在該接地配線上。 &依射請專利範圍第旧之主動濾波器,其中該電流感 ’則益包3具有至少一初級繞組和一次級繞組的一電流 k壓器,該次級繞組連接於該緩衝放大器之該輸入; 該至少一初級繞組連接在該正d-c匯流排和該第一電晶 體之該第二電極間,藉此界定一回授架構。 26.依據申請專利範圍第1項之主動濾波器,其中該電流感 測裔包含具有至少一初級繞組和一次級繞組的一電流 變壓器;該次級繞組連接於該緩衝放大器之該輸入; ;'}-rr#i — (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂------
    297公釐) 41 512574 \ 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A8 B8 C8 ---------D8 申請專利範圍 忒至少一初級繞組連接在該變流器的該等輸入端子中 之一個和該第一電晶體之該第二電極間,藉此界定一 前架構。 胃 27· —種主動濾波器,用來縮短在一脈寬調變馬達驅動器電 路中的共模電流; 該馬達驅動器電路包含:一個a_c電源,連接於該 電源且產生連接至一正d-C匯流排和一負d-C匯流排 的一經整流輸出電壓之一整流器,使輸入端子耦合於該 等正d-c匯流排和負d_c匯流排、且具有一受控制輸出 的一個PWM變流器,由該PWM變流器之該輸出驅動 的馬達,自該馬達延伸的一接地配線,及用來測量在 该驅動器電路中之共模電流的一電流感測器,該電流感 測器產生與该共模電流相關的一輸出電流; 省主動;慮波器包含·各具有第一和第二主電極和 一控制電極的一第一和第二電晶體,該等第一和第二電 晶體之該第一電極耦合於一共同節點,該等第一和第二 電日日版之邊第二電極分別直接連接至該正d_c匯流排和 該負d-c匯流排;及把該等第一和第二電晶體之該第一 電極的該共同節點連接到該接地配線之一個d-c隔離電 容器; 該電流感測器包含具有分別與該等正和負d-c匯流 排串聯連接的第一和第二繞組、及用來產生與該共模電 流相關的該輸出電流之一輸出繞組的一差分電流變壓 器,泫輸出繞組耦合於該控制電極;該電路具有由該 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公爱) ^--------^---------^ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 42 六、申請專利範圍 電流變壓器和該等電晶體來以單一放大的一饋前系統 之架構。 28·依據申請專利範圍第27項之主動遽波器,其中該電流變 壓器具有一圈形鐵心。 29·依據申請專利範圍第27項之主動渡波器,其更包括輕合 至該等第一和第二電晶體以在各電晶體之第一和第二 電極間維持充分電壓的一首間電壓控制電路,來允許其 線性放大操作大致在該a_c電源之完整經整流週期内。 3〇.依據申請專利範圍第27項之主動滤波器,其更包括搞合 於該d-c匯流排的一經縮減電壓正濾波器匯流排;該等 第一和第二電晶體之該第二電極分別連接至該經縮減 電壓正濾波器d-c匯流排和該負d_c匯流排。 31·依據申請專利範圍第27項之主動濾波器,其中該等第一 和第二電晶體係形成在一共同積體電路晶片中。 32·依據申請專利範圍第27項之主動濾波器,其中該等第一 和第二電晶體及該首間控制電路係形成在一共同積體 電路中。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 33· -種主動濾波器,用來縮短在一脈寬調變馬達驅動 路中的共模電流; ° 該馬達驅動器電路包含:_個a_c電源,連接於該 a-c電源、且產生連接至一正d-c匯流排和—負^匯流排 的-經整流輸出電壓之-整流器,使輸人端子麵合於該 等正d-c匯流排和負d_c匯流排、且具有—受控制a_c輸出 的-個PWMm,由該PWM變流器之該a_c輸出驅動 i紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(21G X 297公髮)'' ------ 43 經濟部智慧財產局員工消費合作社印剩衣 i C8 —--— D8___ 申請專利範圍 的馬達,自該馬達延伸的一接地配線,及用來測量在 。玄驅動為電路中之共模電流的一電流感測器,該電流感 測器產生與該共模電流相關的一輸出電流; 該主動濾波器包含:各具有第一和第二主電極和 一控制電極的一第一和第二電晶體,該等第一和第二電 晶體之該第一電極耦合於一共同節點,該等第一和第二 電晶體之該第二電極分別直接連接至該正d-c匯流排和 «亥負d-c匯流排;該電流感測器輸出耦合於該等控制電 極中之至少一個,及把該等第一和第二電晶體之該第 一電極的該共同節點連接到該接地配線之一個d-c隔離 電谷裔,以及耦合至該等第一和第二電晶體以在該等 電晶體之第一和第二電極間維持充分電壓的一首間電 壓控制電路,來允許其線性放大操作大致在該a_c電源 之完整經整流週期内。 34. 依據申請專利範圍第33項之主動渡波器,其中該首間電 壓控制電路包括分別與該等第一和第二電晶體並聯連 接的第一和第二電阻器。 35. 依據申請專利範圍第33項之主動濾波器,其中該首間電 壓控制電路包含分別連接至該等第一和第二電晶體來 防止針對各個該等電晶體的首間電壓之縮減低於一給 定值的個別主動箝制電路。 36. 依據申請專利範圍第33項之主動濾波器,其更包括耦合 於該d-c匯流排的一經縮減電壓正濾波器匯流排;該等 第一和第二電晶體之該第二電極分別連接至該經縮減 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐) ---------------------訂--------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 44 /4 /4 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A8 -------- 六、申請專利範圍 " 電壓正濾波器d-c匯流排和該負d_c匯流排。 37. 依據申請專利範圍第36項之主動渡波器,其更包括一串 聯連接電阻器和連接在該等正和負“匯流排間的齊納 °體°玄正心“慮波器匯流排連接於該電阻器和該齊 納二極體間的節點。 β 38. 依據申請專利範圍第%項之主動濾波 料該等正和負“匯流排的m串== 谷态,且該d-c濾波器匯流排連接於該等第一和第二電 谷器間的節點。 39·-種主動濾波器,用來縮短在一脈寬調變馬達驅動器電 路中的共模電流; °玄馬達驅動器電路包含:一個a-c電源,連接於該 心c電源、且產生連接至一正匯流排和一負匯流排 的一經整流輸出電壓之一整流器,使輸入端子耦合於該 等正d-C匯流排和負d_c匯流排、且具有一受控制a-c輸出 的一個PWM變流器,由該PWM變流器之該a_c輸出驅動 的一馬達,自該馬達延伸的一接地配線,及用來測量在 該驅動器電路中之共模電流的一電流感測器,該電流感 測器產生與該共模電流相關的輸出電流; 該主動濾波器包含:·各具有第一和第二主電極和 一控制電極的一第一和第二電晶體,該等第一和第二電 晶體之該第一電極耦合於一共同節點,該等第一和第二 電晶體之該第二電極分別搞合至該正d-c匯流排和該負 d-c匯流排;該電流感測器輸出耦合於該等控制電極中 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐) 45 ---------^1—------—t--------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印制衣 申叫專利範圍 杷該4第一和第二電晶體之該第一電極 2該共同節點連接到該接地配線之_個^隔離電容 及Μ合於該d-C匯流排的一經縮減電壓正滤波器匯 机排,該第一電晶體之該第二電極連接至該經縮減電 壓正濾波器匯流排。 饥:據申請專利範圍第39項之主動滤波器,其更包括一串 聯連接電阻器和連接在該等正和負“匯流排間的齊納 才°肢,該正d-c遽波器匯流排連接於該電阻器和該齊 納二極體間的節點。 41·依據中請專利範圍第39項之主㈣波器,其更包括連接 跨過該等正和負“匯流排的_第_和第二串聯連接電 谷态,且邊d-c濾波器匯流排連接於該等第一和第二電 容器間的節點。 42. 依據申請專利範圍第“項之主動濾波器,其中該整流器 包含包括與該等第一和第二電容器並聯的兩串聯連接 極肢之倍壓器電路;且該a-c電源連接於該等二極 體和該等電容器間的節點。 43. 依據中請專利範圍第2項之主動渡波器,其中該電流變 壓器具有-圈形鐵…且該等第_和第二繞組各為單一 繞圈。 44·依據中請專利範圍第3項之主動濾波器,其中該^隔離 電容器和該接地配線間的該共同節點係設置在該電流 變壓器之該初級繞組和該馬達間。 45·依據中請專利範圍第3項之主動渡波器,其中該電流變 Μ--------^---------^ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)
    壓态之該初級繞組係設置在該心c隔離濾波器電容器和 該接地配線間的該共同節點和該馬達間。 46·依據申請專利範圍第丨項之主動濾波器,其更包括耦合 於該正或負電壓匯流排之一個的一經縮減濾波器電壓 匯流排;該等第一和第二電晶體之該第二電極連接至 該經縮減濾波器電壓匯流排。 47.依據申請專利範圍第46項之主動濾波器,其中該經縮減 據波器電壓匯流排係連接至該負電壓匯流排。 48·依據申請專利範圍第26項之主動濾波器,其中該等第一 和第二電晶體係MOSFET;且其更包含耦合至該等第 一和第二電晶體之一個的該控制電極之一的一靜止偏 壓電流電路,及連接於該偏壓電流電路來調節靜止偏壓 電流以把該等MOSFET電晶體之靜止閘極電壓維持於 其臨界電壓的一調節電路,藉此消除該等MosfeT之輸 出電流的交越扭曲。 ---------i---βΜ---- f 1 , (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂---------線' 經濟部智慧財產局員Η消費合作社印製 47 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐)
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