CN103825474B - 低共模噪声的电源变换装置及其应用系统 - Google Patents

Abstract

一种低共模噪声的电源变换装置，包括：电源变换电路，电源变换电路包括：交流源；功率变换单元，具有直流端和交流端；滤波电感单元，滤波电感单元包含第一端和第二端，滤波电感单元的第一端连接交流源，滤波电感单元的第二端连接功率变换单元的交流端；共模噪声抑制电路，共模噪声抑制电路包括：容性阻抗网络，包括第一端和第二端；阻抗平衡网络，包括第一端和第二端；容性阻抗网络的第二端与阻抗平衡网络的第一端连接，容性阻抗网络的第一端与滤波电感单元的第一端连接，阻抗平衡网络的第二端连接功率变换单元的直流端；阻抗平衡网络与滤波电感单元在预设电磁干扰频段具有相同的阻抗特性。

Description

低共模噪声的电源变换装置及其应用系统

技术领域

本申请涉及一种电源变换装置，包括使用这种电源变换装置的能量转换系统、变频器驱动系统、有源电力滤波器和太阳能并网逆变系统。

背景技术

电源变换装置的开关元件的开关动作会引起较高的电压变化率（dv/dt）和电流变化率（di/dt）,这些电压电流的快速变化会通过系统对地的分布电容产生共模噪音，流入电网，从而干扰连接在电网上的其他电子设备。

图1示例性示出了一典型的三相功率变换器拓扑及其产生共模噪声的原因的电路图。11为功率变换单元，例如由三个半导体桥臂并联构成，每个桥臂由两个半导体器件构成。在图1中，121和122分别为直流母线电容C_B1和C_B2，123为直流母线中点O，即直流母线电容C_B1和C_B2的连接点；15为交流源，例如电网。131、132、133分别为滤波电感La、Lb、Lc，各滤波电感的一端与交流源15对应的一相相线连接，另一端与功率变换单元11对应的桥臂中点相连，通常这三个滤波电感的分布是对称的。14为一组星形连接的差模滤波电容组，例如包括三个连接成星形的电容C_x，141为三个电容C_x连接构成的公共端N。图1中的滤波电感La、Lb、Lc与X电容组14组成差模滤波器。G表示大地，为简洁起见，只标示出了一处，其余处由相同的器件符号标示。16为电源阻抗稳定网络（LISN），是传导电磁干扰测试时的辅助设备。

直流母线中点O与地之间具有分布电容C₀（100）。类似地，功率变换单元11的桥臂中点A、B、C对地分别具有分布电容C_1a（101）、C_1b（102）、C_1c（103）。直流母线中点O以及桥臂中点A、B、C对地电位跳变会通过上述分布电容C₀、C_1a、C_1b、C_1c产生位移电流，位移电流流入地，形成共模噪声。

为了满足国际电磁兼容标准，如何更有效，更低成本地抑制共模噪声，是业界普遍关注的问题。

图2示例性示出了传统技术中一种抑制共模噪声的解决方案的电路图。图2与图1的区别在于在电网15与功率变换单元11之间的三相电源线上增加了一个无源共模滤波器17来抑制共模噪声。图2中的无源共模滤波器17包括一个共模电感L_CM（171）和一组Y电容组172，Y电容组172例如包括三个连接成星形的电容C_Y，三个电容C_Y的公共端N_Y（173）接地。

然而，图2中的共模电感171往往体积较大，成本较高。而且当要求的共模感量较大时，共模电感171甚至很难设计。

图3示意了传统技术中另一类抑制共模噪声的解决方案，就是通过减小原始共模噪声来降低对共模滤波器的要求。图3示例性示出了该种抑制共模噪声的解决方案的电路图。图3与图1的区别在于将星形连接的X电容组14的公共端N（141）直接与直流母线中点O（123）相连。由于N是一个虚拟中性点，其电位较稳，将直流母线中点O与该虚拟中性点N直接相连后，母线的对地电位也被嵌位到稳定电位，因而可以在一定程度上改善共模噪声。

然而，图3的方案只能抑制通过功率变换器的直流母线对地分布电容C₀（100）流入地时所产生的共模噪声，而对于通过功率变换单元的桥臂中点A、B、C对地分布电容C_1a（101）、C_1b（102）、C_1c（103）引起的共模电流，则不但不能抑制，反而还会增加。

发明内容

为了解决上述技术问题之一，本申请提供了一种低共模噪声的电源变换装置，包括：一电源变换电路。该电源变换电路包括：一交流源，一功率变换单元和一滤波电感单元。该功率变换单元具有直流端和交流端，该滤波电感单元包含一第一端和一第二端，滤波电感单元的第一端连接交流源，滤波电感单元的第二端连接功率变换单元的交流端。该抑制共模噪声的电源变换装置还包括一共模噪声抑制电路。该共模噪声抑制电路包括：一容性阻抗网络和一阻抗平衡网络。该容性阻抗网络包括一第一端和一第二端；该阻抗平衡网络包括一第一端和一第二端。该容性阻抗网络的第二端与阻抗平衡网络的第一端连接，容性阻抗网络的第一端与滤波电感单元的第一端连接，阻抗平衡网络的第二端连接功率变换单元的直流端。该阻抗平衡网络与滤波电感单元在预设电磁干扰频段具有相同的阻抗特性。

本申请还提供了一种能量转换系统，包括：一交流源；一第一功率变换单元，具有直流端和交流端；一第二功率变换单元，具有直流端和交流端；一电机；和一共模噪声抑制电路。其中，交流源与第一功率变换单元的交流端耦接，第一功率变换单元的直流端与第二功率变换单元的直流端耦接，第二功率变换单元的交流端与电机电性耦接，共模噪声抑制电路与第一功率变换单元耦接。第一功率变换单元包括：一第一功率变换电路和一滤波电感单元。该第一功率变换电路具有直流端和交流端。该滤波电感单元包含一第一端和一第二端，滤波电感单元的第一端连接交流源，滤波电感单元的第二端连接第一功率变换电路的交流端。共模噪声抑制电路包括：一容性阻抗网络和一阻抗平衡网络，该容性阻抗网络包括第一端和第二端；该阻抗平衡网络包括第一端和第二端；该容性阻抗网络的第二端与该阻抗平衡网络的第一端连接，该容性阻抗网络的第一端与该滤波电感单元的第一端连接，该阻抗平衡网络的第二端连接第一功率变换电路的直流端。其中，阻抗平衡网络与滤波电感单元在预设电磁干扰频段具有相同的阻抗特性。

本申请还提供了一种电能质量装置，包括：一逆变电路单元和一共模噪声抑制电路。该逆变电路单元连接于一交流源，逆变电路单元用于补偿与所述交流源电性连接的非线性负载所产生的无功和/或谐波，该逆变电路单元包括：一逆变电路和一滤波电感单元。该逆变电路具有直流端和交流端，该滤波电感单元包含一第一端和一第二端，滤波电感单元的第一端连接交流源，滤波电感单元的第二端连接逆变电路的交流端。共模噪声抑制电路包括：一容性阻抗网络和一阻抗平衡网络。该容性阻抗网络包括第一端和第二端，该阻抗平衡网络包括第一端和第二端；其中，容性阻抗网络的第二端与阻抗平衡网络的第一端连接，容性阻抗网络的第一端与滤波电感单元的第一端连接，阻抗平衡网络的第二端连接逆变电路的直流端；阻抗平衡网络与滤波电感单元在预设电磁干扰频段具有相同的阻抗特性。

本申请还提供了一种能量控制系统，包括：一直流源、一交流源、一逆变电路单元和一共模噪声抑制电路。该逆变电路单元包括：一逆变电路，和一滤波电感单元。该逆变电路具有直流端和交流端；该滤波电感单元包含一第一端和一第二端，滤波电感单元的第一端连接交流源，滤波电感单元的第二端连接逆变电路的交流端。共模噪声抑制电路包括：一容性阻抗网络以及一阻抗平衡网络。该容性阻抗网络包括第一端和第二端，该阻抗平衡网络包括第一端和第二端。其中，容性阻抗网络的第二端与阻抗平衡网络的第一端连接，容性阻抗网络的第一端与滤波电感单元的第一端连接，阻抗平衡网络的第二端连接逆变电路的直流端，逆变电路的直流端连接直流源；阻抗平衡网络与滤波电感单元在预设电磁干扰频段具有相同的阻抗特性。

根据本申请的抑制共模噪声的电源变换装置，能够有效地抑制电源变换装置的共模噪声，或者帮助减小所采用的共模滤波电感的体积或共模滤波电感的设计困难、或降低整个电源变换装置成本。

附图说明

下面将参照所附附图来描述本申请的实施例，其中：

图1示例性示出了一典型的三相功率变换器拓扑及其产生共模噪声的原因的电路图；

图2示例性示出了传统技术中一种抑制共模噪声的解决方案的电路图；

图3示例性示出了传统技术中另一种抑制共模噪声的解决方案的电路图；

图4示例性示出了一种能够控制零序分量的电流的抑制共模噪声的解决方案的电路图；

图5示例性示出了低共模噪声的电源变换装置的第一个实施例的电路图；

图6A示例性示出了低共模噪声的电源变换装置中的功率变换单元的一个实施例的电路图；

图6B示例性示出了低共模噪声的电源变换装置中的功率变换单元的另一个实施例的电路图；

图7A示例性示出了低共模噪声的电源变换装置中的容性阻抗网络的一个实施例的电路图；

图7B示例性示出了根据本申请的低共模噪声的电源变换装置中的容性阻抗网络的另一个实施例的电路图；

图8A示例性示出了低共模噪声的电源变换装置中的阻抗平衡网络的一个实施例的电路图；

图8B示例性示出了低共模噪声的电源变换装置中的阻抗平衡网络的另一个实施例的电路图；

图8C示例性示出了低共模噪声的电源变换装置中的阻抗平衡网络的又一个实施例的电路图；

图9A示例性示出了低共模噪声的电源变换装置的第二个实施例的电路图；

图9B示例性示出了针对图9A的电源变换装置的三相所产生的共模噪声所建立的模型电路图；

图9C示例性示出了针对图9B中一相的共模噪声的模型等效电路图；

图9D示例性示出了针对图9B中三相完全对称时共模噪声模型等效电路图；

图10示例性示出了根据低共模噪声的电源变换装置的第三个实施例的电路图；

图11示例性示出了低共模噪声的电源变换装置的第四个实施例的电路图；

图12A示例性示出了原始共模噪声、传统技术方案以及本申请技术方案根据共模噪声等效模型的交流扫描结果；

图12B至图12D分别示例性示出了根据图1所示的传统技术的功率变换器的原始共模噪声、根据图3所示的传统技术抑制后的共模噪声、以及采用图9A所示的本申请的共模噪声抑制方案的电路仿真结果；

图13A示例性示出了根据本申请的低共模噪声的电源变换装置一个应用实施例的电路图；

图13B示例性示出了根据本申请的低共模噪声的电源变换装置另一个应用实施例的电路图；以及

图13C示例性示出了根据本申请的低共模噪声的电源变换装置又一个应用实施例的电路图。

具体实施方式

下面将结合图5至图13C详细描述本申请。需要注意的是，在以下描述的本申请的附图中，具有相同参考标记的元件在系统中具有相同的功能，作为连接导线的线段之间如果存在交叉点，那么交叉点上带有黑点“·”则表示该交叉点是连接点，交叉点上不带有黑点“·”则表示该交叉点不是连接点而仅仅是相互穿越；各线圈所示的匝数仅仅是示意图，而不表示实际的匝数值或匝数比；各电感、变压器线圈和电容的符号不但代表该元件自身，还可以表示该元件的容量的代数符号。

在图3中将星形连接的X电容组14的公共端N（141）直接与直流母线中点O（123）相连，连接线上的零序分量电流可能会比较大。图4示例性示出了一种能够控制低频零序分量的电流的抑制共模噪声的解决方案的电路图。图4与图3的区别在于X电容组14的公共端N（141）与直流母线中点O（123）之间通过一个电容C_s来连接，以便能够适当地控制零序分量的电流。

然而，图4的方案仍然只能抑制通过直流母线对地分布电容C₀（100）流入地时所产生的共模噪声，而对于通过桥臂中点A、B、C对地分布电容C_1a（101）、C_1b（102）、C_1c（103）引起的共模电流，则不但不能抑制，反而还会增加。

本申请提供了一种低共模噪声的电源变换装置。图5示例性示出了根据本申请的一个低共模噪声的电源变换装置的一实施例的电路图。图5所示低共模噪声的电源变换装置包括：功率变换单元21，具有直流端和交流端，其中直流端包括正极端子PO和负极端子NE，交流端包括三相交流端子At、Bt和Ct。各相交流端子之间的电压为经高频调制的低频交流电压，通常各端子的分布是对称的。功率变换单元21可以为交流-直流整流器、或直流-交流逆变器。直流母线电容C_B1（121）和C_B2（122）串联连接于功率变换单元21的直流端的正极端子PO和负极端子NE之间，直流母线电容C_B1和C_B2的连接点123为直流母线中点O，其中直流母线电容也可以只有一个。交流源15为包括三相电压Ua、Ub和Uc的三相电源。滤波电感单元包括数目与功率变换单元21的交流端数目相同的若干滤波电感子单元。该滤波电感子单元可以是单一的电感，例如为滤波电感La（131）、Lb（132）、Lc（133）。滤波电感单元的一端与交流源15连接，而另一端与功率变换单元21对应的交流端子相连。该电源变换装置还包括共模噪声抑制电路。该共模噪声抑制电路包括容性阻抗网络24和阻抗平衡网络28。容性阻抗网络24包括第一组端子Dt、Et和Ft以及第二组端子Gt、Ht和It。第一组端子Dt、Et和Ft分别与交流源15对应的一相连接，即与滤波电感单元的一端连接。阻抗平衡网络28包括第三组端子Jt、Kt和Lt以及第四端子Mt，第三组端子Jt、Kt和Lt分别与容性阻抗网络24对应的第二组端子Gt、Ht和It相连接，第四端子Mt与功率变换单元21的直流母线中点O（123）相连接。在其他实施例中，阻抗平衡网络28的第四端子Mt也可与功率变换单元21直流端子中正极PO或负极NE相连。其中，阻抗平衡网络28的阻抗在打算抑制共模噪声的频率范围内，即预设电磁干扰频段与滤波电感La（131）、Lb（132）、Lc（133）具有一致的阻抗特性，例如都为感性阻抗或都为容性阻抗，本文中所有涉及的阻抗特性都是指该阻抗为容性阻抗还是感性阻抗，比如说相同的阻抗特性，即指它们在关注的频率上都是感性阻抗，或者都是容性阻抗。

图5中的功率变换单元21例如可以是如图6A所示的两电平电路中的功率变换单元31。图6A示例性示出了根据本申请的一个低共模噪声的电源变换装置中的功率变换单元的一实施例的电路图。三相交流端子At、Bt和Ct分别对应连接到两电平电路的功率变换单元31各桥臂的中点A、B和C。

图5中的功率变换单元21例如可以是如图6B所示的三电平电路中的功率变换单元41。图6B示例性示出了本申请的低共模噪声的电源变换装置中的功率变换单元的另一个实施例的电路图。三相交流端子At、Bt和Ct分别对应连接到三电平电路的功率变换单元41各桥臂的中点A、B和C。

图5中的容性阻抗网络24例如可以是如图7A中所示的纯电容网络34。图7A示例性示出了根据本申请的低共模噪声的电源变换装置中的容性阻抗网络的一个实施例的电路图。图7A所示的纯电容网络34例如包括三个电容C_x，可用于三相的应用中，即与功率变换单元21的相数对应，通常三个电容C_x的参数相同。其中，每个电容C_x也可以是由多个电容组合连接形成。

图5中的容性阻抗网络24例如可以是如图7B中所示的阻容网络44。图7B示例性示出了根据本申请的低共模噪声的电源变换装置中的容性阻抗网络的另一个实施例的电路图。图7B所示的阻容网络44包括三个容性支路，与功率变换单元21的交流端数目对应，通常三个容性支路的参数相同。其中每个容性支路包括一个电容C_x和一个电阻R_x的串联，由于阻容网络44是用于耦合交流的无源网络，所以不分极性，即上下翻转过来、电容电阻位置互换均可以使用。在其他容性阻抗网络的实施例中，每个容性支路可以是由多个电容和电阻组合连接形成。

图5中的阻抗平衡网络28例如可以是如图8A中所示的单个电感Lx（38）。图8A示例性示出了根据本申请的低共模噪声的电源变换装置中的阻抗平衡网络的一个实施例的电路图。图8A所示的单个电感Lx一端分别连接容性阻抗网络24的第二组端子Gt、Ht和It，单个电感Lx的另一端可直接或通过电容和/或电阻连接到功率变换单元21的直流端例如直流母线中点O（123）。

图5中的阻抗平衡网络28例如可以是如图8B中所示的非耦合电感网络48。图8B示例性示出了根据本申请的低共模噪声的电源变换装置中的阻抗平衡网络的另一个实施例的电路图。图8A所示的非耦合电感网络48例如包括三个电感Lx，每个电感Lx的一端连接容性阻抗网络24的第二组端子Gt、Ht和It中相应的一个，通常三个电感Lx的参数相同，每个电感Lx的另一端可直接或通过电容和/或电阻连接到功率变换单元21的直流端例如直流母线中点O（123）。

图5中的阻抗平衡网络28例如可以是如图8C中所示的耦合电感网络58。图8C示例性示出了根据本申请的低共模噪声的电源变换装置中的阻抗平衡网络的又一个实施例的电路图。图8C所示的耦合电感网络58例如是一个三相耦合电感，包括三个绕组，该三相耦合绕组的第一组端子的每一个端子分别连接容性阻抗网络24的第二组端子Gt、Ht和It中相应的一个，三个绕组的另一组端子即该三相耦合电感的公共端可直接或通过电容连接到功率变换单元21的直流端例如直流母线中点O（123）。其中，三个绕组彼此磁耦合。至于实现磁耦合的方式多种多样，在此不进行进一步例举。

图9A示例性示出了根据本申请的低共模噪声的电源变换装置的具体实施例的电路图。其中，阻抗平衡网络的阻抗示意为平衡阻抗Z₀。平衡阻抗Z₀与构成滤波电感单元的滤波电感La（131）、Lb（132）、Lc（133）具有一致的阻抗特性，例如在打算抑制共模噪声的频率范围内都呈感性。

为了更好地理解本申请，下面将通过等效模型电路等效电路来进一步阐述本申请的原理。

图9B示例性示出了针对图9A的电源变换装置的三相所产生的共模噪声所建立的模型电路图。基于图9A构建共模噪声模型电路，如图9B所示该共模噪声等效模型包括直流母线中点O与地之间的分布电容C₀（100）、功率变换单元11的桥臂中点A、B、C对地分别具有的分布电容C_1a（101）、C_1b（102）、C_1c（103）、滤波电感La（131）、Lb（132）、Lc（133）和电压u_AO、u_BO和u_CO和一电源阻抗稳定网络16。在此等效模型电路中，电压u_AO、u_BO和u_CO是桥臂中点A、B、C对直流母线中点O之间的电压。电源阻抗稳定网络为干扰测试时的辅助设备，电源阻抗稳定网络16的阻抗等效为Z_LISN/3，其上的压降即为共模电压。

根据线性叠加原理，可以分别对图9B中的三相电压u_AO、u_BO和u_CO单独地进行分析。例如在分析电压u_AO所引起的共模噪声时，可以另外两相的电压u_BO和u_CO视为短路，这样，就能够进一步得到图9C所示的等效电路。

图9C示例性示出了针对图9B中一相的共模噪声的等效模型电路图。如图9C所示，该等效模型电路包括一感性支路。该感性支路包括并联的滤波电感Lb、Lc即Lb//Lc（134）、平衡阻抗Z₀（68）和滤波电感La（131）；Lb//Lc（134）与平衡阻抗Z₀（68）并联且与滤波电感La（131）串联，滤波电感与并联的Lb//Lc（134）和平衡阻抗Z₀的连接点为一第一节点。该等效模型电路还包括一容性支路。该容性支路包括分布电容C_1a（101）、C_1b、C_1c和C₀；分布电容C_1b、C_1c和C₀相互之间并联且与分布电容C_1a串联，分布电容C_1a与其他分布电容的连接点为一第二节点。电源阻抗网络16的两端分别与第一节点和第二节点连接。图9C所示电路构成了一个惠斯登电桥（wheatstone bridge）。

如果该电桥满足电桥平衡条件，电源阻抗网络16两端电压为零，共模电压为零。即只要满足以下公式：

$\frac{Z_{\mathrm{La}}}{Z_0//Z_{\mathrm{Lb}}//Z_{\mathrm{Lc}}}=\frac{Z_{C_{1a}}}{Z_{C_{1b}}//Z_{C_{1c}}//Z_{C_0}}---\left(1\right),$

其中，Z_La是滤波电感La的阻抗、Z₀是平衡阻抗Z₀的阻抗、Z_Lb是滤波电感Lb的阻抗、Z_Lc是滤波电感Lc的阻抗、是分布电容C_1a的阻抗、分布电容C_1b的阻抗、是分布电容C_1c的阻抗、以及是分布电容C₀的阻抗。那么，当电源阻抗稳定网络16两端电压较小或接近等于0时，对于La所在相产生的共模噪声就可以得到一定程度的抑制。

由于实际电感为非理想电感，存在分布参数，在频率较高时，其阻抗可能呈现容性。例如前述的滤波电感La、Lb、Lc可能在10MHz之前为感性，在10MHz之后为容性。为了满足公式（1），如果要让所述惠斯登电桥在一个较宽的频率范围内达到平衡，那么平衡阻抗Z₀与滤波电感La、Lb、Lc需要有一致的阻抗特性，应该在预设电磁干扰频率范围，例如共模噪声的频率范围内，可既呈现感性也可呈现容性。例如，在频率较低时，滤波电感La、Lb、Lc的阻抗为感性阻抗，则平衡阻抗Z0也需要呈现感性；在频率较高时，滤波电感的阻抗为容性阻抗，则相应地，平衡阻抗Z0也需要呈现容性。

以此类推，对于其他两相共模噪声的等效模型电路与图9C所示基本一致。为达到各相共模噪声平衡，可能平衡阻抗Z₀的值会有所不同。因此Z₀的设计可以依据共模噪声的主要来源的相，选择能抑制该相共模噪声的平衡阻抗Z₀的参数，或可根据需要去设计使得三相总共模噪声最小的原则来设计平衡阻抗Z₀的参数。

考虑到为使各相的共模噪声均能得到一定程度的抑制，那么功率变换单元结构对称，即各相包括元件数目和种类相同且相同元件的连接关系一致，且各相相同元件的参数一致，因此可假设各滤波电感La=Lb=Lc=L，功率变换单元11对地之间的分布电容C_1a=C_1b=C_1c=C₁。

图9D与图9C所示的等效模型电路的差别主要在于，图9D将上述对滤波电感和分布电容的假设参数代入了图9C。由于功率变换单元各相结构对称，相同元件的参数一致，根据线性叠加的原理，图9C的电压u_AO可转换成电压u_AO、u_BO和u_CO之和。因此，图9B所示的电源变换装置共模噪声模型就可以等效为图9D所示的等效模型电路。

如图9D所示，为使图9所示的惠斯登电桥达到平衡，电源阻抗网络两端的电压相等，即满足公式：

$\frac{Z_L}{Z_0//Z_L/2}=\frac{Z_{C_1}}{Z_{C_1}/2//Z_{C_0}}---\left(2\right),$

其中，Z表示阻抗的意思，Z₀是平衡阻抗Z₀的阻抗。

在实际工程应用中，三个滤波电感La、Lb、Lc可能会存在一定的容差（例如10%），或者三个分布电容C_1a、C_1b、C_1c也可能会存在一定的容差（例如10%）。那么，按照公式（2）得到的平衡阻抗Z₀的取值达到抑制共模噪声的效果与预期效果会有些偏差，这种偏差应是在正常允许范围内的。

图10示例性示出了根据本申请的低共模噪声的电源变换装置的又一个实施例的电路图。图10所示的电路是图5所示的技术方案的又一个具体实施例。图10与图9A的区别在于，图10更具体地示意了阻抗平衡网络包括一个电感L₁（67）、隔直电容C_s（18）和阻尼电阻R_d（19），这三者相互串联。

对于图10所示的阻抗平衡网络，在电感L₁与隔直电容C_s的谐振频率f0之前，即低于谐振频率f0，电感L₁、隔直电容C_s和阻尼电阻R_d的串联支路的阻抗主要取决于隔直电容C_s，从而可以限制或隔离低频段的零序电流。在电感L₁与隔直电容C_s的谐振频率f0之后，即高于谐振频率f0，电感L₁、隔直电容C_s和阻尼电阻R_d的串联支路的阻抗主要取决于电感L₁。因此，在实际应用时，为保证在预设电磁干扰频段，例如共模噪声所在的干扰频段，阻抗平衡网络与滤波电感具有相同的阻抗特性，达到抑制共模噪声的效果，可将阻抗平衡网络的谐振频率设置小于该干扰频段的最小频率。例如关注的电磁干扰频段为9kHz-30MHz时，只需将f0设置在小于9kHz，例如可以取f0＝1kHz。

图10中的阻尼电阻R_d在电感L₁与隔直电容C_s谐振时起到阻尼的作用，以免使电感L₁、隔直电容C_s和阻尼电阻R_d的串联支路产生过大的电流。

虽然以上各实施例主要是例举电源变换装置中功率变换单元为三相功率变换单元的情况，然而电源变换装置中功率变换单元并不局限于三相功率变换单元，也可以是单相功率变换单元。

例如，图11示例性示出了低共模噪声的电源变换装置中功率变换单元为单相功率变换单元实施例的电路图。

可以看到，图11中的单相交流源25、单相功率变换单元51、容性阻抗网络54、由滤波电感La（131）、Lb（132）构成的滤波电感单元、以及包含电感Ls（66）的阻抗平衡网络。图11所示的单相功率变换单元具有两交流端，容性阻抗网络54包括两电容，电容的一端对应与单相功率变换单元的一端连接，而另一端连接阻抗平衡网络。该图11所示的实施例中，阻抗平衡网络为一单一的电感Ls（66）。该单相功率变换单元51具有两桥臂，两桥臂分别具有一桥臂中点A和一桥臂中点B。以桥臂中点A为例，按照上述共模噪声的等效模型，若需抑制桥臂中点A可能产生的共模噪声，则需满足公式：

$\frac{Z_{\mathrm{La}}}{Z_{\mathrm{Ls}}//Z_{\mathrm{Lb}}}=\frac{Z_{C_{1a}}}{Z_{C_{1b}}//Z_{C_0}}---\left(3\right),$

其中，C_1a、C_1b分别代表桥臂中点A和桥臂中点B对地的分布电容，C₀代表直流母线中点123对地的分布电容，Z代表阻抗的符号，例如Z_La是滤波电感La的阻抗，其他的可依次类推。

如以上实施例，若单相功率变换单元51两桥臂结构对称，即包含元件的数目和种类相同，且相同元件的连接关系一致，各桥臂相同元件的参数一致。这样，阻抗平衡网络的同一阻抗值可同时对两桥臂中点导致的共模噪声具有抑制作用。然而若在实际情况中，两桥臂的结构并非对称，那么可根据实际需求或者以消除主要共模噪声源为目的去设计阻抗平衡网络的阻抗。

对于以上电源变换装置的实施例应不局限于以上介绍的实施例，实际上以上介绍的电源变换装置各个组件可变换的实施例之间相互交叉组合也是可行的。因此，本申请所要保护的电源变换装置应不局限于以上例举的实施例，而是已所附上的权利要求书所要求保护的范围为准。

图12A示例性示出了原始共模噪声、传统技术方案以及本申请技术方案三个方案的交流扫描仿真结果，仿真模型为各自对应的共模噪声等效电路模型。原始共模噪声的共模噪声的等效模型是基于图1所示电路。传统技术方案的共模噪声的等效模型是基于图3所示电路。而在图12A中，本申请技术方案的共模噪声的等效模型是以图9D为例。假设这三种方案的共模噪声的等效模型中所涉及的元件参数是相同的，例如各桥臂中点对地分布电容均为C₁=20皮法，直流母线中点对地分布电容C₀=1纳法，每相滤波电感均为L=700微亨，电源阻抗稳定网络16中的阻抗Z_LISN=50，而图9D中所示平衡阻抗Z₀设置为14微亨的一个电感。三种仿真结果如图12A所示，原始共模噪声的结果如小矩形指示的曲线所示，传统技术方案的共模噪声的结果如小三角形指示的曲线所示，而最后一条曲线则为图9D所示等效模型结合以上具体参数值仿真出的结果。从图12所示的结果可看出：在大约1.3MHz以前，如图3所示的传统技术方案对共模噪声有一定的抑制作用，但在频率超过1.3MHz之后，共模噪声反而增加；而例举的本申请的技术方案，已经减小到背景噪声的程度了。

图12B示例性示出了为根据图1所示的传统功率变换器电路的共模噪声仿真结果。图12C是根据图3所示的传统具有噪声抑制功能技术的功率变换器电路的共模噪声仿真结果。图12D是根据图9A所例举的本申请的电源转换系统的共模噪声仿真结果，其中平衡阻抗Z₀为一单一电感。这三张电路共模噪声的仿真结果所基于的电路中功率变换单元的三相桥臂均完全对称，且仿真所基于的电路中参数均相同，例如桥臂中点对地的分布电容C₁=20皮法，直流母线中点对地的分布电容C₀=1纳法，滤波电感L=700微亨，电源阻抗稳定网络16中的阻抗Z_LISN=50欧姆。图12B至图12D三种电路的仿真结果基本与图12A所示三种共模噪声等效模型电路一致。观察对比图12B至图12D，不难发现本申请技术方案的共模噪声仿真结果是优于其他两种技术方案的。

本申请的共模噪声抑制方案可以应用在各种电源系统中。

图13A示例性示出了低共模噪声的电源变换装置的一个应用实施例。该应用例可以为一变频器驱动系统，电机300为电动机，电能从电网200流入电机300，转换成机械能。该变频器驱动系统可以是带有有源前端（AFE）的变频器驱动（VFD）系统。其中，该变频器驱动系统包括第一功率变换单元111和第二功率变换单元112；该功率变换单元111为一整流单元，例如可以是如图9A中所示的由三个桥臂组成的功率变换单元11，用于将交流电压转换为直流电压。第二功率变换单元112为一逆变单元，用于驱动该电机300。

图13A所示的应用例也可以为一风力发电系统，在作为风力发电系统时，该电机300可以是发电机，例如风力发电机。电机300借助其他能源产生的电能输送给电网200，电能是从电机300流入电网200。这时，第一功率变换单元111是一逆变单元，将直流电压转换为交流电压。第二功率变换单元112为一整流单元，将电机300所产生的交流电转化为直流电输送给第一功率变换单元111；第一功率变换单元111将接收的直流电转换成可输送至电网的交流电。

在图13A所示的应用例中，共模噪声的抑制原理在以上内容已有描述过，因此不在这重复阐述。

图13B示例性示出了低共模噪声的电源变换装置另一个应用实施例的电路图。该电源变换装置还可以应用于电能质量装置，例如有源电力滤波器（APF）或无功补偿装置。电能质量装置的作用通常是用来补偿非线性负载产生的谐波和/或无功。如图13B所示，该电能质量装置包括一逆变电路单元111，为避免非线性负载对交流源，例如电网200造成污染，逆变电路单元111的输出可用于补偿非线性负载产生的谐波和/或无功。因此，在本实施例中，功率变换单元是作为逆变电路单元111工作的，因此该逆变电路单元111产生的共模噪声也得到一定程度的一致。在此逆变电路单元111中阻抗平衡网络以单一电感Ls（66）进行例举，其抑制共模噪声的原理在以上内容已有描述过，因此不在这重复阐述。

图13C示例性示出了低共模噪声的电源变换装置应用于能量控制系统的一实施例的电路图。具体地，该应用例为其在太阳能并网逆变系统中的应用。太阳能电池组500用于产生直流电压，并将所产生的直流电压提供给电源变换装置的逆变电路单元111的直流端，通过逆变电路单元111变换成三相交流电后送入电网200。在此应用例中，功率变换单元也是作为逆变电路单元111工作的，因此该逆变电路单元111产生的共模噪声也得到一定程度抑制，其抑制共模噪声原理以上内容已有描述过，因此不再赘述。

根据本申请的抑制共模噪声的电源变换装置，能够有效地抑制电源变换装置的共模噪声向电网传播，而且免除了现有技术中因采用大容量共模滤波电感所需要的大体积、高成本和设计上的困难。

虽然已参照典型实施例描述了本申请，但应当理解，所用的术语是说明和示例性、而非限制性的术语。由于本申请能够以多种形式具体实施，所以应当理解，上述实施例不限于任何前述的细节，而应在随附权利要求所限定的范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等同范围内的全部变化和改型都应为随附权利要求所涵盖。

Claims (16)

1.一种低共模噪声的电源变换装置，包括：

一电源变换电路，所述电源变换电路包括：

一交流源；

一功率变换单元，具有直流端和交流端；和

一滤波电感单元，所述滤波电感单元包含一第一端和一第二端，所述滤波电感单元的第一端连接所述交流源，所述滤波电感单元的第二端连接所述功率变换单元的交流端，其中，所述滤波电感单元包括数目与所述交流源的端子相同的滤波电感子单元，所述滤波电感子单元的第一端与所述交流源的端子一一对应连接，所述滤波电感子单元的第二端与所述功率变换单元的交流端一一对应连接；和

一共模噪声抑制电路，所述共模噪声抑制电路包括：

一容性阻抗网络，包括第一端和第二端，其中，所述容性阻抗网络包括数目与所述滤波电感子单元相同的容性支路；和

一阻抗平衡网络，包括第一端和第二端，

其中，所述容性阻抗网络的容性支路的第二端与所述阻抗平衡网络的第一端连接，所述容性阻抗网络的容性支路的第一端与所述滤波电感子单元的第一端一一对应连接，所述阻抗平衡网络的第二端连接所述功率变换单元的直流端，

所述阻抗平衡网络与所述滤波电感单元在预设电磁干扰频段具有相同的阻抗特性，以及

所述阻抗平衡网络的阻抗满足：

$\frac{Z_{\mathrm{Lx}}}{Z_0//Z_{\mathrm{Li}}}=\frac{Z_{\mathrm{cx}}}{Z_{c0}//Z_{\mathrm{ci}}}$

其中Z₀为所述阻抗平衡网络的阻抗，Z_Li为与Z₀等效并联的所述滤波电感子单元的阻抗，Z_Lx为一与Z₀等效串联的所述滤波电感子单元的阻抗；Z_cx为Z_Lx所对应的所述滤波电感子单元连接的所述功率变换单元的交流端对地的阻抗，Z_c0为所述阻抗平衡网络连接的所述功率变换单元的直流端对地的阻抗，Z_ci为与Z_c0等效并联的所述功率变换单元的其他交流端对地的阻抗。

2.根据权利要求1所述的电源变换装置，其中，所述功率变换单元为三相功率变换单元或者单相功率变换单元；对应地，所述交流源为三相交流源或者单相交流源。

3.根据权利要求1所述的电源变换装置，其中，所述滤波电感子单元为一电感元件。

4.根据权利要求1所述的电源变换装置，其中，所述容性支路为一电容元件或一电容元件与一电阻串联。

5.根据权利要求1所述的电源变换装置，其中，各所述容性支路结构相同，器件参数一致；各所述滤波子单元结构相同，器件参数一致；所述功率变换单元呈对称结构，器件参数一致。

6.根据权利要求1所述的电源变换装置，其中，所述阻抗平衡网络为一感性支路，所述感性支路至少包括一电感。

7.根据权利要求6所述的电源变换装置，其中，所述感性支路还包括一阻尼电阻和一电容，所述阻尼电阻、电容和电感相互串联连接。

8.根据权利要求6所述的电源变换装置，其中，所述电感为单一电感；所述单一电感的一端作为所述阻抗平衡网络的第一端。

9.根据权利要求6所述的电源变换装置，其中，所述电感为非耦合的电感网络或耦合的电感网络；所述非耦合的电感网络包括至少两个非耦合的电感，所述耦合的电感网络包括至少两个耦合的绕组，所述两个非耦合的电感或耦合的绕组的一端共接成一共接点，作为所述阻抗平衡网络的第二端，所述两个非耦合的电感或耦合的绕组的另一端作为所述阻抗平衡网络的第一端。

10.根据权利要求1所述的电源变换装置，其中，所述功率变换单元的直流端包括两直流引线端，所述两直流引线端之间为一直流电压。

11.根据权利要求10所述的电源变换装置，其中，所述功率变换单元的直流端还包括两串联的母线电容，所述两串联的母线电容跨接于所述两直流引线端之间，所述两串联的母线电容的共接端形成一直流端中点。

12.根据权利要求1所述的电源变换装置，其中，所述功率变换单元是两电平整流或逆变电路，或者是多电平整流或逆变电路。

13.一种能量转换系统，包括：

一交流源；

一第一功率变换单元，具有直流端和交流端；

一第二功率变换单元，具有直流端和交流端；

一电机；和

一共模噪声抑制电路，

其中，所述交流源与所述第一功率变换单元的交流端耦接，所述第一功率变换单元的直流端与所述第二功率变换单元的直流端耦接，所述第二功率变换单元的交流端与所述电机电性耦接，所述共模噪声抑制电路与所述第一功率变换单元耦接，

所述第一功率变换单元包括：

一第一功率变换电路，具有直流端和交流端；和

一滤波电感单元，所述滤波电感单元包含一第一端和一第二端，所述滤波电感单元的第一端连接所述交流源，所述滤波电感单元的第二端连接所述第一功率变换电路的交流端，其中，所述滤波电感单元包括数目与所述交流源的端子相同的滤波电感子单元，所述滤波电感子单元的第一端与所述交流源的端子一一对应连接，所述滤波电感子单元的第二端与所述第一功率变换电路的交流端一一对应连接，

所述共模噪声抑制电路包括：

一容性阻抗网络，包括第一端和第二端，其中，所述容性阻抗网络包括数目与所述滤波电感子单元相同的容性支路；和

一阻抗平衡网络，包括第一端和第二端，

其中，所述容性阻抗网络的容性支路的第二端与所述阻抗平衡网络的第一端连接，所述容性阻抗网络的容性支路的第一端与所述滤波电感子单元的第一端一一对应连接，所述阻抗平衡网络的第二端连接所述第一功率变换电路的直流端，

所述阻抗平衡网络与所述滤波电感单元在预设电磁干扰频段具有相同的阻抗特性，以及

所述阻抗平衡网络的阻抗满足：

$\frac{Z_{\mathrm{Lx}}}{Z_0//Z_{\mathrm{Li}}}=\frac{Z_{\mathrm{cx}}}{Z_{c0}//Z_{\mathrm{ci}}}$

其中Z₀为所述阻抗平衡网络的阻抗，Z_Li为与Z₀等效并联的所述滤波电感子单元的阻抗，Z_Lx为一与Z₀等效串联的所述滤波电感子单元的阻抗；Z_cx为Z_Lx所对应的所述滤波电感子单元连接的所述第一功率变换电路的交流端对地的阻抗，Z_c0为所述阻抗平衡网络连接的所述第一功率变换电路的直流端对地的阻抗，Z_ci为与Z_c0等效并联的所述第一功率变换电路的其他交流端对地的阻抗。

14.根据权利要求13所述的能量转换系统，其中，所述电机为风力发电机。

15.一种电能质量装置，包括：

一逆变电路单元，连接于一交流源，所述逆变电路单元用于补偿与所述交流源电性连接的非线性负载所产生的无功和/或谐波，所述逆变电路单元包括：

一逆变电路，具有直流端和交流端；和

一滤波电感单元，所述滤波电感单元包含一第一端和一第二端，所述滤波电感单元的第一端连接所述交流源，所述滤波电感单元的第二端连接所述逆变电路的交流端，其中，所述滤波电感单元包括数目与所述交流源的端子相同的滤波电感子单元，所述滤波电感子单元的第一端与所述交流源的端子一一对应连接，所述滤波电感子单元的第二端与所述逆变电路的交流端一一对应连接；和

一共模噪声抑制电路，所述共模噪声抑制电路包括：

一容性阻抗网络，包括第一端和第二端，其中，所述容性阻抗网络包括数目与所述滤波电感子单元相同的容性支路；和

一阻抗平衡网络，包括第一端和第二端，

其中，所述容性阻抗网络的容性支路的第二端与所述阻抗平衡网络的第一端连接，所述容性阻抗网络的容性支路的第一端与所述滤波电感子单元的第一端一一对应连接，所述阻抗平衡网络的第二端连接所述逆变电路的直流端，

所述阻抗平衡网络与所述滤波电感单元在预设电磁干扰频段具有相同的阻抗特性，以及

所述阻抗平衡网络的阻抗满足：

$\frac{Z_{\mathrm{Lx}}}{Z_0//Z_{\mathrm{Li}}}=\frac{Z_{\mathrm{cx}}}{Z_{c0}//Z_{\mathrm{ci}}}$

其中Z₀为所述阻抗平衡网络的阻抗，Z_Li为与Z₀等效并联的所述滤波电感子单元的阻抗，Z_Lx为一与Z₀等效串联的所述滤波电感子单元的阻抗；Z_cx为Z_Lx所对应的所述滤波电感子单元连接的所述逆变电路的交流端对地的阻抗，Z_c0为所述阻抗平衡网络连接的所述逆变电路的直流端对地的阻抗，Z_ci为与Z_c0等效并联的所述逆变电路的其他交流端对地的阻抗。

16.一种能量控制系统，包括：

一直流源；

一交流源；

一逆变电路单元，所述逆变电路单元包括：

一逆变电路，具有直流端和交流端；和

一滤波电感单元，所述滤波电感单元包含一第一端和一第二端，所述滤波电感单元的第一端连接所述交流源，所述滤波电感单元的第二端连接所述逆变电路的交流端，其中，所述滤波电感单元包括数目与所述交流源的端子相同的滤波电感子单元，所述滤波电感子单元的第一端与所述交流源的端子一一对应连接，所述滤波电感子单元的第二端与所述逆变电路的交流端一一对应连接；以及

一共模噪声抑制电路，所述共模噪声抑制电路包括：

一容性阻抗网络，包括第一端和第二端，其中，所述容性阻抗网络包括数目与所述滤波电感子单元相同的容性支路；和

一阻抗平衡网络，包括第一端和第二端，

其中，所述容性阻抗网络的容性支路的第二端与所述阻抗平衡网络的第一端连接，所述容性阻抗网络的容性支路的第一端与所述滤波电感子单元的第一端一一对应连接，所述阻抗平衡网络的第二端连接所述逆变电路的直流端，所述逆变电路的直流端连接所述直流源，

所述阻抗平衡网络与所述滤波电感单元在预设电磁干扰频段具有相同的阻抗特性，以及

所述阻抗平衡网络的阻抗满足：

$\frac{Z_{\mathrm{Lx}}}{Z_0//Z_{\mathrm{Li}}}=\frac{Z_{\mathrm{cx}}}{Z_{c0}//Z_{\mathrm{ci}}}$

其中Z₀为所述阻抗平衡网络的阻抗，Z_Li为与Z₀等效并联的所述滤波电感子单元的阻抗，Z_Lx为一与Z₀等效串联的所述滤波电感子单元的阻抗；Z_cx为Z_Lx所对应的所述滤波电感子单元连接的所述逆变电路的交流端对地的阻抗，Z_c0为所述阻抗平衡网络连接的所述逆变电路的直流端对地的阻抗，Z_ci为与Z_c0等效并联的所述逆变电路的其他交流端对地的阻抗。