CN105262328B - 一种用于电力电子***上的输入滤波器 - Google Patents

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Abstract

一种用于电力电子***上的输入滤波器，其包括：用于控制功率变换器输入特性的串联导通电路装置；和在电力变换过程中用于控制所述串联导通电路装置的运作的控制机构，以滤掉由所述功率变换器产生的噪声信号和/或谐波电流，以免所述噪声信号和/或谐波电流到达所述电力电子***的电源。

Description

一种用于电力电子***上的输入滤波器
技术领域
本发明涉及一种应用在电力电子(power electronic)***上的输入滤波器,并且具体地而非排他地涉及用于在开关变换器上的功率半导体(power semiconductor)滤波器。
背景技术
电力设备及电子装置(诸如计算机及移动电话)可因应不同的电力需求而在不同工作电压下工作，而这些电力可源于同一电源。因此，电源的电压需要被升高或降低至适用于不同电子装置的工作电压。某些设备或装置里面有可能包括工作在不同电压下的各种电路模块，因此这些设备或装置中还会包含多个功率变换器用以输出不同的电压。
这些电子装置可使用功率变换器(诸如开关变换器(switching converter))来将电力转换为所需的工作电压。开关变换器包括由多个晶体管开关组成的开关网络，其在电力变换过程中以高频率运作，并产生多余的电流谐波及电磁噪声，这些谐波及噪声从变换级传回电源的时候会影响电源，所以这些谐波及噪声信号必须利用滤波器在变换级的输入端滤掉。
发明内容
根据本发明第一方面，提供一种用于电力电子***上的输入滤波器，其包括：用于控制功率变换器输入特性的串联导通电路装置；和在电力变换过程中用于控制所述串联导通电路装置运行的控制机构，以便滤掉由所述功率变换器产生的噪声信号，以免其到达所述电力电子***的电源。
在本发明第一方面的实施方案中，所述串联导通电路装置及所述控制机构进一步被配置为过滤由所述功率变换器产生的电流谐波，以减少所述电流谐波到达所述电力电子***的电源。
在本发明第一方面的实施方案中，所述功率变换器的输入特性包括所述功率变换器的输入电流波形。
在本发明第一方面的实施方案中，所述串联导通电路装置是以串联方式与所述功率变换器输入相连的。
在本发明第一方面的实施方案中，所述串联导通电路装置是一种双极性结型晶体管。
在本发明第一方面的实施方案中，所述串联导通电路装置是被安排工作在其电流电压特性的线性区。
在本发明第一方面的实施方案中，所述串联导通电路装置的工作点被调节到其电流电压特性的线性区和饱和区的边界。
在本发明第一方面的实施方案中，所述控制机构是一种反馈机构，其用于接收所述功率变换器输出电压，且为所述串联导通电路装置产生输入信号以控制所述功率变换器的输入特性。
在本发明第一方面的实施方案中，所述控制机构是一种误差信号放大器，其用于比较所述功率变换器的输出电压和第一参考电压。
在本发明第一方面的实施方案中，所述误差信号放大器是一种比例积分控制器。
在本发明第一方面的实施方案中，所述第一参考电压等于所述功率变换器的预定输出电压。
在本发明第一方面的实施方案中，其中输入电容是用于吸收所述功率变换器产生的高频电流脉冲。
在本发明第一方面的实施方案中，其中所述输入电容是一种薄膜电容器。
在本发明第一方面的实施方案中，所述功率变换器的输入特性包括功率变换器的输入电压。
在本发明第一方面的实施方案中，进一步包括用来检测所述串联导通电路装置两端电压的电压控制器，以控制所述功率变换器的输入电压。
在本发明第一方面的实施方案中，所述电压控制器包括一种电压比较器，其用来比较检测出来的所述串联导通电路装置两端电压和第二参考电压，以便通过向开关驱动器输出误差信号来控制所述功率变换器的输入电压
在本发明第一方面的实施方案中，所述第二参考电压稍大于所述串联导通电路装置的饱和电压。
在本发明第一方面的实施方案中，所述开关驱动器是用来控制所述功率变换器输入电压的开关频率和/或占空比。
在本发明第一方面的实施方案中，所述功率变换器是一种DC-DC变换器。
在本发明第一方面的实施方案中，所述功率变换器是一种开关变换器。
在本发明第一方面的实施方案中，所述功率变换器是一种降压变换器。
在本发明第一方面的实施方案中，进一步包括一种单片集成结构。
根据本发明第二方面，提供一种电力开关变换器，其包括：用来处理电源和电力负载之间输入电功率的开关网络；如权利要求1所述的输入滤波器，其中所述串联导通电路装置是以串联方式连接在所述开关网络输入和所述电源之间；和连接在所述电力负载和开关网络之间的输出滤波器。
附图说明
本专利或申请文件包含至少一份彩色绘制的附图。可通过请求并支付必须的费用来获得由本事务所提供具有彩色附图的本专利或专利申请公开文本副本。
现将参考附图以示例性方式对本发明的实施方式进行描述。
图1展示出了根据本发明实施方式的用于电力电子***上的输入滤波器的结构图；
图2A展示出了根据本发明另一实施方式的用于电力电子***上的输入滤波器的结构图；
图2B是图2A中所述电力电子***的摄影图像；
图3A展示出了当所述输入电压vS为80V，负载处于额定值的100％的时候，图2A中所述电力电子***在电源变换过程中的iS,vo,vT及iL的波形的标绘图；
图3B展示出了当所述输入电压vS为80V，负载处于额定值的50％的时候，图2A中所述电力电子***在电源变换过程中的iS,vo,vT及iL的波形的标绘图；
图3C展示出了当所述输入电压vS为80V，负载处于额定值的10％的时候，图2A中所述电力电子***在电源变换过程中的iS,vo,vT及iL的波形的标绘图；
图4展示出了在不同L值下，图2A中所述功率变换器的开关频率对应输出电流io的关系的标绘图；
图5展示出了在输入电压vS为60V及80V下，输入LC滤波器和图2A中所述电力电子***中的输入滤波器之间的效率的对比标绘图；
图6A展示出了当负载电流从2A变为0.25A的时候，图2A中所述电力电子***的iS,io,vo及vT的波形及其瞬态响应的标绘图；
图6B展示出了当负载电流从0.25A变为2A的时候，图2A中所述电力电子***的iS,io,vo及vT的波形及其瞬态响应的标绘图；
图7A展示出了当所述输入电压vS为60V，负载处于额定值的100％的时候，图2B中所述电子电力***的PCB板的顶层在电源变换过程中的热分布的标绘图；以及
图7B展示出了当所述输入电压vS为60V，负载处于额定值的100％的时候，图2B中所述电子电力***的PCB板的底层在电源变换过程中的热分布的标绘图。
具体实施方式
发明人通过其研究、实验及尝试，想到一种电力电子***可包括三个关键部分：输入滤波器、高频开关网络和输出滤波器。开关网络是主要电力变换单元，其控制了电源和负载之间的电力流动，并有低功耗的特征。输入滤波器是用来阻止开关网络所产生的多余的噪声传送到电源，并且保证电力电子***遵守电磁兼容标准，而输出滤波器是用来传送所需输出形式的电力并减少多余的噪声至负载。典型地，以上两个滤波器都是由无源元件组成。
因为实际的开关器件和无源元件不是理想的，主要的电力损耗是由于开关网络中的导电及开关损耗，以及滤波器无源元件上的电阻和磁芯损耗。尽管新兴的材料、设备技术和网络技术(network topologies)可实现减少开关器件损耗和提高开关频率以减少滤波器尺寸，但是滤波器部分依然占用相当大的空间且构成了电力总损耗的主要部分之一。越来越高功率密度的电力电子***使得***设计人员竭尽所能在不牺牲电子***的性能的前提下为滤波器挤出空间。在电力电子***中，滤波器的部分是提高功率密度和性能的一个关键因素。
参照图1，其示出用于电力电子***100的滤波器的实施方案，其包括：用于控制功率变换器104输入特性的串联导通电路(series-pass)装置102；和在电力变换过程中用于控制所述串联导通电路装置102的运作的控制机构106，以便滤掉由所述功率变换器104产生的噪声信号，以免所述噪声信号到达所述电力电子***100的电源108。优选地，串联导通电路装置102及所述控制机构106进一步被配置为过滤由所述功率变换器104产生的电流谐波，以减少所述电流谐波到达所述电力电子***100的电源108。
在本实施方案中，所述电力电子***100包括功率变换器104，该功率变换器是一种开关变换器(switching converter),或者可以是一种DC-DC变换器(诸如降压(buck)变换器、升压(boost)变换器或降压-升压(buck-boost)变换器)，并用于将输入电源处理并变换为适合负载110的形式的电力。在运行期间，所述开关变换器104的开关网络在高频率运行，且产生出高频噪声信号及影响输入电流的波形的电流谐波并传输至所述电力电子***100的电源108。这类噪声信号及电流谐波可以被输入滤波器滤掉。优选地，所述输入滤波器中的串联导通电路装置102(SPD)是一种双极性结型晶体管(BJT)，且所述BJT 102在运行期间受控于控制机构106，其中所述BJT 102需要工作在其电流电压特性的线性区。
优选地，所述SPD或BJT 102以串联方式与所述开关变换器104相连。所述SPD 102的运作点通过控制机构106调节至BJT的线性区和饱和区的边界，该控制机构106包括两个控制件：“电流-控制(i-control)”112和“电压-控制(v-control)”114。所述“电流-控制”112具有其输入icon来连接控制件116以调节***输出(如输出电压vout)，且具有其输出ib以控制输入电流iS。因此，功率变换器104的输入电流的波形是受控于SPD 102，而SPD 102是受控于控制机构106。
“电压-控制”114的输入是SPD 102两端电压vT与参考电压vT,ref之间的误差ve。优选地，vT,ref设置为稍大于饱和电压(例如小于1V)，以便减少SPD102的功耗。通过改变功率变换器104的开关频率和开关占空比等的一些控制变量，所述“电压-控制”114的输出vcon被用来控制所述功率变换器104的输入电压vin。利用这反馈机构106，iS具有低噪声，且SPD 102保持低功耗。
参照图2A和2B，其示出了用于电力电子***200的滤波器的实施方案，其包括：用于控制功率变换器204输入特性的串联导通电路装置202；和在电力变换过程中用于控制所述串联导通电路装置202的运作的控制机构206，以便滤掉由所述功率变换器204产生的噪声信号，以免所述噪声信号及电流谐波到达所述电力电子***200的电源208。
在本实施方案中，所述功率变换器204是一种降压DC-DC变换器，并在连续导通模式(continuous conduction mode,CCM)或断续导通模式(discontinuous conductionmode,DCM)下运作。所述电力电子***200进一步包括输入电容Cin。本发明中的输入滤波器也可以被称为功率半导体滤波器(power semiconductor filter,PSF),其包括BJT—T(202)。Cin与功率变换器204的输入并联，而T与功率变换器204的输入串联。Cin是用来吸收降压变换器204产生的高频电流脉冲，以稳定整个***的输入电流is。电容Cs是用来过滤由串联导通电路装置的非理想特性所产生的噪声。
通过检测T两端的电压vT，并用电压比较器220将其与参考电压vT,ref(第二参考电压，在本实施例中为0.45V)进行比较。如果vT<vT,ref，MOS1将被MOSFET驱动器打开，且D1将被关闭，以减少Cin两端的电压。相反地，如果vT>vT,ref，MOS1将被MOSFET驱动器关闭，且D1将被打开，以增大Cin两端的电压。这种开关式(bang-bang)控制机构是图1中所述“电压-控制”框图114的实施例以调节vT至vT,ref的。
电压比较器220的滞环带(hysteresis band)决定了所述降压变换器204的开关频率。输出电压vo通过反馈回路来调节。通过检测vo并用误差放大器222将其与参考电压48V(第一参考电压，为所述功率变换器204预定的输出电压)进行比较，该误差放大器222是比例积分(proportional-plus-integral,PI)控制器。所述误差放大器222的输出端向T的基极电流ib产生信号以控制所述输入电流is。以上构成了图1中所述“电流-控制”框图112的反馈控制。
下表示出了CCM和DCM的操作参数，其中f是开关频率，d1是MOS1的占空比，d2是D1的占空比，Δvo是输出电压波纹总振幅(peak-to-peak output voltage ripple)，IL,max和IL,min是流经电感L的最大和最小电流，IL,min是保证所述降压变换器204工作在CCM下电感L的最小值，Io是输出电流的稳态值，vo是输出电压的稳态值，vs是电压源的稳态值，vT是T两端的电压稳态值。
*Vx＝Vs-VT
上述实施例的优点在于，输入滤波器是基于半导体的，其需要很小的薄膜型输入电容，因此整个电子电力***的寿命可以得到保证。与电感-电容(LC)滤波器或低通滤波器等无源滤波器相比，其物理尺寸能显著减小，且该输入滤波部分估计能减小至少30％，同时提供相若的效率。所述输入滤波器有效过滤由开关网络产生的噪声信号，并有着低功耗和低噪声的特征。
更有优势的是，由于所述输入滤波器是基于半导体技术的，所以输入滤波器可以用于单片集成结构。举例来说，输入滤波器可被封装为集成电路芯片，或者输入滤波器可被集成为包括开关网络的开关变换器的一部分。
图2A和图2B所示的输入滤波器可以工作在100W，60-80V/48V DC-DC变换器的输入级上。参照图3A至图3C，其示出了当所述输入电压vS为80V，负载处于额定值的100％、50％以及10％的时候，iS、vo、所述SPD两端电压vT和所述PSF上iL的波形。在上述三个案例中，所述输入电流完全是稳定的，其纹波电流分别是10％负载下的31.6mA(平均电流的6.10％)、50％负载下的40mA(平均电流的6.58％)、100％负载下的53.2mA(平均电流的4.06％)。
参照图4和图5，其示出了图2中的输入滤波器的输出性能。图4示出了所述电力电子***在不同L值下的开关频率对应输出电流io的关系，而图5示出了在输入电压vS为60V及80V下，两种不同配置的效率对比：1)利用输入LC滤波器作为输入滤波级(Lf＝360nH,Cf＝4.7uF),其提供了相似的滤波性能，2)用图2B中的PSF。结果显示所述PSF的效率与所述无源滤波器相若。此外，在输入电压增大时，PSF和无源滤波器的性能差距缩小，这说明PSF在高压应用中有潜力超越无源滤波器，这是由于vT和vS的比值持续减小以及高压电容具有较大的ESR。因此，考虑到物理尺寸和材料成本，PSF优于LC滤波器。一般来说，PSF能在5％至100％负载下达到至少93％的效率。
发明人对使用PSF的变换器在VS为80V时，在负载电流io突然从0.25A变为2A的情况下的瞬态响应进行了研究。图6示出了在上述负载干扰下iS,io,vo及vT的波形，可见vT在100mV至790mV范围内变化，而平均值为480mV，其低于二极管的压降。
参照图7A和7B，其展示出了当所述输入电压vS为60V，负载处于额定值的100％的时候，图2B中所述电子电力***的PCB板的顶层及底层在电源变换过程中的热分布。可以看出，PFS中的BJT并没有造成整个电力变化***中的主要功率损失。
在不偏离本发明的精神的情况下，可以对用于电力电子***上的所述输入滤波器进行改善，以过滤多余的噪声信号，所述噪声信号产生于电气设备或电子器件上的电力变换级，或者所述电气设备上的每个所述电力变换级等电力***输入级。
应当理解，在不脱离本发明已广泛描述过的精神和范围的情况下，本领域的技术人员可以对本发明所示具体实施方案进行变形和/或修改。本发明的实施方案因此只是解释本发明并非用来限制本发明。
除非另外注明，本文中任何对现有技术的提及并非是承认这些信息是公知常识。

Claims (20)

1.一种用于电力电子***上的输入滤波器，其包括：
用于控制功率变换器的输入特性的串联导通电路装置，其中所述功率变换器的输入特性包括所述功率变换器的输入电压；
用于检测所述串联导通电路装置两端电压以及控制所述功率变换器的输入电压的电压控制器，其中所述电压控制器包括电压比较器，其被配置为比较检测得出的所述串联导通电路装置的两端电压和第二参考电压，并向开关驱动器输出误差信号来控制所述功率变换器的所述输入电压；以及
在功率变换过程中用于控制所述串联导通电路装置运作的控制机构，以过滤由所述功率变换器产生的噪声信号，以减少所述噪声信号到达所述电力电子***的电源。
2.根据权利要求1所述的用于电力电子***上的输入滤波器，其中所述功率变换器的输入特性包括所述功率变换器的输入电流波形。
3.根据权利要求1所述的用于电力电子***上的输入滤波器，其中所述串联导通电路装置是以串联方式与所述功率变换器输入相连的。
4.根据权利要求1所述的用于电力电子***上的输入滤波器，其中所述串联导通电路装置是双极性结型晶体管。
5.根据权利要求1所述的用于电力电子***上的输入滤波器，其中所述串联导通电路装置被配置为在其电流电压特性的线性区工作。
6.根据权利要求5所述的用于电力电子***上的输入滤波器，其中所述串联导通电路装置的工作点被调节到其电流电压特性的线性区和饱和区的边界。
7.根据权利要求1所述的用于电力电子***上的输入滤波器，其中所述控制机构是反馈机构，其被配置为接收所述功率变换器输出电压，且被配置为所述串联导通电路装置产生输入信号以控制所述功率变换器的输入特性。
8.根据权利要求7所述的用于电力电子***上的输入滤波器，其中所述控制机构是误差信号放大器，其被配置为比较所述功率变换器的输出电压和第一参考电压。
9.根据权利要求8所述的用于电力电子***上的输入滤波器，其中所述误差信号放大器是比例积分控制器。
10.根据权利要求8所述的用于电力电子***上的输入滤波器，其中所述第一参考电压等于所述功率变换器的预定输出电压。
11.根据权利要求1所述的用于电力电子***上的输入滤波器，其中输入电容被配置为吸收所述功率变换器产生的高频电流脉冲。
12.根据权利要求11所述的用于电力电子***上的输入滤波器，其中所述输入电容是薄膜电容器。
13.根据权利要求1所述的用于电力电子***上的输入滤波器，其中所述第二参考电压稍大于所述串联导通电路装置的饱和电压。
14.根据权利要求1所述的用于电力电子***上的输入滤波器，其中所述开关驱动器被配置为控制所述功率变换器输入电压的开关频率和/或占空比。
15.根据权利要求1所述的用于电力电子***上的输入滤波器，其中所述功率变换器是一种DC-DC变换器。
16.根据权利要求1所述的用于电力电子***上的输入滤波器，其中所述功率变换器是一种开关变换器。
17.根据权利要求1所述的用于电力电子***上的输入滤波器，其中所述功率变换器是一种降压变换器。
18.根据权利要求1所述的用于电力电子***上的输入滤波器，进一步包括单片集成结构。
19.根据权利要求1所述的用于电力电子***上的输入滤波器，其中所述串联导通电路装置及所述控制机构进一步被配置为过滤由所述功率变换器产生的电流谐波，以减少所述电流谐波到达所述电力电子***的电源。
20.一种电力开关变换器，其包括：
被配置为处理电源和电力负载之间的输入功率的开关网络；
根据权利要求1所述的输入滤波器，其中所述串联导通电路装置是以串联方式连接在所述开关网络输入和所述电源之间；
连接在所述电力负载和开关网络之间的输出滤波器。
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