TWI474596B - 濾波裝置、功率轉換器及共模噪聲抑制方法 - Google Patents

Description

濾波裝置、功率轉換器及共模噪聲抑制方法

本發明涉及一種濾波裝置或功率轉換器，尤其是涉及一種能夠抑制共模噪聲的濾波裝置、功率轉換器及其應用系統及共模噪聲抑制方法。

圖1所示為基本的三相功率轉換器的拓撲結構，該功率轉換器包括：功率轉換單元（或稱半導體開關單元）12，其包括：分別由兩組半導體開關元件串聯連接而組成的三個橋臂，作為交流端的三個橋臂的中點A、B和C，以及由直流母線濾波電容CB0、CB1和CB2分別形成的直流端O、P和Q，其中O為濾波電容CB1和CB2的共用端；濾波電感組14’，其一端與電網11相連接，另一端與半導體開關單元12的橋臂中點A、B和C相連；濾波電容組13，其包括星形連接的三個濾波電容C_x ，每個濾波電容C_x 的一端與電網11連接，另一端彼此相連以構成中性點N。該濾波電感組14’與該濾波電容組13組成差模濾波器。

其中電網11也可稱為交流電壓單元，例如其可以是約為50HZ的交流電壓，如電網側的三相交流電源（用於給其他設備供電）或電機側的功率接收單元（用於接收由電機生成的電能）。

此外，該功率轉換器還可包括電源阻抗穩定網絡（LISN）16，它是用來進行傳導電磁干擾測試時的輔助設備。

假設C0為連接有直流母線濾波電容CB0、CB1或CB2的直流母線與地之間的分布電容，C1A、C1B和C1C分別為半導體開關單元的每一個橋臂中點對地的分布電容。直流母線以及橋臂中點的對地電位跳變會通過該分布電容産生位移電流，位移電流流入地，形成共模噪聲。為了滿足相應的國際電磁兼容標準，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示出一個現有的共模噪聲抑制方案，其使用無源共模濾波器17抑制共模噪聲。該共模濾波器包括共模電感171和一組由星形連接的三個濾波電容Cy形成的濾波電容172。該共模電感往往體積較大，成本較高。而且當要求共模電感的共模感量較大時，該共模電感甚至很難設計。

另一類現有技術通過減小原始共模噪聲，從而減小對共模濾波器的要求。如圖3所示，將濾波電容組13的中性點N與直流母線的中點O相連，由於N為一個虛擬中性點，其電位較穩，將直流母線與該虛擬中性點相連後，母線的對地電位也被箝位到穩定電位，因而可以改善共模噪聲。該方案的另一變形為如圖4所示，考慮到直接連接時，連接線上的零序分量電流可能會較大，則可以在濾波電容的中性點N與直流母線的中點O之間的連接線上串入一個電容，以將零序分量的電流控制到適當的數值。但是這一類方案只能抑制通過直流母線對地的分布電容C0流入地的共模噪聲，對於通過橋臂中點對地電容C1A、C1B和C1C引起的共模電流，則不但不能抑制，反而還會增加。

為了克服現有技術中的缺陷，本發明的目的在於提供一種濾波裝置、功率轉換器及共模噪聲抑制方法，用以濾除該功率轉換器中的共模噪聲。

本發明的進一步目的在於以具有緊湊結構和較低造價的過濾裝置來實現對該功率轉換器中的共模噪聲的良好濾除。

根據本申請的一個方案，提供一種濾波裝置，連接在交流電壓單元與功率轉換器的半導體開關單元之間，用以濾除電路中的共模噪聲，該濾波裝置包括：濾波電容部，一端連接至該交流電壓單元，另一端經由低阻抗元件而連接至該半導體開關單元的直流端，其中該濾波電容部的兩端以及該半導體開關單元的直流端均是功率轉換器的靜地端；濾波電感部，具有四個連接端，其中第一連接端連接至該交流電壓單元，第二連接端連接至該半導體開關單元的交流端，而第三連接端連接至該功率轉換器的靜地端之一；以及補償部，一端連接至該濾波電感部的第四連接端，另一端接地。

根據一個實施例，該濾波電感部包括電感，該電感包括：主繞組，其兩端分別作為該第一連接端和該第二連接端；以及輔助繞組，與該主繞組耦合，其對應於該主繞組的第二連接端的同名端作為該濾波電感部的第三連接端，其另一端作為該濾波電感部的第四連接端。

根據一個實施例，該半導體開關單元包括至少一跳變端，該濾波電感部的輔助繞組與其主繞組的耦合使得該輔助繞組的電壓跳變方向與該功率轉換器的至少一跳變端的電壓跳變方向相反。

根據一個實施例，該半導體開關單元的直流端為高電位端、低電位端或中性電位端至少之一。

根據一個實施例，該低阻抗元件的阻抗值小於該濾波電感部的主繞組的阻抗值的1/2。

根據一個實施例，該低阻抗元件為導線或電容。

根據一個實施例，該補償部包括容性阻抗元件。

根據一個實施例，該容性阻抗元件為電容。

根據一個實施例，該補償部還包括與該容性阻抗元件串聯的電阻。

根據一個實施例，該交流電壓單元具有三相交流電壓，並具有分別與該濾波電感部的第一連接端連接的三相交流端子，且該半導體開關單元的交流端包括三個交流端。

根據一個實施例，該濾波電容部包括三個電容，每個電容的一端分別連接至該三相交流端子之一，而每個電容的另一端彼此連接以形成作為該功率轉換器的靜地端之一的中性點。

根據一個實施例，該濾波電感部包括三個電感，其中第一電感包括第一主繞組和第一輔助繞組，第二電感包括第二主繞組和第二輔助繞組，第三電感包括第三主繞組和第三輔助繞組，每個該主繞組的第一端作為該濾波電感部的第一連接端分別連接至該三相交流端子之一，且其第二端作為該濾波電感部的第二連接端分別連接至該半導體開關單元的三個交流端之一，該第一輔助繞組的第一端作為該濾波電感部的第三連接端連接至該功率轉換器的靜地端之一，該第二輔助繞組的第一端連接至該第一輔助繞組的第二端，該第三輔助繞組的第一端連接至該第二輔助繞組的第二端，該第三輔助繞組的第二端連接端作為該濾波電感部的第四連接端連接至該補償部。

根據一個實施例，該濾波電感部包括三個電感，每個電感的主繞組的第一端作為該濾波電感部的第一連接端分別連接至該三相交流端子之一，且其第二端作為該濾波電感部的第二連接端分別連接至該半導體開關單元的三個交流端之一，每個電感的輔助繞組的第一端作為該濾波電感部的第三連接端分別連接至該功率轉換器的靜地端之一，並且每個電感的輔助繞組的第二端作為該濾波電感部的第四連接端連接至該補償部。

根據一個實施例，該交流電壓單元具有單相交流電壓，且具有分別與該濾波電感部的第一連接端連接的兩個交流端子，且該半導體開關單元的交流端包括兩個交流端。

根據一個實施例，該濾波電容部包括兩個電容，每個電容的一端分別連接至該兩個交流端子之一，而每個電容的另一端彼此連接以形成作為該功率轉換器的靜地端之一的中性點。

根據一個實施例，該濾波電感部包括兩個電感，其中第一電感包括第一主繞組和第一輔助繞組，第二電感包括第二主繞組和第二輔助繞組，每個該主繞組的第一端作為該濾波電感部的第一連接端分別連接至該兩個交流端子之一，且其第二端作為該濾波電感部的第二連接端分別連接至該半導體開關單元的兩個交流端之一，該第一輔助繞組的第一端作為該濾波電感部的第三連接端連接至該功率轉換器的靜地端之一，該第二輔助繞組的第一端連接至該第一輔助繞組的第二端，該第二輔助繞組的第二端作為該濾波電感部的第四連接端連接至該補償部。

根據一個實施例，該濾波電感部包括兩個電感，每個該主繞組的第一端作為該濾波電感部的第一連接端分別連接至該兩個交流端子之一，且其第二端作為該濾波電感部的第二連接端分別連接至該半導體開關單元的兩個交流端之一，每個電感的輔助繞組的第一端作為該濾波電感部的第三連接端分別連接至該功率轉換器的靜地端之一，並且每個電感的輔助繞組的第二端作為該濾波電感部的第四連接端連接至該補償部。

根據一個實施例，該濾波電感部的輔助繞組的補償電壓與補償部等效阻抗的乘積等於該半導體開關單元的等效共模電壓及等效共模阻抗的乘積的0.5倍至1.5倍。

根據一個實施例，中該半導體開關單元為AC-DC或DC-AC半導體開關單元。

根據一個實施例，該半導體開關單元為兩電平、三電平或多電平半導體開關單元。

根據本申請的另一個方案，提供一種功率轉換器，包括如上所述之濾波裝置，該功率轉換器還包括半導體開關單元，其中該濾波裝置連接至交流電壓單元與該半導體開關單元之間。

根據一個實施例，在該濾波裝置與交流電壓單元之間還連接有電磁干擾濾波器。

根據一個實施例，該電磁干擾濾波器為差模濾波器或共模濾波器。

根據本申請的又一個方案，提供一種共模噪聲抑制方法，包括使用如上所述之濾波裝置中的濾波電容部、濾波電感部和補償部來濾除電路中的共模噪聲。

本申請相比現有技術而具有以下優點：

在本申請的過濾裝置中，濾波電容部採用的就是現有的功率轉換器基本結構中的濾波電容，無須另外設置額外的電容元件，而濾波電感部也僅僅是在原有的每個濾波電感上各增加一組輔助繞組而已。此外，由於每個濾波電感的輔助繞組上僅有補償電流，而沒有功率電流流過，因而各輔助繞組的繞線可以做的很細，則輔助繞組的造價也非常低廉。

因而，相比於現有技術中的共模電感濾波方案，本申請的過濾裝置的結構更為緊湊、造價大為降低，也更易於實現。而相對於僅採用濾波電容中性點N與直流母線的中點O相連的技術方案，本申請對共模噪聲的濾除更為徹底，不僅可以抑制通過直流母線對地的分布電容流入地的共模噪聲，還能抑制通過橋臂中點對地的電容C1A、C1B和C1C引起的共模電流。

11．．．交流電壓單元

12．．．半導體開關單元

13．．．濾波電容部(濾波電容組)

14．．．濾波電感部

14’．．．濾波電感組

15．．．補償部

151、152和153．．．容性阻抗

16．．．電源阻抗穩定網絡

17．．．無源共模濾波器

21．．．逆變器單元(變頻器)

22．．．電機

23．．．輸出濾波電容部

24．．．輸出濾波電感部

141~143．．．濾波電感

A、B、C．．．交流端

O、P、Q．．．直流端

L_A 、L_B 、L_C ．．．主繞組

L_A’ 、L_B’ 、L_C’ ．．．輔助繞組

u_AO 、u_BO 、u_CO ．．．跳變電壓

C₁ 、C_1A 、C_1B 、C_1C ．．．跳變端的分布電容

u_CM ．．．共模電壓

C_CM ．．．共模電容

i_CM ．．．補償前的共模電流

i_CM’ ．．．補償後的共模電流

U_comp ．．．補償電壓

C_comp ．．．補償電容

圖1是示出基本的三相功率轉換器的拓撲結構的視圖。
圖2是示出現有的三相功率轉換器的共模噪聲抑制方案之一的視圖。
圖3是示出現有的三相功率轉換器的共模噪聲抑制方案之二的第一示例的電路圖。
圖4是示出現有的三相功率轉換器的共模噪聲抑制方案之二的第二示例的電路圖。
圖5是示出根據本申請的第一實施例的濾波裝置的電路圖。
圖6是示出根據本申請的第一實施例的濾波裝置的第一示例的電路圖。
圖7是示出根據本申請的第一實施例的濾波裝置的第二示例的電路圖。
圖8是示出圖6所示實施例的濾波裝置的等效共模噪聲模型的視圖。
圖9是示出圖8所示等效共模噪聲模型的進一步的等效模型的視圖。
圖10是示出圖6所示實施例的濾波裝置的相關電壓和電流的波形圖。
圖11是示出根據本申請的第一實施例的濾波裝置的第三示例的電路圖。
圖12是示出根據本申請的第一實施例的濾波裝置的第四示例的電路圖。
圖13是示出根據本申請的第一實施例的濾波裝置的第五示例的電路圖。
圖14是示出根據本申請的第一實施例的濾波裝置的第六示例的電路圖。
圖15a是示出本申請的兩電平半導體開關單元的配置示例的視圖。
圖15b是示出本申請的三電平半導體開關單元的配置示例的視圖。
圖16是示出根據本申請的第二實施例的濾波裝置的電路圖。
圖17是示出根據本申請的第三實施例的濾波裝置的電路圖。
圖18是示出本申請的功率轉換器應用系統的第一示例的視圖。
圖19是示出本申請的功率轉換器應用系統的第二示例的視圖。
圖20是示出本申請的功率轉換器應用系統的第三示例的視圖。

體現本案特徵與優點的一些典型實施例將在後段的說明中詳細敘述。應理解的是本案能夠在不同的態樣上具有各種的變化，其皆不脫離本案的範圍，且其中的說明及圖示在本質上係當作說明之用，而非架構於限制本案。

圖5是示出根據本申請的第一實施例的濾波裝置的電路圖。

如圖5所示，由半導體開關單元12和濾波裝置共同構成功率轉換器，該功率轉換器接收交流電壓單元11的交流電壓。該濾波裝置連接在交流電壓單元11與功率轉換器的半導體開關單元12之間，用以濾除電路中的共模噪聲。其中該交流電壓單元11具有低頻交流電壓，其頻率例如為約50Hz，或者約60Hz。該半導體開關單元12包括一組交流端A、B和C，以及一組直流端O、P和Q，該交流端A、B和C之間的電壓為高頻調製的低頻交流電壓，常見的調製方法包括正弦脈寬波調製SPWM，空間矢量調製等。該直流端O、P和Q具有高電位、低電位或中性電位至少之一，該直流端O、P和Q之間的電壓為直流電壓。

該濾波裝置可包括：濾波電容部13，一端分別連接至該交流電壓單元11，另一端彼此連接而形成一個中性點N，該中性點N經由低阻抗元件而連接至該半導體開關單元12的直流端O、P和Q之一；濾波電感部14，具有四個連接端，其中第一連接端連接至該交流電壓單元11，第二連接端分別連接至該半導體開關單元的交流端A、B和C，而第三連接端連接至該濾波電容部13的上下兩端之一或該半導體開關單元12的直流端O、P和Q之一；以及補償部14，一端連接至該濾波電感部14的第四連接端，另一端接地。該補償部可包括容性阻抗元件。

其中，該低阻抗元件可被定義為：在所關注的頻段（例如9kHz-1MHz）之內，其阻抗小於濾波電感14的主繞組的阻抗的1/2。該低阻抗元件例如可為導線或阻抗較小的電容等。

對於一個功率轉換器而言，其電路節點按其對地電壓的變化情況，可分為靜地端和跳變端。其中，靜地端是指對地電壓不跳變或跳變頻率遠小於該半導體開關單元12的開關頻率（例如至少為十分之一）的點，而跳變端是指對地電壓跳變頻率等於或接近該開關頻率的點。以圖5為例，因為低頻交流電壓單元11的頻率僅為50-60Hz，遠遠小於半導體開關單元12的開關頻率（通常在600Hz以上），因而低頻交流電壓單元11的三相端子Ua、Ub和Uc可屬於功率轉換器的靜地端，濾波電容13的各電容Cx直接與三個端子Ua、Ub和Uc相連，因而也屬於靜地端，而濾波電容13的中性點N僅通過低阻抗元件（電容Cx）與三個端子Ua、Ub和Uc相連，也為靜地端，此外，由於該中性點N和半導體開關單元12的直流端O、P和Q之間同樣僅通過低阻抗元件連接，所以直流端O、P和Q也為靜地端。另一方面，半導體開關單元的交流端A、B和C則由於直接連接至以高頻率切換的開關元件而屬於功率轉換器的跳變端。

如上所述，可知功率轉換器的靜地端應該是指與低頻交流電壓單元11通過低阻抗元件相連的所有點。這裡的低阻抗元件的含義也如同之前的定義，即，在所關注的頻段（例如9kHz-1MHz）之內，其阻抗小於濾波電感14的主繞組的阻抗的1/2，該低阻抗元件例如包括電容Cx。

濾波電感部14可包含多個濾波電感，其中每一個濾波電感均包括主繞組和輔助繞組，主繞組的兩端分別作為該濾波電感部14的第一連接端和第二連接端，而輔助繞組與主繞組耦合，其對應於該主繞組的第二連接端的同名端作為該濾波電感部14的第三連接端，其另一端則是對應於該主繞組的第一連接端的同名端，作為該濾波電感部14的第四連接端。

具體而言，主繞組LA、LB和LC的一端（作為該濾波電感部14的第一連接端）分別與低頻交流電壓單元11連接，並且可將主繞組LA、LB和LC的與低頻交流電壓單元11連接的這些端子定義為主繞組的靜地端，主繞組LA、LB和LC的另一端（作為該濾波電感部的第二連接端）分別與半導體開關單元12的交流端A、B和C連接，並且可將主繞組LA、LB和LC的與半導體開關單元12的交流端A、B和C連接的這些端子定義為主繞組的跳變端。輔助繞組LA’、LB’和LC’同樣也存在兩個端子，輔助繞組與主繞組的跳變端為同名端的端子可被定義為輔助繞組的靜地端，與主繞組靜地端為同名端的端子可被定義為輔助繞組的跳變端。在將各輔助繞組首尾串聯後，輔助繞組的靜地端之一（例如LA’的靜地端，作為該濾波電感部14的第三連接端）與功率轉換器的靜地端之一相連，輔助繞組的跳變端之一（例如LC’的跳變端，作為該濾波電感部14的第四連接端）與補償部14相連。

其中針對該半導體開關單元12的跳變端，該濾波電感部14的輔助繞組LA’、LB’和LC’按照上述方式分別與其主繞組LA、LB和LC相耦合，使得該輔助繞組LA’、LB’和LC’的電壓跳變方向與該功率轉換器的跳變端的電壓跳變方向相反。

在所關注的頻段（例如9kHz-1MHz）之內，補償部15的阻抗呈現容性特性，該補償部15的一端與濾波電感輔助繞組的跳變端相連，另一端接保護地。

圖6是示出根據本申請的第一實施例的濾波裝置的第一示例的電路圖。

在如圖6所示的示例中，交流電壓單元11是三相交流電壓，其具有三相交流端子Ua、Ub和Uc；半導體開關單元12由六對半導體開關元件兩兩串聯而組成三個橋臂，濾波電感部14包括三個電感，這三個電感中的主繞組LA、LB和LC的每一個的一端連接至交流電壓單元11的三相交流端子Ua、Ub和Uc之一，另一端連接至半導體開關單元12的三個橋臂的中點A、B和C之一。電容CB1與CB2為半導體開關單元直流側的濾波電容，兩個電容的共用端為O。濾波電容13的中性點N通過一段導線（低阻抗元件）與半導體開關單元12的直流共用端O連接，且補償部15中的容性阻抗元件是電容。

圖8是示出圖6所示實施例的濾波裝置的等效共模噪聲模型的視圖。圖9是示出圖8所示等效共模噪聲模型的進一步的等效模型的視圖。圖10是示出圖6所示實施例的濾波裝置的相關電壓和電流的波形圖。

下面結合圖8和圖9的噪聲模型具體說明本申請的共模噪聲濾除原理。假設uAO、uBO和uCO分別為跳變端A、B和C對靜地端O之間的電壓。 C1A、C1B和C1C分別為跳變端A、B和C對地的分布電容。跳變電壓在這些分布電容上生成位移電流，位移電流流入地，形成共模電流（此共模電流即為共模噪聲）。在本申請中，通過在濾波電感14中的各電感中分別設置一個輔助繞組而形成補償電壓Ucomp，由於輔助繞組LA’、LB’和LC’上的電壓跳變方向與該功率轉換器的跳變端A、B和C處的電壓跳變方向相反，則該補償電壓的相位與跳變電壓uAO、uBO和uCO的相位相反。這樣，該補償電壓通過補償部15的補償電容而形成的電流與原共模電流方向相反，這樣，流過電源阻抗穩定網絡（LISN）16的共模電流就可以相互抵消，從而使得共模噪聲得到抑制。

利用電路原理戴維南定理，圖8可以進一步等效為圖9所示的模型。其中，假設跳變端A、B和C的總跳變電壓（或稱為共模電壓）為uCM，而跳變端A、B和C的總跳變電容（或稱為共模電容）為CCM，則它們應滿足下列公式：

因此，如果補償電壓和補償電容滿足：

共模電流就可以得到補償。

亦即，為了獲得良好的共模噪聲濾除效果，該濾波電感部的輔助繞組的補償電壓Ucomp應該與該半導體開關單元的交流端的跳變電壓的相位相反，該濾波電感部的輔助繞組的補償電壓Ucomp與補償部15的補償電容Ccomp的乘積應該大致等於該半導體開關單元的交流端的共模電壓及共模電容的乘積。

在實際工程應用中，允許存在一定的補償誤差，只要uComp*CComp在uCM*CCM的0.5至1.5倍之間，均可以獲得明顯的補償（即共模噪聲濾除）效果。

考慮到三相電路的對稱型，一種較佳的情況為：C1A=C1B=C1C= C1，

則uCM=（uAO+uBO+uCO）/3

CCM=3C1

此時可以選擇各輔助繞組LA’、LB’和LC’的匝數分別為其主繞組LA、LB和LC的匝數的1/3，補償電容CComp=3C1；即補償電壓大小為uComp=（uAO+uBO+uCO）/3=uCM，CComp=3C1=CCM。

圖10所示為圖6所示實施例的相關電壓和電流波形的示意圖，其中iCM為不帶本申請的濾波裝置時的共模電流波形，iCM’為設置有本申請的濾波裝置時的共模電流波形。從圖中可以看出，補償電壓uComp和共模電壓uCM大小相等，方向相反，增加濾波裝置後，共模電流iCM’得到了顯著抑制。

圖7是示出根據本申請的第一實施例的濾波裝置的第二示例的電路圖。

在如圖7所示的示例中，連接在濾波電容13與半導體開關單元12的直流端O之間的低阻抗元件不再是一段導線，而是以具有低阻抗元件特性的電容Cy0替代，本示例的其他部分則與圖6所示的示例相同。

對於圖7所示的濾波裝置的示例而言，其噪聲模型及共模噪聲的濾除原理與圖6中的示例大致等同。

除了上述圖6-圖7中的兩個示例之外，本申請的濾波裝置還可以有其他的具體實現方式。例如，在如圖11所示的示例中，補償部還可以是電容與電阻串聯連接。考慮到實際應用中，濾波電感主繞組和輔助繞組之間會存在漏感，該漏感和補償部15的補償電容會形成諧振，影響補償效果。此時，可以通過與補償電容串聯一個電阻R來阻尼這個諧振。

在圖12和圖13所示的示例中，濾波電容部13的中性點N並非與濾波電容CB1和CB2的共用端O連接，而是直接連接至其兩電平直流端P和Q之一。此時，濾波電容組13的中性點N同樣也可通過一段導線或一個電容CY0等與半導體開關單元的直流端P或Q相連。

此外，在圖14所示的示例中，濾波電感部14的第三連接端（即電感輔助繞組LA’的靜地端S）也可以不與濾波電容部13的中性點N連接，而是連接到功率轉換器的其他靜地端，例如連接到交流電壓單元11的三相端子（濾波電容部13的非中性點N的另一端）之一，或連接到半導體開關單元12的三個直流端O、P和Q之一。

此外，本申請的半導體開關單元12除了可以是圖12和圖13中的兩電平拓撲（具體配置如圖15a所示）之外，還可以是多電平拓撲，例如，可以是圖15b所示示例中的三電平拓撲。

圖16是示出根據本申請的第二實施例的濾波裝置的電路圖。

請參閱圖16，由半導體開關單元12和濾波裝置共同構成功率轉換器，該功率轉換器接收低頻交流電壓單元11的交流電壓。本實施例的濾波裝置同樣設置在低頻交流電壓單元11與半導體開關單元12之間。

其中，低頻交流電壓單元11的頻率例如為約50Hz或約60Hz，半導體開關單元12可包括一組交流端A，B和C，一組直流端O、P和Q，該交流端之間的電壓為高頻調製的低頻交流電壓，常見的調製方法包括正弦脈寬波調製SPWM，空間矢量調製等，該直流端之間的電壓為直流電壓。

濾波裝置用以濾除電路中的共模噪聲，其包括濾波電容部13、濾波電感部14及補償部15。

濾波電容部13可包括一組（三個）濾波電容，該濾波電容的一端分別與低頻交流電壓單元11的三相交流端子之一相連，另一端彼此連接以形成中性點N。

濾波電感部14可包括一組（三個）濾波電感141～143，其中每個濾波電感又包括主繞組和輔助繞組。主繞組LA、LB和LC的一端（主繞組的靜地端）與低頻交流電壓單元11的三相交流端子之一連接，另一端（主繞組的跳變端）分別與半導體開關單元12的交流端A、B和C連接。輔助繞組LA’、LB’和LC’同樣也存在兩個端子，與主繞組跳變端為同名端的是輔助繞組的靜地端S1、S2和S3，與主繞組靜地端為同名端的是輔助繞組的跳變端。輔助繞組的各靜地端S1、S2和S3與功率轉換器的至少一個靜地端相連，輔助繞組的跳變端與補償部15相連。

與圖5至圖15所示的第一實施例類似，功率轉換器的靜地端同樣可包括低頻交流電壓單元11的三相交流端子、濾波電容部13的與該三相交流端子連接的一端、濾波電容部13的中性點N、以及半導體開關單元12的直流端O、P和Q等。

另一方面，本實施例與本申請的第一實施例的不同之處在於，在如圖16所示的本實施例中，輔助繞組LA’、LB’和LC’並非首尾串聯連接而只形成一個濾波電感部14的第三連接端和一個濾波電感部14的第四連接端，而是分別形成三個第三連接端（靜地端）S1、S2和S3和三個第四連接端（跳變端）。其中，這三個第三連接端S1、S2和S3可以與功率轉換器的同一個靜地端（例如濾波電容部13的中性點N）相連，也可與功率轉換器的不同靜地端分別相連。例如第三連接端S1可連接到中性點N，第三連接端S2和S3可連接到半導體開關單元12的直流端O、P和Q之一或之二。

補償部15例如可包括三個容性阻抗151、152和153，此時，輔助繞組LA’、LB’和LC’的三個跳變端可分別連接至該補償部15的容性阻抗151、152和153之一，容性阻抗的另一端均接保護地。

補償部15的容性阻抗的定義與第一實施例相同，即，其阻抗在所關注的頻段（例如9kHz-1MHz之內），阻抗呈現容性特性。

該濾波電容部13的中性點N與該半導體開關單元12的直流端O、P和Q之間通過低阻抗元件連接。低阻抗元件的定義也與本申請的第一實施例相同，即，在所關注的頻段（例如9kHz-1MHz之內）之內，其阻抗小於濾波電感主繞組阻抗的1/2。

圖17是示出根據本申請的第三實施例的濾波裝置的電路圖。

在上面的第一和第二實施例中，低頻交流電壓單元11均為三相交流電壓，其具有分別與濾波電容部13和濾波電感部14的第一連接端連接的三相交流端子，且半導體開關單元12的交流端相應地包括三個交流端A、B和C。然而，如圖17所示，本申請的濾波裝置還可以用於單相功率因子校正（PFC，Power Factor Correction）電路中。

具體而言，在圖17所示的第三實施例中，低頻交流電壓單元11為單相交流電壓，其具有兩個交流端子，且該半導體開關單元12包括由四對半導體開關元件兩兩串聯連接而組成的兩個橋臂，且相應地具有兩個交流端A和B。

在本實施例中，濾波電容部13包括兩個電容Cx，每個電容Cx的一端分別連接至低頻交流電壓單元11的兩個交流端子之一，而兩個電容Cx的另一端彼此連接以形成作為功率轉換器的靜地端之一的中性點N。

濾波電感部14包括兩個電感，其中每個濾波電感又包括主繞組和輔助繞組。主繞組LA和LB的靜地端分別與低頻交流電壓單元11的兩個交流端子之一連接，主繞組LA和LB的跳變端分別與半導體開關單元12的交流端A和B連接。輔助繞組LA’和LB’同樣也存在兩個端子，輔助繞組LA’的靜地端S1（與主繞組LA的跳變端為同名端，作為該濾波電感部14的第三連接端）可連接至功率轉換器的靜地端之一，輔助繞組LB’的靜地端與輔助繞組LA’的跳變端串聯連接，輔助繞組LB’的跳變端（與主繞組LB的靜地端為同名端，作為該濾波電感部14的第四連接端）與補償部15相連。

與前述其他實施例相同，補償部15也可包括容性阻抗，例如可以為電容，或還包括與電容串聯的電阻。

與前述其他實施例類似，本實施例中的功率轉換器的靜地端同樣可包括低頻交流電壓單元11的兩個交流端子、濾波電容部13的與該兩個交流端子連接的一端、濾波電容部13的中性點N、以及半導體開關單元12的直流端O、P和Q等。

在本實施例中，濾波電感部15輔助繞組LA’和LB’同樣也可具有類似於圖16所示示例中的連接方式。例如，每個輔助繞組LA’和LB’的兩個第一端均作為該濾波電感部的第三連接端而連接至該功率轉換器的靜地端之一或之二，並且每個電感的輔助繞組的兩個第二端作為該濾波電感部的第四連接端連接至該補償部。

如上可知，本實施例中的單相交流電壓單元11、半導體開關單元12和濾波裝置一起組成單相PFC電路。

在本申請的上述實施例中，功率轉換器可以是從交流到直流的整流器單元，也可以是從直流到交流的逆變器單元，因而半導體開關單元12即可以是進行AC-DC轉換的半導體開關單元，也可以是進行DC-AC轉換的半導體開關單元。

下面將結合圖18-圖20具體描述本申請的功率轉換器的應用示例。

圖18是示出本申請的功率轉換器應用系統的第一示例的視圖。

圖18示出一種變頻器驅動電機系統。該系統可包括電網11和電機22。這裡，功率轉換器可包括從交流到直流的整流器單元（或逆變器單元）12（即，第一整流器/逆變器單元），以及從直流到交流的逆變器單元（或整流器）21（即，第二整流器/逆變器單元）。

濾波裝置可包括濾波電容部13、帶輔助繞組的濾波電感部14、以及補償電容部15。在濾波電容部13的中性點N與整流單元12的直流端O（濾波電容CB1和CB1）之間通過低阻抗元件連接。

該濾波裝置可以設置在電網11與整流器單元12之間，用以濾除整流器單元12的輸入端的共模噪聲。

在此示例中，功率的走向可以是從電網11到電機22，此時是由電網11提供電能來驅動電機22工作，或者，功率的走向也可以是從電機22到電網11，此時是由電機22發電來給電網11提供電能。

如圖19所示，本申請的濾波裝置也可以設置在電機22一側，即，位於逆變器單元（變頻器）21與電機22之間，用於抑制逆變器單元21的輸出端的共模噪聲。該濾波裝置可包括：輸出濾波電容部23（等同於前述實施例中的濾波電容部13）、帶輔助繞組的輸出濾波電感部24（等同於前述實施例中的濾波電感部14）、以及補償電容15。在輸出濾波電容部23的中性點N與逆變器單元21的直流端O（濾波電容CB1和CB1）之間通過低阻抗元件連接。

此外，本申請的功率轉換器還可應用於無功補償裝置SVG、有源濾波器APF、太陽能逆變器、以及風力發電系統等，用以濾除電路中的共模噪聲。

當然，本申請還可以與現有的採用電磁干擾濾波器（EMI Filter）的系統配合使用，如圖20所示。在電網11與功率轉換器的半導體開關單元12之間還可設置有EMI 濾波器17，其可以為差模濾波器，或共模濾波器，或者兼具差模和共模功能的濾波器。本申請的濾波裝置可設置在EMI 濾波器17與半導體開關單元12之間。

根據上述實施例，只要設置有本申請的濾波裝置，則功率轉換器或其應用系統的噪聲模型及共模噪聲的濾除原理與圖6所示的示例均大致等同。

根據本申請的另一實施例，還提供一種共模噪聲抑制方法，可包括：在功率轉換器或其他應用系統中設置根據上述實施例中所述之濾波電容部、濾波電感部和補償部，用以濾除電路中的共模噪聲。

本申請相比現有技術而具有以下優點：

在本申請的過濾裝置中，濾波電容部採用的就是現有的功率轉換器基本結構中的濾波電容，無須另外設置額外的電容元件，而濾波電感部也僅僅是在原有的每個濾波電感上各增加一組輔助繞組而已。此外，由於每個濾波電感的輔助繞組上僅有補償電流，而沒有功率電流流過，因而各輔助繞組的繞線可以做的很細，則輔助繞組的造價也非常低廉。

因而，相比於現有技術中的共模電感濾波方案，本申請的過濾裝置的結構更為緊湊、造價大為降低，也更易於實現。而相對於僅採用濾波電容中性點N與直流母線的中點O相連的技術方案，本申請對共模噪聲的濾除更為徹底，不僅可以抑制通過直流母線對地的分布電容流入地的共模噪聲，還能抑制通過橋臂中點對地的電容C1A、C1B和C1C引起的共模電流。

對於本領域技術人員來說，顯然可在不背離本申請的精神和範圍的前提下對本申請作各種變化和修改。因此，本申請意圖涵蓋對本申請做出的各種修改和變化，只要它們落在申請專利範圍及其等同方案的保護範圍內即可。

11．．．交流電壓單元

12．．．半導體開關單元

13．．．濾波電容部(濾波電容組)

14．．．濾波電感部

15．．．補償部

16．．．電源阻抗穩定網絡

17．．．無源共模濾波器

A、B、C．．．交流端

O、P、Q．．．直流端

L_A 、L_B 、L_C ．．．主繞組

L_A’ 、L_B’ 、L_C’ ．．．輔助繞組

u_AO 、u_BO 、u_CO ．．．跳變電壓

Claims (24)

1. 一種濾波裝置，連接在交流電壓單元與功率轉換器的半導體開關單元之間，用以濾除電路中的共模噪聲，該濾波裝置包括：
   　　濾波電容部，一端連接至該交流電壓單元，另一端經由低阻抗元件而連接至該半導體開關單元的直流端，其中該濾波電容部的兩端以及該半導體開關單元的直流端均是功率轉換器的靜地端；
   　　濾波電感部，具有四個連接端，其中第一連接端連接至該交流電壓單元，第二連接端連接至該半導體開關單元的交流端，而第三連接端連接至該功率轉換器的靜地端之一；以及
   　　補償部，一端連接至該濾波電感部的第四連接端，另一端接地。
2. 根據申請專利範圍第1項所述之濾波裝置，其中該濾波電感部包括電感，該電感包括：
   　　主繞組，其兩端分別作為該第一連接端和該第二連接端；以及
   　　輔助繞組，與該主繞組耦合，其對應於該主繞組的第二連接端的同名端作為該濾波電感部的第三連接端，其另一端作為該濾波電感部的第四連接端。
3. 根據申請專利範圍第1項所述之濾波裝置，其中該半導體開關單元包括至少一跳變端，該濾波電感部的輔助繞組與其主繞組的耦合使得該輔助繞組的電壓跳變方向與該功率轉換器的至少一跳變端的電壓跳變方向相反。
4. 根據申請專利範圍第1項所述之濾波裝置，其中該半導體開關單元的直流端為高電位端、低電位端或中性電位端至少之一。
5. 根據申請專利範圍第2項所述之濾波裝置，其中該低阻抗元件的阻抗值小於該濾波電感部的主繞組的阻抗值的二分之一。
6. 根據申請專利範圍第1項所述之濾波裝置，其中該低阻抗元件為導線或電容。
7. 根據申請專利範圍第1項所述之濾波裝置，其中該補償部包括容性阻抗元件。
8. 根據申請專利範圍第7項所述之濾波裝置，其中該容性阻抗元件為電容。
9. 根據申請專利範圍第7項所述之濾波裝置，其中該補償部還包括與該容性阻抗元件串聯的電阻。
10. 根據申請專利範圍第1項至第9項的任意一個所述之濾波裝置，其中該交流電壓單元具有三相交流電壓，並具有分別與該濾波電感部的第一連接端連接的三相交流端子，且該半導體開關單元的交流端包括三個交流端。
11. 根據申請專利範圍第10項所述之濾波裝置，其中該濾波電容部包括三個電容，每個電容的一端分別連接至該三相交流端子之一，而每個電容的另一端彼此連接以形成作為該功率轉換器的靜地端之一的中性點。
12. 根據申請專利範圍第10項所述之濾波裝置，其中該濾波電感部包括三個電感，其中第一電感包括第一主繞組和第一輔助繞組，第二電感包括第二主繞組和第二輔助繞組，第三電感包括第三主繞組和第三輔助繞組，每個該主繞組的第一端作為該濾波電感部的第一連接端分別連接至該三相交流端子之一，且其第二端作為該濾波電感部的第二連接端分別連接至該半導體開關單元的三個交流端之一，該第一輔助繞組的第一端作為該濾波電感部的第三連接端連接至該功率轉換器的靜地端之一，該第二輔助繞組的第一端連接至該第一輔助繞組的第二端，該第三輔助繞組的第一端連接至該第二輔助繞組的第二端，該第三輔助繞組的第二端作為該濾波電感部的第四連接端連接至該補償部。
13. 根據申請專利範圍第10項所述之濾波裝置，其中該濾波電感部包括三個電感，每個電感的主繞組的第一端作為該濾波電感部的第一連接端分別連接至該三相交流端子之一，且其第二端作為該濾波電感部的第二連接端分別連接至該半導體開關單元的三個交流端之一，每個電感的輔助繞組的第一端作為該濾波電感部的第三連接端分別連接至該功率轉換器的靜地端之一，並且每個電感的輔助繞組的第二端作為該濾波電感部的第四連接端連接至該補償部。
14. 根據申請專利範圍第1項至第9項的任意一個所述之濾波裝置，其中該交流電壓單元具有單相交流電壓，且具有分別與該濾波電感部的第一連接端連接的兩個交流端子，且該半導體開關單元的交流端包括兩個交流端。
15. 根據申請專利範圍第14項所述之濾波裝置，其中該濾波電容部包括兩個電容，每個電容的一端分別連接至該兩個交流端子之一，而每個電容的另一端彼此連接以形成作為該功率轉換器的靜地端之一的中性點。
16. 根據申請專利範圍第14項所述之濾波裝置，其中該濾波電感部包括兩個電感，其中第一電感包括第一主繞組和第一輔助繞組，第二電感包括第二主繞組和第二輔助繞組，每個該主繞組的第一端作為該濾波電感部的第一連接端分別連接至該兩個交流端子之一，且其第二端作為該濾波電感部的第二連接端分別連接至該半導體開關單元的兩個交流端之一，該第一輔助繞組的第一端作為該濾波電感部的第三連接端連接至該功率轉換器的靜地端之一，該第二輔助繞組的第一端連接至該第一輔助繞組的第二端，該第二輔助繞組的第二端作為該濾波電感部的第四連接端連接至該補償部。
17. 根據申請專利範圍第14項所述之濾波裝置，其中該濾波電感部包括兩個電感，每個該主繞組的第一端作為該濾波電感部的第一連接端分別連接至該兩個交流端子之一，且其第二端作為該濾波電感部的第二連接端分別連接至該半導體開關單元的兩個交流端之一，每個電感的輔助繞組的第一端作為該濾波電感部的第三連接端分別連接至該功率轉換器的靜地端之一，並且每個電感的輔助繞組的第二端作為該濾波電感部的第四連接端連接至該補償部。
18. 根據申請專利範圍第2項至第9項的任意一個所述之濾波裝置，其中該濾波電感部的輔助繞組的補償電壓與補償部等效阻抗的乘積等於該半導體開關單元的等效共模電壓及等效共模阻抗的乘積的0.5倍至1.5倍。
19. 根據申請專利範圍第1項至第9項的任意一個所述之濾波裝置，其中該半導體開關單元為AC-DC或DC-AC半導體開關單元。
20. 根據申請專利範圍第1項至第9項的任意一個所述之濾波裝置，其中該半導體開關單元為兩電平、三電平或多電平半導體開關單元。
21. 一種功率轉換器，包括根據申請專利範圍第1項至第20項的任意一個所述之濾波裝置，該功率轉換器還包括半導體開關單元，其中該濾波裝置連接至交流電壓單元與該半導體開關單元之間。
22. 根據申請專利範圍第21項所述之功率轉換器，其中在該濾波裝置與交流電壓單元之間還連接有電磁干擾濾波器。
23. 根據申請專利範圍第22所述之功率轉換器，其中該電磁干擾濾波器為差模濾波器或共模濾波器。
24. 一種共模噪聲抑制方法，包括使用根據申請專利範圍第1項至第20項的任意一個所述之濾波裝置中的濾波電容部、濾波電感部和補償部來濾除電路中的共模噪聲。