TWI450488B - Active filter device and power conversion device - Google Patents

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Description

主動濾波器裝置及電力轉換裝置
本發明係關於一種設於電力轉換機器之濾波器裝置，特別是關於一種用以降低起因於開關之共用模式電流及EMI(電磁干擾)雜訊流出至交流系統之量之主動濾波器裝置及將主動濾波器裝置設於輸入側之電力轉換裝置。
隨著電力用半導體元件之特性提升，可實現開關頻率之高頻化。以無停電電源裝置或通訊用電源裝置為代表之電力轉換裝置，基於對高速回應或低噪音之要求、濾波器之小型化要求等，廣泛使用利用PWM(脈寬調變)控制之高頻開關方式。
隨著開關頻率之高頻化之進展，透過直流連結部或纜線流至大地之高頻洩漏電流變大。此高頻洩漏電流成為流入交流系統之雜訊，對連接於交流系統之其他裝置造成不良影響而成為社會問題。例如，在無停電電源裝置，特別是將大容量之蓄電池以懸浮方式連接於直流側時，會有大的高頻洩漏電流從此蓄電池及變長之直流纜線流至大地之傾向，此高頻洩漏電流對連接於交流系統之其他交流機器造成不良影響。
作為降低流出至交流系統之高頻洩漏電流之方法，例如已知有專利文獻1所揭示之主動濾波器裝置。圖5係專利文獻1所示之習知雜訊降低裝置及電力轉換裝置的構成 圖。圖5中，接地E0,E1,E2係共通之接地，但為了便於說明分別賦予不同符號。
圖5中，具備三相交流電源1、電力轉換裝置3、負載5、及設於三相交流電源1與電力轉換裝置3間之主動濾波器裝置7。
作為電流檢測器之電流變壓器20，捲繞有1匝數之電源線1a~1c與N匝數之檢測線20a，藉由檢測線20a以檢測比1/N(N>1)檢測電力轉換裝置3產生之共用模式電流io且輸出為檢測電流io/N。電容器C2具有電容器C1之(N-1)倍之導納。
由電晶體11a,11b構成之放大器11之輸入(基極)與輸出(射極)間連接有檢測線20a，在電容器C1流過與檢測電流相同之電流io/N。又，在電容器C2流過在電容器C1流過之電流io/N之(N-1)倍之電流(N-1)io/N。亦即，在接地E1流過檢測電流io/N之N倍之電流io。
由於檢測電流係電力轉換裝置3之共用模式電流io之1/N倍，因此流過放大器11之電流與共用模式電流io相同，可抵銷流出至交流系統之共用模式電流。藉此，可降低流出至交流系統之共用模式電流。
然而，圖5所示之電力轉換裝置3中，流過大的補償電流時，會有電容器C1,C2之端子電壓變高之情形。此端子電壓超過放大器11之電源電壓時，放大器11飽和，無法獲得共用模式電流之降低效果。為了解決此問題，根據最大補償電流設計放大器11之電源電壓。
圖6及圖7係習知主動濾波器裝置之直流電源之具體構成例。圖6中，僅以二極體D7及電容器C5使交流系統之三相交流電源1之交流電壓整流平滑並產生放大器11之直流電源(動作電源)。圖7中，以二極體D7,D8,D9、電容器C5,C6、電晶體Q7及電阻13c使交流系統之三相交流電源1之交流電壓1/2電壓整流平滑並產生放大器11之直流電源(動作電源)。
專利文獻1：日本特開2008-312429號公報
然而，圖6、圖7所示之構成，對構成放大器11之電晶體11a,11b恆施加直流電源Vc(電容器C5之端子電壓)之大致一半之電壓，有電晶體11a,11b之散熱變大之缺點。又，電晶體11a,11b之損耗與放大器11之電源電壓(及補償電流)成正比。即使用以補償(抵銷)共用模式電流之補償電流較小時，亦產生大的放大器損耗，系統整體之效率變差。
本發明提供一種在補償電流較小時可降低放大器損耗之主動濾波器裝置及電力轉換裝置。
第1發明之主動濾波器裝置，係設於以三個電源線內之一個電源線為接地之相之三相交流電源與電力轉換裝置之間，以降低流於該電源線之共用模式電流產生之雜訊，該電力轉換裝置將從該三相交流電源供應之交流電力轉換成既定交流電力或直流電力並供應至負載且在殼體具有接地端子，其特徵在於，具備：可變直流電源，從該電源線 獲得電力，可變為任意之直流輸出電壓並加以輸出；電流檢測手段，***有該電源線與檢測線，藉由該檢測線檢測該共用模式電流並輸出共用模式電流檢測訊號；放大器，以該可變直流電源之直流輸出電壓為電源電壓，以振幅度1將該共用模式電流檢測訊號加以增幅，使電流經由第1電容器流過該接地之相之電源線與接地之間；以及電壓檢測手段，用以檢測該放大器之輸出振幅；根據以該電壓檢測手段檢測之輸出振幅檢測訊號使該可變直流電源之直流輸出電壓為可變。
第2發明之主動濾波器裝置，係設於以三個電源線內之一個電源線為接地之相之三相交流電源與電力轉換裝置之間，以降低流於該電源線之共用模式電流產生之雜訊，該電力轉換裝置將從該三相交流電源供應之交流電力轉換成既定交流電力或直流電力並供應至負載且在殼體具有接地端子，其特徵在於，具備：可變直流電源，從該電源線獲得電力，可變為任意之直流輸出電壓並加以輸出；電流檢測手段，***有該電源線與檢測線，藉由該檢測線以1/N(N>1)之檢測比檢測該共用模式電流並輸出共用模式電流檢測訊號；放大器，以該可變直流電源之直流輸出電壓為電源電壓，以振幅度1將該共用模式電流檢測訊號加以增幅，使電流經由第1電容器流過該接地之相之電源線與接地之間；第2電容器，具有該第1電容器之(N-1)倍之導納，使電流從與該放大器大致相同電位之端子流過該接地之相之電源線與接地之間；以及電壓檢測手段，用以檢測 該放大器之輸出振幅；根據以該電壓檢測手段檢測之輸出振幅檢測訊號使該可變直流電源之直流輸出電壓為可變。
第3發明之電力轉換裝置，係將從三相交流電源供應之交流電力轉換成既定交流電力或直流電力並供應至負載，其特徵在於：將第1或第2發明之主動濾波器裝置設於輸入側。
根據本發明，電壓檢測手段檢測放大器之輸出振幅，根據以電壓檢測手段檢測之輸出振幅檢測訊號使可變直流電源之直流輸出電壓為可變，因此在補償電流較小時，放大器之電源電壓變小，可降低放大器損耗。
以下，參照圖式詳細說明本發明之主動濾波器裝置及電力轉換裝置之實施形態。
(實施例1)
圖1係實施例1之主動濾波器裝置及電力轉換裝置的構成圖。圖1中，具備三相交流電源1、電力轉換裝置3、負載5、及設於三相交流電源1與電力轉換裝置3間之主動濾波器裝置7-1。
在三相交流電源1連接R相用電源線1a、S相用電源線1b、及T相用電源線1c，S相用電源線1b係接地之相之電源線，其接地。電力轉換裝置3之殼體(架)3a係連接於接地端子E而接地。在電力轉換裝置3與殼體3a之間各處具有對地間電容，但將此等綜合顯示成電力轉換裝置3之電 容器C0之負極與接地端子E之間之對地間電容4。
R相用、S相用、T相用電源線1a~1c係分別連接於主動濾波器裝置7-1之端子R1,S1,T1。主動濾波器裝置7-1具有電流變壓器10(電流檢測手段)、由NPN電晶體11a與PNP電晶體11b構成之放大器11、低頻分離電容器C1(第1電容器)、二極體D7、電容器C5、非絕緣之可變直流電源30、二極體D8、電容器C3、電阻R1,R2。
非絕緣之可變直流電源30具備輸入端子、輸出端子、共通端子、及輸出電壓調整端子，將直流輸入電壓輸入至輸入端子與共通端子間，根據輸入至輸出電壓調整端子之訊號將直流輸出電壓輸出至輸出端子與共通端子間。此可變直流電源30例如係以截斷型轉換器等構成。
電流變壓器10捲繞(貫通)有環狀鐵心作為主電源線之R相用、S相用、T相用電源線1a~1c各1匝數，且捲繞有檢測線10a1匝數。
二極體D7之陽極係連接於R相用電源線1a，二極體D7之陰極係連接於可變直流電源30之輸入端子與電容器C5之一端。電容器C5之另一端與接地之相之電源線1b、電晶體11b之集極、可變直流電源30之共通端子連接。電容器C5之二端係連接於可變直流電源30之輸入端子與共通端子之間。可變直流電源30將電容器C5之直流電壓作為直流輸入電壓施加。
電晶體11a之集極係連接於可變直流電源30之輸出端子，電晶體11a之基極係連接於電晶體11b之基極、檢測線 10a之一端、低頻分離電容器C1之一端，低頻分離電容器C1之另一端係連接於接地端子E。
電晶體11a之射極係連接於電晶體11b之射極、檢測線10a之另一端、二極體D8之陽極，二極體D8之陰極係連接於電容器C3之一端與電阻R1之一端。電阻R1之另一端係透過電阻R2連接於電容器C3之另一端與電晶體11b之集極。
電阻R1與電阻R2之連接點係連接於可變直流電源30之輸出調整端子。由二極體D8、電容器C3、電阻R1,R2構成之電壓檢測手段，將電阻R1與電阻R2之連接點之電壓檢測為放大器11之輸出振幅，根據檢測之輸出振幅檢測訊號使可變直流電源30之直流輸出電壓Vr為可變。
又，在***電流變壓器10之電源線1a,1b,1c分別對應串聯抗流線圈L1,L2,L3。電力轉換裝置3具有抗流線圈L1,L2,L3、6個二極體D1~D6、由6個IGBT(絕緣柵雙極型電晶體)構成之開關元件Q1~Q6、電容器C0。開關元件Q1與開關元件Q2之串聯電路之二端、開關元件Q3與開關元件Q4之串聯電路之二端、開關元件Q5與開關元件Q6之串聯電路之二端係連接於電容器C0之二端及負載5。
在開關元件Q1~Q6之集極-射極間分別對應連接二極體D1~D6。在二極體D1與二極體D2之連接點連接抗流線圈L1，在二極體D3與二極體D4之連接點連接抗流線圈L2，在二極體D5與二極體D6之連接點連接抗流線圈L3。各開關元件Q1~Q6之閘極端子係連接於未圖示之控制電 路，藉由此控制電路控制開關元件Q1~Q6之導通/斷開，電力轉換裝置3，動作為將從三相交流電源1供應之交流電力轉換成既定直流電力並供應至負載5之轉換器(交流直流轉換裝置)。
此外，作為電力轉換裝置，使用將從三相交流電源1供應之交流電力轉換成既定交流電力並供應至負載5之變流器亦可。
接著，參照圖1說明實施例1之主動濾波器裝置之動作。首先，在電流變壓器10，共用模式電流i0 流過1匝數之電源線1a~1c時，在1匝數之檢測線10a亦流過與共用模式電流相同之電流i0 。
放大器11以振幅度1將流過檢測線10a之i0 加以增幅，使電流經由低頻分離電容器C1流至接地E1。此時，以二極體D8及電容器C3使電晶體11a,11b之射極之輸出整流平滑，將電阻R1與電阻R2之連接點之電壓檢測為放大器11之輸出振幅，根據檢測之輸出振幅檢測訊號使可變直流電源30之直流輸出電壓Vr為可變。是以，用以抵銷共用模式電流之補償電流較小時，放大器11之電源電壓變小，可降低放大器11損耗。
圖2係顯示與實施例1之主動濾波器裝置之電容器C3(與電阻R1與電阻R2之連接點之電壓對應)之兩端電壓對應使可變直流電源30之直流輸出電壓Vr為可變之情況。如圖2所示，與電容器C3之電壓成正比，可變直流電源30之直流輸出電壓Vr呈直線變化。
(實施例2)
圖3係實施例2之主動濾波器裝置及電力轉換裝置的構成圖。圖3所示之實施例2之主動濾波器裝置7-2，相對圖1所示之實施例1之主動濾波器裝置7-1，在電流變壓器20捲繞有N匝數(N>1，例如10匝數)之檢測線20a。
在電晶體11a,11b之射極與接地端子E之間連接有低頻分離電容器C2。低頻分離電容器C2具有低頻分離電容器C1之導納之9倍之導納。亦即，低頻分離電容器C2具有低頻分離電容器C1之電容之9倍之電容值。
根據以上述方式構成之實施例2之主動濾波器裝置，首先，在電流變壓器20，共用模式電流i0 流過1匝數之電源線1a~1c時，在10匝數之檢測線20a流過共用模式電流之十分之一之電流i1 =i0 /10。
放大器11等效於具有以使流過低頻分離電容器C1之電流i1 相等於電流i0 /10之方式控制電壓之增幅部V1及具有與增幅部V1之電壓相同之電壓、用以使電流i2 =9i1 =9i0 /10流過具有低頻分離電容器C1之9倍之電容之低頻分離電容器C2之增幅部V2。
亦即，增幅部V1以振幅度1將檢測線20a檢測之共用模式電流之十分之一之電流i0 /10加以增幅，使電流經由低頻分離電容器C1流至接地E1。又，增幅部V2使流過低頻分離電容器C1之電流i1 =i0 /10之9倍之電流i2 =9i1 =9i0 /10經由低頻分離電容器C2流至接地E1。
是以，在接地E1流過與共用模式電流i0 相同值之電流 i0 ，因此可降低流出至交流系統之共用模式電流。因此，可降低產生之雜訊，謀求低價且小型化。
又，以二極體D8及電容器C3使電晶體11a,11b之射極之輸出整流平滑，將電阻R1與電阻R2之連接點之電壓檢測為放大器11之輸出振幅，根據檢測之輸出振幅檢測訊號使可變直流電源30之直流輸出電壓Vr為可變。是以，用以抵銷共用模式電流之補償電流較小時，放大器11之電源電壓變小，可降低正常時之放大器11損耗。
(實施例3)
圖4係實施例3之主動濾波器裝置及電力轉換裝置的構成圖。圖4所示之實施例3之主動濾波器裝置7-3，相對圖3所示之實施例2之主動濾波器裝置7-2，取代電容器C1,C2設置電阻R3,R4、電容器C4，將電阻R3,R4串聯並連接於電晶體11a,11b之基極與射極之間，在電阻R3,R4之連接點與接地端子E之間連接電容器C4。
電阻R4具有電阻R3之導納(阻抗值之倒數)之9倍之導納。亦即，電阻R4具有電阻R3之1/9倍之阻抗值。
根據以上述方式構成之實施例3之主動濾波器裝置，首先，在電流變壓器20，共用模式電流i0 流過1匝數之電源線1a~1c時，在10匝數之檢測線20a流過共用模式電流之十分之一之電流i1 =i0 /10。
放大器11等效於具有以使流過電阻R3之電流i1 相等於電流i0 /10之方式控制電壓之增幅部V1及具有與增幅部V1之電壓相同之電壓、用以使電流i2 =9i1 =9i0 /10流過具 有電阻R3之1/9倍之阻抗值之電阻R4之增幅部V2。
亦即，增幅部V1以振幅度1將檢測線20a檢測之共用模式電流之十分之一之電流i0 /10加以增幅，使電流經由電阻R3與電容器C4流至接地E1。又，增幅部V2使流過電阻R3之電流i1 =i0 /10之9倍之電流i2 =9i1 =9i0 /10經由電阻R4與電容器C4流至接地E1。
是以，在接地E1流過與共用模式電流i0 相同值之電流i0 ，因此可降低流出至交流系統之共用模式電流。因此，可降低產生之雜訊，謀求低價且小型化。
又，以二極體D8及電容器C3使電晶體11a,11b之射極之輸出整流平滑，將電阻R1與電阻R2之連接點之電壓檢測為放大器11之輸出振幅，根據檢測之輸出振幅檢測訊號使可變直流電源30之直流輸出電壓Vr為可變。是以，用以抵銷共用模式電流之補償電流較小時，放大器11之電源電壓變小，可降低放大器11損耗。
此外，本發明並不限於實施例1至實施例3之主動濾波器裝置。在實施例2，在電容器C1串聯電阻R3、在電容器C2串聯電阻R4之構成亦可。
本發明可利用於以無停電電源裝置或通訊用電源裝置為代表之電力轉換裝置。
1‧‧‧三相交流電源
1a‧‧‧R相用電源線
1b‧‧‧S相用電源線
1c‧‧‧T相用電源線
3‧‧‧電力轉換裝置
4‧‧‧對地間電容
5‧‧‧負載
7,7a,7b,7-1,7-2,7-3‧‧‧主動濾波器裝置
10,20‧‧‧電流變壓器
10a,20a‧‧‧檢測線
30‧‧‧可變直流電源
11a,11b‧‧‧電晶體
R1,R2,R3,R4‧‧‧電阻
C1,C2‧‧‧低頻分離電容器
C0,C3,C4,C5,C6‧‧‧電容器
Q1~Q6‧‧‧開關元件
D1~D8‧‧‧二極體
L1~L3‧‧‧抗流線圈
圖1係實施例1之主動濾波器裝置及電力轉換裝置的構成圖。
圖2係顯示與實施例1之主動濾波器裝置之電容器C3之兩端電壓對應使可變直流電源之直流輸出電壓為可變之情況的圖。
圖3係實施例2之主動濾波器裝置及電力轉換裝置的構成圖。
圖4係實施例3之主動濾波器裝置及電力轉換裝置的構成圖。
圖5係習知主動濾波器裝置及電力轉換裝置之例1的構成圖。
圖6係習知主動濾波器裝置之直流電源之具體構成例1。
圖7係習知主動濾波器裝置之直流電源之具體構成例2。
1‧‧‧三相交流電源
1a‧‧‧R相用電源線
1b‧‧‧S相用電源線
1c‧‧‧T相用電源線
3‧‧‧電力轉換裝置
3a‧‧‧殼體
4‧‧‧對地間電容
5‧‧‧負載
7-1‧‧‧主動濾波器裝置
10‧‧‧電流變壓器
10a‧‧‧檢測線
11‧‧‧放大器
11a,11b‧‧‧電晶體
30‧‧‧可變直流電源
C1‧‧‧低頻分離電容器
C0,C3,C5‧‧‧電容器
D1~D8‧‧‧二極體
E‧‧‧接地端子
E1‧‧‧接地
L1~L3‧‧‧抗流線圈
Q1~Q6‧‧‧開關元件
R1,S1,T1‧‧‧端子
R1,R2‧‧‧電阻

Claims (4)

  1. 一種主動濾波器裝置，係設於以三個電源線內之一個電源線為接地之相之三相交流電源與電力轉換裝置之間，以降低流於該電源線之共用模式電流產生之雜訊，該電力轉換裝置將從該三相交流電源供應之交流電力轉換成既定交流電力或直流電力並供應至負載且在殼體具有接地端子，其特徵在於，具備：可變直流電源，從該電源線獲得電力，可變為任意之直流輸出電壓並加以輸出；電流檢測手段，***有該電源線與檢測線，藉由該檢測線檢測該共用模式電流並輸出共用模式電流檢測訊號；放大器，以該可變直流電源之直流輸出電壓為電源電壓，以振幅度1將該共用模式電流檢測訊號加以增幅，使電流經由第1電容器流過該接地之相之電源線與接地之間；以及電壓檢測手段，用以檢測該放大器之輸出振幅；根據以該電壓檢測手段檢測之輸出振幅檢測訊號使該可變直流電源之直流輸出電壓為可變。
  2. 一種主動濾波器裝置，係設於以三個電源線內之一個電源線為接地之相之三相交流電源與電力轉換裝置之間，以降低流於該電源線之共用模式電流產生之雜訊，該電力轉換裝置將從該三相交流電源供應之交流電力轉換成既定交流電力或直流電力並供應至負載且在殼體具有接地端子，其特徵在於，具備： 可變直流電源，從該電源線獲得電力，可變為任意之直流輸出電壓並加以輸出；電流檢測手段，***有該電源線與檢測線，藉由該檢測線以1/N(N>1)之檢測比檢測該共用模式電流並輸出共用模式電流檢測訊號；放大器，以該可變直流電源之直流輸出電壓為電源電壓，以振幅度1將該共用模式電流檢測訊號加以增幅，使電流經由第1電容器流過該接地之相之電源線與接地之間；第2電容器，具有該第1電容器之(N-1)倍之導納，使電流從與該放大器大致相同電位之端子流過該接地之相之電源線與接地之間；以及電壓檢測手段，用以檢測該放大器之輸出振幅；根據以該電壓檢測手段檢測之輸出振幅檢測訊號使該可變直流電源之直流輸出電壓為可變。
  3. 如申請專利範圍第2項之主動濾波器裝置，其中，取代該第1電容器連接第1電阻，取代該第2電容器連接第2電阻，該第2電阻具有該第1電阻之(N-1)倍之導納。
  4. 一種電力轉換裝置，係將從三相交流電源供應之交流電力轉換成既定交流電力或直流電力並供應至負載，其特徵在於：將申請專利範圍第1至3項中任一項之主動濾波器裝置設於輸入側。
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