TWI500246B - 具有抑制共模噪音功能的功率變換裝置 - Google Patents

具有抑制共模噪音功能的功率變換裝置 Download PDF

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TWI500246B
TWI500246B TW103120628A TW103120628A TWI500246B TW I500246 B TWI500246 B TW I500246B TW 103120628 A TW103120628 A TW 103120628A TW 103120628 A TW103120628 A TW 103120628A TW I500246 B TWI500246 B TW I500246B
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Jinping Zhou
Min Zhou
Yicong Xie
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Delta Electronics Shanghai Co
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/44—Circuits or arrangements for compensating for electromagnetic interference in converters or inverters

Description

具有抑制共模噪音功能的功率變換裝置 【0001】
本申請涉及一種三相功率變換器，尤指連接至三相三線低頻交流電源或負載的一種具有抑制共模噪音功能的功率變換裝置。

 【0002】
在三相的AC-DC、DC-AC、UPS、風能及太陽能等系統中，通常需要一個三相功率變換器。圖1所示為基本的三相功率變換器的拓撲結構，該三相功率變換器1’主要包括：一功率變換單元11’、一濾波電感組12’、一濾波電容組13’、以及一電源阻抗穩定網路14’；其中，功率變換單元11’ 作為交流端的三個橋臂中點(A’、B’和C’)是分別耦接在濾波電感組12’的三個濾波電感(LF1 ’、LF2 ’和LF3 ’)；並且，該三個濾波電感(LF1 ’、LF2 ’和LF3 ’)又分別耦接至該濾波電容組13’ 的三個濾波電容Cx’；其中，該三個濾波電容Cx’為星形連接，且該三個濾波電容Cx’的一端是耦接至外部電網2’的三個相端子(Ua’、 Ub’和Uc’)，另一端則彼此相連以構成一中性點N’。 進一步地，還可以將電源阻抗穩定網路(Line Impedance Stabilization Network, LISN)14’耦接在該電網2’與該濾波電容組13’之間，用以作為該三相功率變換器1’進行傳導電磁干擾測試時的輔助設備。此外，如圖1所示，功率變換單元11’的輸出端是由直流濾波電容CB0 ’、CB1 ’和CB2 ’分別形成三個直流端O’、P’和Q’，其中直流端O’為直流母線中點O’，為直流濾波電容CB1 ’和CB2 ’的共用端。
【0003】
於所述的三相功率變換器1’之中，假設C0 ’為連接有直流濾波電容CB0 ’、CB1 ’和CB2 ’的直流母線與接地端GND’之間的總的分佈電容，C1A ’、C1B ’和C1C ’分別為功率變換單元11’之中的每一個橋臂中點(A’、B’和C’)對地GND’的分佈電容。如此，當功率變換單元11’進行電位跳變時，分佈電容C1A ’、C1B ’和C1C ’會產生位移電流，且此位移電流會進一步地流入接地端GND’，因而形成共模噪音(共模電流)。繼續地參考圖2所示的三相功率變換器的抑制共模噪音的解決方案。圖2所示的三相功率變換器的拓撲結構式通過將一個無源共模濾波器15’耦接在圖1所示的電網2’與三相功率變換器1’的濾波電容組13’之間；其中，無源共模濾波器15’包括一個共模電感151’以及由彼此星形連接的三個濾波電容CY ’形成的一個濾波電容組152’。
【0004】
雖然圖2所示的解決方案的確可以解決產生於圖1的三相功率變換器1’之中的共模噪音，但是，由於共模電感LCM ’的體積大、成本高，導致該共模電感151’設計與整合上的困難。如圖3的電壓頻譜圖所示，其中，曲線1為圖1所示的三相功率變換器1’ 的電壓頻譜圖，且曲線2為圖2所示的三相功率變換器的電壓頻譜圖。由圖3的電壓頻譜圖，可以發現即使將無源共模濾波器15’耦接至的電網2’與三相功率變換器1’的濾波電容組13’之間，在功率變換器的諧振頻率f0 處，仍然存在著很大的噪音，顯示無源共模濾波器15’對於該三相功率變換器1’的噪音抑制效果不佳。
【0005】
綜合上述對於現行的各種三相功率變換器的共模噪音解決方案的瞭解，可以得知現行的各種共模噪音解決方案皆具有些許的缺點與不足；有鑑於此，本案的發明人極力加以研究發明，而終於研發完成本發明。

 【0006】
為了克服現有技術中的缺陷，本發明的主要目的在於提供一種具有抑制共模噪音功能的功率變換裝置，其主要以三組主繞組電感與三組輔助繞組電感構成一個濾波電感單元，使得該功率變換裝置內部的主要功率變換單元可以通過該三組主繞組電感而耦接至外部的電氣裝置的三個相端子；同時，更利用該三組輔助繞組電感配合例如補償電容的一個補償單元以構成一組補償線路，使得工程人員可通過選擇適當的主繞組電感和輔助繞組電感的匝數比，而輕易地對於功率變換器的諧振頻率處的共模噪音，起到明顯有效的抑制效果。
【0007】
因此，為了達成本發明的目的，本申請的發明人提出了一種具有抑制共模噪音功能的功率變換裝置，其包括：
【0008】
一接地端；
【0009】
一功率變換單元，具有一第一直流端子、一第二直流端子、一第一交流端子、一第二交流端子、與一第三交流端子；其中，該第一直流端子與該第二直流端子是耦接至外部的一第一電氣裝置；
【0010】
一直流母線電容單元，耦接在該第一直流端子與該第二直流端子之間；
【0011】
一濾波電容單元，包括一第一濾波電容、一第二濾波電容與一第三濾波電容，其中，該第一濾波電容、該第二濾波電容與該第三濾波電容各自的一端是分別耦接至外部的一第二電氣裝置的一第一相端子、一第二相端子與一第三相端子，該第一濾波電容、該第二濾波電容與該第三濾波電容各自的另一端是彼此連接成一公共端；以及
【0012】
一濾波電感單元，包括：一第一主繞組電感，具有一第一主繞組低頻端與一第一主繞組高頻端，其中，該第一主繞組低頻端是耦接至該第一相端子與該第三濾波電容，該第一主繞組高頻端則耦接至該第一交流端子；一第一輔助繞組電感，與該第一主繞組電感耦合，並具有一第一輔助繞組低頻端與一第一輔助繞組高頻端，其中，該第一輔助繞組低頻端是耦接至該公共端；一第二主繞組電感，具有一第二主繞組低頻端與一第二主繞組高頻端，其中，該第二主繞組低頻端是耦接至該第二相端子與該第二濾波電容，該第二主繞組高頻端則耦接至該第二交流端子；一第二輔助繞組電感，與該第二主繞組電感耦合，具有一第二輔助繞組低頻端與一第二輔助繞組高頻端，其中，該第二輔助繞組低頻端是耦接至該第一輔助繞組高頻端；一第三主繞組電感，具有一第三主繞組低頻端與一第三主繞組高頻端，其中，該第二主繞組低頻端是耦接該第三相端子該第一濾波電容，該第三主繞組高頻端則耦接至該第三交流端子；以及一第三輔助繞組電感，與該第三主繞組電感耦合，並具有一第三輔助繞組低頻端與一第三輔助繞組高頻端，其中，該第三輔助繞組低頻端是耦接至該第二輔助繞組高頻端，且該第三輔助繞組高頻端是耦接至該接地端。
【0013】
根據本發明的具有抑制共模噪音功能的功率變換裝置的一具體實施例，更包括一補償單元，該補償單元的一端耦接在該第三輔助繞組高頻端，另一端則耦接在該接地端。
【0014】
根據本發明的具有抑制共模噪音功能的功率變換裝置的一具體實施例，該補償單元是選自於下列群組的任一者：補償電容、補償電感、補償電阻、上述任兩者的串聯組合、上述三者的串聯組合。
【0015】
根據本發明的具有抑制共模噪音功能的功率變換裝置的一具體實施例，該補償單元由一補償電感與一補償電容串聯組成，並且該補償電感的感量Lcomp符合下列的計算公式：Lcomp＜2(M-3L’)；其中，M為該濾波電感單元內部的三個主繞組電感與三個輔助繞組電感的互感量，且L’為該濾波電感單元內部的三個輔助繞組電感的電感量。
【0016】
根據本發明的具有抑制共模噪音功能的功率變換裝置的一具體實施例，所述的補償電感的感量Lcomp符合下列的計算公式：Lcomp=M-3L’。
【0017】
根據本發明的具有抑制共模噪音功能的功率變換裝置的一具體實施例，該第一主繞組電感與該第一輔助繞組電感的匝數比、該第二主繞組電感與該第二輔助繞組電感的匝數比、以及該第三主繞組電感與該第三輔助繞組電感的匝數比，都是介於3:1.3與3:0.7之間。並且，較佳地，該第一主繞組電感與該第一輔助繞組電感的匝數比、該第二主繞組電感與該第二輔助繞組電感的匝數比、以及該第三主繞組電感與該第三輔助繞組電感的匝數比都是3:1。
【0018】
根據本發明的具有抑制共模噪音功能的功率變換裝置的一具體實施例，該功率變換單元為一兩電平功率變換器、三電平功率變換器或其它的多電平功率變換器。
【0019】
根據本發明的具有抑制共模噪音功能的功率變換裝置的一具體實施例，該第一直流端子與該第二直流端子是耦接至一第一電氣裝置，其中，該第一電氣裝置為電容、交流到直流整流單元、直流到交流整流單元、與電池。
【0020】
根據本發明的具有抑制共模噪音功能的功率變換裝置的一具體實施例，所述的具有抑制共模噪音功能的功率變換裝置還包括一第二功率變換單元，是耦接在該第一電氣裝置與該第一直流端子及該第二直流端子之間。
【0021】
根據本發明的具有抑制共模噪音功能的功率變換裝置的一具體實施例，該第二功率變換單元為一交流到直流的整流單元或一直流到交流逆變單元。
【0022】
根據本發明的具有抑制共模噪音功能的功率變換裝置的一具體實施例，該第一相端子、該第二相端子和該第三相端子耦接至一第二電氣裝置，其中，所述的第二電氣裝置為電網或馬達。
【0023】
根據本發明的具有抑制共模噪音功能的功率變換裝置的一具體實施例，所述的具有抑制共模噪音功能的功率變換裝置更包括一電磁干擾濾波器，且所述的電磁干擾濾波器耦接在該濾波電容單元與該第一相端子、該第二相端子和該第三相端子之間。
【0024】
根據本發明的具有抑制共模噪音功能的功率變換裝置的一具體實施例，所述的電磁干擾濾波器為一組差模濾波器，其包括：一第一電磁干擾濾波電感，其一端是耦接在該第一相端子，且其另一端是耦接在該第一濾波電容；一第二電磁干擾濾波電感，其一端是耦接在該第二相端子，且其另一端是耦接在該第二濾波電容；一第三電磁干擾濾波電感，其一端是耦接在該第三相端子，且其另一端是耦接在該第三濾波電容；一第一電磁干擾濾波電容，其一端是耦接在該第一電磁干擾濾波電感，且其另一端是耦接在該第二電磁干擾濾波電感；一第二電磁干擾濾波電容，其一端是耦接在該第二電磁干擾濾波電感，且其另一端是耦接在該第三電磁干擾濾波電感；以及一第三電磁干擾濾波電容，其一端是耦接在該第一電磁干擾濾波電感，且其另一端是耦接在該第三電磁干擾濾波電感。
【0025】
根據本發明的具有抑制共模噪音功能的功率變換裝置的一具體實施例，所述的電磁干擾濾波器為一組共模濾波器，其包括：一第一電磁干擾濾波電感，其一端是耦接在該第一相端子，且其另一端是耦接在該第一濾波電容；一第二電磁干擾濾波電感，其一端是耦接在該第二相端子，且其另一端是耦接在該第二濾波電容；一第三電磁干擾濾波電感，其一端是耦接在該第三相端子，且其另一端是耦接在該第三濾波電容；一第一電磁干擾濾波電容，其一端是耦接在該第三電磁干擾濾波電感，且其另一端是耦接在該接地端；一第二電磁干擾濾波電容，其一端是耦接在該第二電磁干擾濾波電感，且其另一端是耦接在該接地端；以及一第三電磁干擾濾波電容，其一端是耦接在該第一電磁干擾濾波電感，且其另一端是耦接在該接地端。
【0026】
根據本發明的具有抑制共模噪音功能的功率變換裝置的一具體實施例，該功率變換裝置為一三相三線功率變換裝置。
【0027】
相比於現有技術，本發明的技術具有以下優點：
【0028】
1.本發明所提出的具有抑制共模噪音功能的功率變換裝置，其主要的技術特徵在於濾波電感單元與補償線路的拓撲結構設計；其中，以三組主繞組電感與三組輔助繞組電感構成該濾波電感單元，使得功率變換單元可以通過該三組主繞組電感而耦接至外部的電氣裝置的三個相端子；同時，更利用該三組輔助繞組電感配合例如補償電容的補償單元以構成補償線路，使得工程人員可通過選擇適當的主繞組電感和輔助繞組電感的匝數比，而對於功率變換器的諧振頻率處的共模噪音，起到明顯、有效的抑制效果。
【0029】
2.承上述第1點，並且，由於該三組輔助繞組電感主要用以將共模電流(共模噪音)導引至接地端，因此可以用比較細的線繞出該三組輔助繞組電感，這樣的方式也可以有效節省共模濾波器的體積與製造成本。

 【0051】
1’：三相功率變換器
11’：功率變換單元
12’：濾波電感組
13’：濾波電容組
14’：電源阻抗穩定網路
A’：橋臂中點
B’：橋臂中點
C’：橋臂中點
LF1 ’：濾波電感
LF2 ’：濾波電感
LF3 ’：濾波電感
Cx’：濾波電容
2’：電網
Ua’：第一相端子
Uc’：第三相端子
N’：中性點
Ub’：第二相端子
CB0 ’：直流濾波電容
CB1 ’：直流濾波電容
CB2 ’：直流濾波電容
O’：直流端
P’：直流端
Q’：直流端
C1A ’：分佈電容
GND’：接地端
C1B ’：分佈電容　　　　　　　　　
C1C ’：分佈電容
15’：無源共模濾波器
LCM ’：共模電感
151’：共模電感　　　　　　　
152’：濾波電容組
CY ’：濾波電容　　　　　　　　
C0 ’：分佈電容
1：具有抑制共模噪音功能的功率變換裝置
11：功率變換單元
12：濾波電容單元
14：補償線路　　　　　　　
13：濾波電感單元
P：第一直流端子　　　　　　　　
Q：第二直流端子
A：第一交流端子　　　　　　　　
B：第二交流端子
C：第三交流端子　　　　　　　　
CB0：直流母線電容單元
CB1：第一母線電容　　　　　　　
CB2：第二母線電容
O：直流母線中點　　　　　　　　
Cx1：第一濾波電容
Cx2：第二濾波電容　　　　　　　
CX3：第三濾波電容
2：電氣裝置　　　　　　
Ua：第一相端子
Ub：第二相端子　　　　　　　　　
Uc：第三相端子
N：公共端
15：電源阻抗穩定網路
LA：第一主繞組電感　　　　　
LA’：第一輔助繞組電感
LB：第二主繞組電感　　
LB’：第二輔助繞組電感
LC：第三主繞組電感
LC’：第三輔助繞組電感
A：第一交流端子
141：補償單元
GND：接地端　　　　　　　　　　
Ccomp：補償電容
Lcomp：補償電感　　　　　　　
ZLISN ：電源阻抗穩定網路的等效阻抗
M：互感量
L：電感量
L’：總電感　　　　　　　　　　　
uAO ：電壓
uBO ：電壓　　　　　　　　　　　
uCO ：電壓
ucomp：補償電壓
Ccm：等效共模電容
C1a：分佈電容　　　　　　
C1b：分佈電容
C1c：分佈電容　　　　　　　　　　
Co：分佈電容
17：電磁干擾濾波器　　　　　
LDM1：第一差模濾波電感
LDM2：第二差模濾波電感　　　　
LDM3：第三差模濾波電感
Cxx1：第一差模濾波電容　　　　　
Cxx2：第二差模濾波電容
Cxx3：第三差模濾波電容　　　　　
LCM1：第一共模濾波電感
LCM2：第二共模濾波電感　　　　　
LCM3：第三共模濾波電感
CY1：第一共模濾波電容　　　　　
CY2：第二共模濾波電容
CY3：第三共模濾波電容　　　　　　
11a：第二功率變換單元
2a：電網
2b：馬達
2c：非線性負載
2d：電池

【0030】
圖1為基本的三相功率變換器的拓撲結構圖。
圖2為基本的三相功率變換器的抑制共模噪音的解決方案圖。
圖3為電壓頻譜圖。
圖4為本發明的一種具有抑制共模噪音功能的功率變換裝置的第一種拓撲結構圖。
圖5為本發明的具有抑制共模噪音功能的功率變換裝置的第二種拓撲結構圖。
圖6為功率變換單元的拓撲結構圖。
圖7為圖5所示的拓撲結構的等效共模噪音模型圖。
圖8為本發明具有抑制共模噪音功能的功率變換裝置的第三種拓撲結構圖。
圖9為圖8所示的拓撲結構的等效共模噪音模型圖。
圖10a為一電壓頻譜圖。
圖10b為另一電壓頻譜圖。
圖11為本發明具有抑制共模噪音功能的功率變換裝置的第四種拓撲結構圖。
圖12為一種電磁干擾濾波器的拓撲結構圖。
圖13為另一種電磁干擾濾波器的拓撲結構圖。
圖14為該具有抑制共模噪音功能的功率變換裝置的一種應用拓撲結構圖。
圖15為該具有抑制共模噪音功能的功率變換裝置的另一種應用拓撲結構圖。
圖16為該具有抑制共模噪音功能的功率變換裝置的又一種應用拓撲結構圖。
圖17為該具有抑制共模噪音功能的功率變換裝置的再一種應用拓撲結構圖。

 【0031】
以下將結合圖式具體描述本發明的一種具有抑制共模噪音功能的功率變換裝置的多個實施方式。為明確說明起見，多個實施例的細節將在以下敘述中一併說明。然而，應瞭解到，這些實施例的細節不應該被用以限制本申請。
【0032】
請同時參考圖4與圖5，分別為本發明的一種具有抑制共模噪音功能的功率變換裝置的第一種與第二種拓撲結構。如圖4所示，本發明的具有抑制共模噪音功能的功率變換裝置1(以下簡稱功率變換裝置1)的拓撲結構主要包括：一接地端GND、一功率變換單元11、一直流母線電容單元CB0、一濾波電容單元12、一濾波電感單元13、以及一補償線路14。如圖5所示功率變換單元11為一個兩電平三相功率變換器，並具有一第一直流端子P、一第二直流端子Q、一第一交流端子A、一第二交流端子B、與一第三交流端子C；其中，由於第一直流端子P與第二直流端子Q尚未連接到外部的電氣裝置，因此以一直流母線電容單元CB0耦接在該第一直流端子P與該第二直流端子Q之間。於此，必須特別說明的是，在任何可能的工程應用之中，功率變換單元11可通過其第一直流端子P與第二直流端子Q而耦接至一個電容、一個直流到交流(DC-AC)整流單元、或者一個電池。
【0033】
再度參考圖5，並同時參考圖6所示的功率變換單元11的拓撲結構，功率變換單元11為一三電平功率變換單元。在實際的應用之中，功率變換單元11也可以是一個多電平三相功率變換單元或其它的多電平功率變換器；其中，直流母線電容單元CB0被分為一第一母線電容CB1與一第二母線電容CB2。如圖所示，第一母線電容CB1是耦接在該第一直流端子P與直流母線中點O之間，第二母線電容CB2則耦接在該第二直流端子Q與直流母線中點O之間。
【0034】
繼續地說明本發明的功率變換裝置1，其中，濾波電容單元12包括一第一濾波電容Cx1、一第二濾波電容Cx2與一第三濾波電容Cx3。如圖5所示，該第一濾波電容Cx1、該第二濾波電容Cx2與該第三濾波電容Cx3的一端是耦接至外部的一個電氣裝置2；特別說明，此電氣裝置2為一具三相端子的電氣裝置2，例如電網、馬達與非線性負載；因此，該第一濾波電容Cx1、該第二濾波電容Cx2與該第三濾波電容Cx3各自的一端是分別耦接至該電氣裝置2的一第一相端子Ua、一第二相端子Ub與一第三相端子Uc；並且，第一濾波電容Cx1、第二濾波電容Cx2與第三濾波電容Cx3各自的另一端是彼此連接成一公共端N。此外，電源阻抗穩定網路(Line Impedance Stabilization Network, LISN)15是耦接在該電氣裝置2與該濾波電容單元12之間，用以作為該具有抑制共模噪音功能的功率變換裝置進行傳導電磁干擾測試時的輔助設備。
【0035】
如圖5所示，濾波電感單元13包括：一第一主繞組電感LA、一第一輔助繞組電感LA’、 一第二主繞組電感LB、一第二輔助繞組電感LB’、 一第三主繞組電感LC、與一第三輔助繞組電感LC’；其中，第一主繞組電感LA具有耦接至該電氣裝置2的第一相端子Ua的一低頻端，以及耦接至該功率變換單元11的第一交流端子A的一高頻端。對應於第一主繞組電感LA，第一輔助繞組電感LA’也具有一低頻端與一高頻端，和主繞組的低頻端互為同名端的定義為輔助繞組的低頻段，和主繞組的高頻端互為同名端的定義為輔助繞組的高頻段，如圖所示，帶點的一端為輔助繞組電感與主繞組電感的同名端，也就是說第一輔助繞組電感LA’帶點端為其低頻端，另一端則為高頻端，而項所述之第一輔助繞組低頻端是耦接至該公共端N。並且，該第二主繞組電感LB具有耦接至電氣裝置2的第二相端子Ub的一低頻端，以及耦接至該功率變換單元11的第二交流端子B的一高頻端；同樣的，第二輔助繞組電感LB’也具有一低頻端與一高頻端，如圖所示，帶點的一端為輔助繞組電感與主繞組電感的同名端，因此第二輔助繞組電感LB’帶點端為其低頻端，另一端則為高頻端。再者，第三主繞組電感LC同樣具有一低頻端與一高頻端，其中，第三主繞組電感LC的低頻端是耦接至電氣裝置2的第三相端子Uc，其高頻端則耦接至該第三交流端子C。第三輔助繞組電感LC’也具有一低頻端與一高頻端，如圖所示，帶點的一端為輔助繞組電感與主繞組電感的同名端，因此第三輔助繞組電感LC’帶點端為其低頻端，另一端則為高頻端。
【0036】
在本發明中，補償線路14主要是由該第一輔助繞組電感LA’、該第二輔助繞組電感LB’、該第三輔助繞組電感LC’、以及一個補償單元141串接而成；其中，三個輔助繞組按照低頻端與高頻端相連的原則首尾串聯構成一補償支路；組成的串聯支路的一端為補償支路的高頻端，另一端則為補償支路的低頻端。如圖5所示，補償支路的低頻端連接到濾波電容單元12的公共端N，補償支路的高頻端耦接至接地端GND。本發明並沒有特別限制補償單元141的形式，因此，補償單元141可以是一補償電容Ccomp、一補償電感Lcomp、一補償電阻、上述任兩者的串聯組合、或者上述三者的串聯組合。請同時參考圖5與圖7，圖7為圖5所示的拓撲結構的等效共模噪音模型。如圖5所示，補償單元141由一補償電感Lcomp與一補償電容Ccomp串接而成；因此，圖5的拓撲結構可以被簡化成圖7的等效共模噪音模型。於圖7的等效共模噪音模型之中，ZLISN 為圖5所示的電源阻抗穩定網路15的等效電阻(阻抗)、N為該公共端、M為濾波電感單元13內部的三個主繞組電感與三個輔助繞組電感的互感量、L為該濾波電感單元13內部的三個主繞組電感量、且L’為該濾波電感單元13內部的三個輔助繞組電感量。
【0037】
繼續地同時參考圖5與圖7。在圖5中，uAO 、uBO 和uCO 分別表示為第一交流端子A、第二交流端子B與第三交流端子C與直流母線中點O之間的電壓。ucomp表示為由濾波電感單元13的三個輔助繞組電感(LA1’、LA2’和LA3’)所形成的補償電壓；並且，圖5中的C1a、C1b和C1c分別為三個交流端子(A、B和C)對地的分佈電容，Co則分別為直流母線中點O對地的分佈電容。於圖5的拓撲架構中，跳變電壓(uAO 、uBO 和uCO )會在該些分佈電容(C1a、C1b和C1c)上生成位移電流，位移電流流入地即形成共模電流（即，共模雜訊）。另，對應於圖5，圖7的Ccm為等效共模電容，是為該四個分佈電容(C1a、C1b、C1c和C0)的總電容。
【0038】
如上所述，根據圖7的等效模型，可以發現，如果該補償電感的感量Lcomp=M-3L’，則會使得3L’-M+Lcomp=0；如此一來，補償線路14會可以被等效為一個補償電容Ccomp，使得該補償電容Ccomp作為一個Y電容(即，CY)使用，同時互感M可被等校為一個共模電感(即，LCM)使用，而Y電容與共模電感便構成了一個等效的共模濾波器。在實際的應用中，只要Lcomp＜2(M-3L’)就可以起到等效共模濾波器的明顯效果。
【0039】
另外，如圖8所示為本發明的具有抑制共模噪音功能的功率變換裝置的第三種拓撲結構。相較於圖5的拓撲結構，圖8的拓撲結構是以一個補償電容Ccomp作為該補償單元141。並且，圖8的功率變換裝置的拓撲結構可以被等效為如圖9所示的等效共模噪音模型。在圖8所示的拓撲結構中，濾波電感單元13之中的主繞組電感和輔助繞組電感的匝數比n為3：1；如此，則使得濾波電感單元13內部的三個主繞組電感的總電感L=9L’，並使得三個主繞組電感與三個輔助繞組電感的互感M=3L’。由於Lcomp=M-3L’，因此由計算可知Lcomp=0。也就是說，在圖8的功率變換裝置1的拓撲架構中，是不需要使用補償電感的。
【0040】
承上述的說明，由於L/3-M=0，因此，如圖3的曲線3所示，這樣的設計能夠對於功率變換器的諧振頻率f0處的共模噪音，起到了很大的抑制效果。於此，必須補充說明的是，在實際的工程應用中，由於濾波電感單元13內部的主繞組電感與輔助繞組電感的耦合不可能達到理論值1；基於這樣的理由，在設計本發明的具有抑制共模噪音功能的功率變換裝置1的時候，可以允許主繞組電感與輔助繞組電感的匝數比n在3:1.3與3：0.7之間，並且，較佳的匝數比n為3:1。
【0041】
圖8所示的功率變換裝置1的抑制共模噪音的功效，可以以模擬軟體實施該拓撲架構，並量測在不同的頻率下量測其電源阻抗穩定網路(LISN)15的電壓值，模擬的結果如圖10a所示；以模擬軟體實施圖1所示的現有的功率變換裝置的拓撲架構，並量測在不同的頻率下量測其電源阻抗穩定網路(LISN)的電壓值，量測的結果如圖10b所示。比較圖10a與圖10b，可以明顯發現圖8所示的功率變換裝置1在頻率範圍30kHz的上，具有較好的共模噪音抑制效果，並且也減弱了發生在頻率範圍260kHz以上的諧振。
【0042】
除了圖3、圖5、圖8所示的本發明的具有抑制共模噪音功能的功率變換裝置的拓撲結構以外，於實際的工程應用中，本發明的具有抑制共模噪音功能的功率變換裝置更具有其它擴充的拓撲結構。請參考圖11，為本發明的具有抑制共模噪音功能的功率變換裝置的第四種拓撲結構；其中，圖11所示的拓撲結構是借由將一個電磁干擾濾波器(EMI filter)17耦接在圖4所示的功率變換裝置1之中的濾波電容單元12與電氣裝置2之間而完成。並且，該電磁干擾濾波器17可以是如圖12所示的差模濾波器或者如圖13所示的共模濾波器。
【0043】
承上述的說明，若以差模濾波器作為該電磁干擾濾波器17，則其包括：一第一差模濾波電感LDM1，其一端是耦接在該第一相端子Ua，且其另一端是耦接在該第一濾波電容Cx1；一第二差模濾波電感LDM2，其一端是耦接在該第二相端子Ub，且其另一端是耦接在該第二濾波電容Cx2；一第三差模濾波電感LDM3，其一端是耦接在該第三相端子Uc，且其另一端是耦接在該第三濾波電容Cx3；一第一差模濾波電容Cxx1，其一端是耦接在該第一差模濾波電感LDM1，且其另一端是耦接在該第二差模濾波電感LDM2；一第二差模濾波電容Cxx2，其一端是耦接在該第二差模濾波電感LDM2，且其另一端是耦接在該第三差模濾波電感LDM3；以及一第三差模濾波電容Cxx3，其一端是耦接在該第一差模濾波電感LDM1，且其另一端是耦接在該第三差模濾波電感LDM3。
【0044】
並且，若以共模濾波器作為該電磁干擾濾波器17，則其包括：一第一共模濾波電感LCM1，其一端是耦接在該第一相端子Ua，且其另一端是耦接在該第一濾波電容Cx1；一第二共模濾波電感LCM2，其一端是耦接在該第二相端子Ub，且其另一端是耦接在該第二濾波電容Cx2；一第三共模濾波電感LCM3，其一端是耦接在該第三相端子Uc，且其另一端是耦接在該第三濾波電容Cx3；一第一共模濾波電容CY1，其一端是耦接在該第三共模濾波電感LCM3，且其另一端是耦接在該接地端GND；一第二共模濾波電容CY2，其一端是耦接在該第二共模濾波電感LCM2，且其另一端是耦接在該接地端GND；以及一第三共模濾波電容CY3，其一端是耦接在該第一共模濾波電感LCM1，且其另一端是耦接在該接地端GND。
【0045】
如此，經由上述完整的說明，本發明的具有抑制共模噪音功能的功率變換裝置的各種實際應用的拓撲結構及其相關技術特徵皆已經被清楚地介紹。接著，以下將繼續說明本發明的功率變換裝置的應用面。如圖14所示的功率變換裝置的拓撲結構，功率變換單元11通過其第一直流端子P與第二直流端子Q耦接一第二功率變換單元11a，第二功率變換單元11a耦接至一馬達2b，功率變換裝置1的三個交流端子(A、B和C)耦接至一外部電網2a，其中第二功率變換單元11a可為直流到交流(DC-AC)的逆變單元或交流到直流的整流單元，此功率變換裝置可應用於一電機驅動系統或者風力發電系統。請再參考圖15所示的功率變換裝置1的拓撲結構，其中，功率變換單元11通過其第一直流端子P與第二直流端子Q耦接一第二功率變換單元11a，第二功率變換單元11a耦接至外部電網2a，功率變換裝置1的三個交流端子(A、B和C)耦接至馬達2b，其中第二功率變換單元11a可為直流到交流(DC-AC)的逆變單元或交流到直流的整流單元，此功率變換裝置可應用於一電機驅動系統或者風力發電系統的電機側。
【0046】
請繼續地參考圖16所示的功率變換裝置1的拓撲結構，其中，功率變換單元11的第一直流端子P與第二直流端子Q不和外部的電氣裝置連接，因此以一直流母線電容單元CB0耦接在該第一直流端子P與該第二直流端子Q之間；相對地，功率變換單元11的三個交流端子Q 之間，相對地，功率變換單元11的三個交流端子(A、B和C)則同時耦接至一個電網2a與一個非線性負載2c。最後，請參考圖17所示的功率變換裝置1的拓撲結構，其中，功率變換單元11通過其第一直流端子P與第二直流端子Q而耦接至一個電池2d；並且，功率變換單元11的三個交流端子(A、B和C)則耦接至一個電網2a。
【0047】
如此，上述說明了本發明的一實施例的具有抑制共模噪音功能的功率變換裝置的拓撲結構及其應用層面，並且，經由上述，可以得知本發明至少具有下列之一的優點：
【0048】
1.本發明所提出的具有抑制共模噪音功能的功率變換裝置，主要的技術特徵在於濾波電感單元13與補償線路14的拓撲結構設計；其中，以三組主繞組電感與三組輔助繞組電感構成該濾波電感單元，使得功率變換單元11可以通過該三組主繞組電感而耦接至外部的電氣裝置的三個相端子；同時，更利用該三組輔助繞組電感配合例如補償電容Ccomp的補償單元141以構成補償線路14，使得工程人員可通過選擇適當的主繞組電感和輔助繞組電感的匝數比，而對於功率變換器的諧振頻率處的共模噪音，起到明顯、有效的抑制效果。
【0049】
2.承上述第1點，並且，由於該三組輔助繞組電感主要用以將共模電流(共模噪音)導引至接地端GND，因此可以用比較細的線繞出該三組輔助繞組電感，這樣的方式也可以有效節省共模濾波器的體積與製造成本。
【0050】
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。
 
1：具有抑制共模噪音功能的功率變換裝置。　　　　　　　　
11：功率變換單元
12：濾波電容單元
13：濾波電感單元
14：補償線路　　　　　　　
141：補償單元
15：電源阻抗穩定網路
2：電氣裝置　　　　　　
A：第一交流端子　　　　　　　　
B：第二交流端子
C：第三交流端子　　　　　　　　
Cx1：第一濾波電容
Cx2：第二濾波電容　　　　　　　
Cx3：第三濾波電容
N：公共端
P：第一直流端子　　　　　　　　
Q：第二直流端子
CB0：直流母線電容單元
Ccomp：補償電容
Lcomp：補償電感　　　　　　　
LA：第一主繞組電感　　　　　
LA’：第一輔助繞組電感
LB：第二主繞組電感　　
LB’：第二輔助繞組電感
LC：第三主繞組電感
LC’：第三輔助繞組電感
Ua：第一相端子
Ub：第二相端子　　　　　　　　　
Uc：第三相端子
GND：接地端　　　　　　　　　　

Claims (18)

  1. 【第1項】
    一種具有抑制共模噪音功能的功率變換裝置，其特徵在於，包括：                                      
    　一接地端；
    　一功率變換單元，具有一第一直流端子、一第二直流端子、一第一交流端子、一第二交流端子、與一第三交流端子；
    　一直流母線電容單元，耦接在該第一直流端子與該第二直流端子之間；
    　一濾波電容單元，包括一第一濾波電容、一第二濾波電容與一第三濾波電容，其中，該第一濾波電容、該第二濾波電容與該第三濾波電容各自的一端是分別耦接至一第一相端子、一第二相端子與一第三相端子，該第一濾波電容、該第二濾波電容與該第三濾波電容各自的另一端是彼此連接成一公共端；以及
    　一濾波電感單元，該濾波電感單元包括：
    　　一第一主繞組電感，具有一第一主繞組低頻端與一第一主繞組高頻端，其中，該第一主繞組低頻端是耦接至該第一相端子與該第三濾波電容，該第一主繞組高頻端則耦接至該第一交流端子；
    　　一第一輔助繞組電感，與該第一主繞組電感耦合，並具有一第一輔助繞組低頻端與一第一輔助繞組高頻端，其中，該第一輔助繞組低頻端是耦接至該公共端；
    　　一第二主繞組電感，具有一第二主繞組低頻端與一第二主繞組高頻端，其中，該第二主繞組低頻端是耦接至該第二相端子與該第二濾波電容，該第二主繞組高頻端則耦接至該第二交流端子；
    　　一第二輔助繞組電感，與該第二主繞組電感耦合，具有一第二輔助繞組低頻端與一第二輔助繞組高頻端，其中，該第二輔助繞組低頻端是耦接至該第一輔助繞組高頻端；
    一第三主繞組電感，具有一第三主繞組低頻端與一第三主繞組高頻端，其中，該第三主繞組低頻端是耦接該第三相端子與該第一濾波電容，該第三主繞組高頻端則耦接至該第三交流端子；以及
    　　一第三輔助繞組電感，與該第三主繞組電感耦合，並具有一第三輔助繞組低頻端與一第三輔助繞組高頻端，其中，該第三輔助繞組低頻端是耦接至該第二輔助繞組高頻端，且該第三輔助繞組高頻端是耦接至該接地端。
  2. 【第2項】
    根據申請專利範圍第1項所述之具有抑制共模噪音功能的功率變換裝置，其特徵在於，還包括：一補償單元，該補償單元的一端耦接在該第三輔助繞組高頻端，該補償單元的另一端耦接在該接地端。
  3. 【第3項】
    根據申請專利範圍第2項所述之具有抑制共模噪音功能的功率變換裝置，其特徵在於，該補償單元為補償電容、補償電感、補償電阻、上述任兩者的串聯組合、上述三者的串聯組合。
  4. 【第4項】
    根據申請專利範圍第2項所述之具有抑制共模噪音功能的功率變換裝置，其特徵在於，該補償單元由一補償電感與一補償電容串聯組成，並且該補償電感的感量Lcomp符合下列的計算公式：Lcomp＜2(M-3L’)；其中，M為該濾波電感單元內部的三個主繞組電感與三個輔助繞組電感的互感量，且L’為該濾波電感單元內部的三個輔助繞組電感的電感量。
  5. 【第5項】
    根據申請專利範圍第4項所述之具有抑制共模噪音功能的功率變換裝置，其特徵在於，該補償電感的感量Lcomp符合下列的計算公式：Lcomp=M-3L’。
  6. 【第6項】
    根據申請專利範圍第1項所述之具有抑制共模噪音功能的功率變換裝置，其特徵在於，該第一主繞組電感與該第一輔助繞組電感的匝數比、該第二主繞組電感與該第二輔助繞組電感的匝數比、以及該第三主繞組電感與該第三輔助繞組電感的匝數比，都是介於3:1.3與3:0.7之間。
  7. 【第7項】
    根據申請專利範圍第6項所述之具有抑制共模噪音功能的功率變換裝置，其特徵在於，該第一主繞組電感與該第一輔助繞組電感的匝數比、該第二主繞組電感與該第二輔助繞組電感的匝數比、以及該第三主繞組電感與該第三輔助繞組電感的匝數比都是3:1。
  8. 【第8項】
    根據申請專利範圍第1項所述之具有抑制共模噪音功能的功率變換裝置，其特徵在於，該功率變換單元為一兩電平功率變換器、三電平功率變換器或其它的多電平功率變換器。
  9. 【第9項】
    根據申請專利範圍第1項所述之具有抑制共模噪音功能的功率變換裝置，其特徵在於，該第一直流端子與該第二直流端子是耦接至一第一電氣裝置。
  10. 【第10項】
    根據申請專利範圍第9項所述之具有抑制共模噪音功能的功率變換裝置，其特徵在於，該第一電氣裝置為電網、馬達或能量存儲單元。
  11. 【第11項】
    根據申請專利範圍第10項所述之具有抑制共模噪音功能的功率變換裝置，其特徵在於，還包括一第二功率變換單元，是耦接在該第一電氣裝置與該第一直流端子及該第二直流端子之間。
  12. 【第12項】
    根據申請專利範圍第11項所述之具有抑制共模噪音功能的功率變換裝置，其特徵在於，該第二功率變換單元為一交流到直流的整流單元或一直流到交流逆變單元。
  13. 【第13項】
    根據申請專利範圍第1項所述之具有抑制共模噪音功能的功率變換裝置，其特徵在於，該第一相端子、該第二相端子和該第三相端子耦接至一第二電氣裝置。
  14. 【第14項】
    根據申請專利範圍第13項所述之具有抑制共模噪音功能的功率變換裝置，其特徵在於，該第二電氣裝置為電網或馬達。
  15. 【第15項】
    根據申請專利範圍第13項所述之具有抑制共模噪音功能的功率變換裝置，其特徵在於，更包括一電磁干擾濾波器，是耦接在該濾波電容單元與該第一相端子、該第二相端子和該第三相端子之間。
  16. 【第16項】
    根據申請專利範圍第15項所述之具有抑制共模噪音功能的功率變換裝置，其特徵在於，該電磁干擾濾波器包括：
    　　一第一電磁干擾濾波電感，其一端耦接在該第一相端子，且其另一端耦接在該第一濾波電容；
    　　一第二電磁干擾濾波電感，其一端耦接在該第二相端子，且其另一端耦接在該第二濾波電容；
    　　一第三電磁干擾濾波電感，其一端耦接在該第三相端子，且其另一端耦接在該第三濾波電容；
    　　一第一電磁干擾濾波電容，其一端耦接在該第一電磁干擾濾波電感，且其另一端耦接在該第二電磁干擾濾波電感；
    　　一第二電磁干擾濾波電容，其一端耦接在該第二電磁干擾濾波電感，且其另一端耦接在該第三電磁干擾濾波電感；以及
    　　一第三電磁干擾濾波電容，其一端耦接在該第一電磁干擾濾波電感，且其另一端耦接在該第三電磁干擾濾波電感。
  17. 【第17項】
    根據申請專利範圍第15項所述之具有抑制共模噪音功能的功率變換裝置，其特徵在於，該電磁干擾濾波器包括：
    　　一第一電磁干擾濾波電感，其一端耦接在該第一相端子，且其另一端耦接在該第一濾波電容；
    　　一第二電磁干擾濾波電感，其一端耦接在該第二相端子，且其另一端耦接在該第二濾波電容；
    　　一第三電磁干擾濾波電感，其一端耦接在該第三相端子，且其另一端耦接在該第三濾波電容；
    　　一第一電磁干擾濾波電容，其一端耦接在該第三電磁干擾濾波電感，且其另一端耦接在該接地端；
    　　一第二電磁干擾濾波電容，其一端耦接在該第二電磁干擾濾波電感，且其另一端耦接在該接地端；以及
    　　一第三電磁干擾濾波電容，其一端耦接在該第一電磁干擾濾波電感，且其另一端耦接在該接地端。
  18. 【第18項】
    根據申請專利範圍第1項所述之具有抑制共模噪音功能的功率變換裝置，其特徵在於，該功率變換裝置為一三相三線功率變換裝置。
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