采用耦合電感的lcl濾波器的制造方法
【專利摘要】本發明公開了一種采用耦合電感的LCL濾波器，屬于電力電子裝置設計領域。本發明的濾波器的交流電壓側電感的輸入端與交流電壓源相連接，抵消電感與濾波電容串聯后與交流電壓側電感的輸出端并聯，阻尼電阻可與濾波電容串聯或并聯，也可不采用阻尼電阻，交流電壓側濾波電感與整流或逆變側濾波電感耦合且順向串聯，整流或逆變側濾波電感的輸出端與整流或逆變橋臂中點相連。本發明的采用耦合電感的LCL濾波器一方面可以減小濾波器體積，另一方面可以改善濾波效果。
【專利說明】采用耦合電感的LCL濾波器
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種適用于單相、三相或者多相整流和逆變電路的采用耦合電感的LCL濾波器，屬于電力電子裝置設計領域。
【背景技術】
[0002]在開關電源中，磁性器件(簡稱磁件，如:電感、變壓器)是重要的組成部分。它起著電能存儲、轉換、電氣隔離等作用。據統計，磁件的重量一般是整個裝置總重的30-40%，體積則占總體積的20-30%，而對于高頻、模塊化設計的電源，磁件重量、體積所占的比例還要更高。人們通常采用提高頻率的方法減小磁件及系統的體積、重量，但提高頻率會增大功率器件的開關損耗，影響系統效率，因此，研發人員還研究應用磁集成技術，在不改變頻率的條件下，繼續優化磁件的性能。
[0003]所謂磁集成技術，是指將兩個或多個分立磁件繞制在一副磁芯上，從結構上集中在一起。分立磁件集中后的磁件被稱為集成磁件。
[0004]采用磁集成技術后，能有效減小磁件的重量、體積以及損耗，提高功率密度。在某些場合，若設計得當，還能減小電流紋波，甚至實現零紋波。
[0005]磁件的集成方式，通常分為兩大類:解耦集成和耦合集成。
[0006]解耦集成，顧名思義，是指集成后分立磁件之間不存在耦合作用，或者耦合作用很小可以忽略。解耦集成的主要方法分為兩種:提供低磁阻磁路實現解耦、或者通過抵消繞組間的耦合作用來解耦。一般而言，解耦集成并不改善電氣性能，但有利于減小磁件體積、重量；耦合集成相比解耦集成設計分析更加困難，但合理的集成方案不僅有利于減小磁件體積、重量，還能改善電路的電氣性 能。電感與電感耦合集成后，電感之間有耦合作用，集成的磁件又稱為耦合電感。本文所述的耦合電感就是指耦合集成后的電感。
[0007]目前LCL濾波器在并網逆變、PWM整流器中應用較多，對于LCL濾波器的優化和設計技術的研究是目前的技術熱點之一，其中就包括采用磁集成技術來優化LCL濾波器的性能。華中科技大學2012年發表的文章“并網逆變器中LCL濾波器的磁集成”:潘冬華，阮新波，王學華，鮑陳磊，李巍巍.并網逆變器中LCL濾波器的磁集成[J].中國電機工程學報，2012.文章中分析了 LCL濾波器的兩電感耦合對濾波性能的影響，指出耦合削弱了高頻濾波性能，應選用解耦集成方案，并據此提出了 LCL濾波器中兩電感順向串聯解耦集成的方案。由于繞組順向串聯，兩電感在低磁阻公共磁路中產生的磁通相互抵消，減少用鐵量，達到減小電感體積、重量的效果。顯然，采用解耦集成，不影響濾波器的濾波性能，不利于充分發揮磁集成技術在改善電氣性能上的技術優勢。如何得到一種新的采用耦合電感的LCL濾波器的技術方案，既能減小電感體積，又能改善濾波效果，成為本發明設計的重點。
【發明內容】
[0008]本發明的目的是提出一種新的采用耦合電感的LCL濾波器，減小濾波電感體積的同時，改善其濾波效果。[0009]一種采用耦合電感的LCL濾波器，連接于交流電壓源與整流或逆變電路之間，它包括交流電壓側濾波電感、整流或逆變側濾波電感和濾波電容；其中交流電壓側濾波電感的輸入端與交流電壓源相連，交流電壓側濾波電感與整流或逆變側濾波電感耦合且順向串聯，整流或逆變側濾波電感的輸出端與整流或逆變電路橋臂中點相連；交流電壓側濾波電感輸出端并聯電容支路，電容支路內串有所述濾波電容；其特征在于:上述電容支路內還串有抵消電感。
[0010]本發明相比現有技術有如下優點:
現有LCL濾波器中兩電感的磁集成方案為解耦集成，通過提供低磁阻公共磁路，使得順向串聯的兩電感在公共磁路中的磁通相互抵消,減少電感用鐵量,進而減小電感體積、重量。但是采用解耦集成不能改善濾波器的濾波特性；本發明的一種采用耦合電感的LCL濾波器，在減小濾波電感體積的同時，改善低頻濾波效果，并能解決耦合電感高頻段濾波效果變差的問題。
[0011]附圖1為采用常規LCL濾波器的通用電路結構。低頻時，因電容支路近似于開路，該電路的低頻等效電路如圖2所不。可以看出，低頻等效濾波電感為兩電感之和；聞頻時電容支路阻抗變小，聞頻諧波主要經由電容支路，故對聞頻的濾波能力變強，聞頻等效電路如附圖3所示。本發明的一種采用耦合電感的LCL濾波器，兩電感耦合且順向串聯，等效電路如附圖4所示，應用耦合電感的互感消去法可以將圖4所示的等效電路進一步簡化，如圖5所示，同樣道理，低頻時電容支路近似于開路，該電路的低頻等效電路如圖6所示。顯然，由于交流電壓側濾波電感和整流或逆變側濾波電感正向耦合，低頻段等效濾波電感值增大，有利于改善系統的低頻濾波效果；高頻時，電容支路不能忽略，等效電路如附圖7所示，而此時由于交流電壓側濾波電感和整流或逆變側濾波電感同向耦合，在電容支路增加一個等效負感，導致電容支路阻抗變大，不利于高頻諧波的衰減，導致系統在高頻段的濾波能力大幅下降，且不能通過增加電容來改善，因此，本發明通過加入抵消電感的方式，如附圖8所示，抵消掉電容支路產生的負感，從而降低電容支路等效阻抗，改善濾波效果，同時，由于電容支路流過的電流很小，所以抵消電感的制作上可以將體積、重量做的更小。本發明采用耦合電感的LCL濾波器，通過兩電感耦合集成可以減少用鐵量，減小電感體積，重量；同時，低頻段等效電感增大，可以減少用銅量。通過添加抵消電感抵消由于兩電感耦合而在電容之路產生的負感，可以解決高頻段濾波效果惡化的缺陷。
[0012]所述的采用耦合電感的LCL濾波器，其特征在于:上述電容支路內還包括阻尼電阻，阻尼電阻與濾波電容或/和電容支路串聯或并聯。阻尼電阻用于抑制LCL濾波器的諧振尖峰，有益于系統的穩定。
[0013]所述的采用耦合電感的LCL濾波器，其特征在于:所述抵消電感與交流電壓側濾波電感或/和整流或逆變側濾波電感為耦合電感或者獨立電感。
[0014]所述的采用耦合電感的LCL濾波器，其特征在于:濾波電容可以采用單電容，也可以采用多電容串并聯。
[0015]所述的采用耦合電感的LCL濾波器，其特征在于:所述交流電壓側濾波電感、整流或逆變側電感和抵消電感的磁芯采用鐵磁材料如硅鋼片、鐵氧體、微晶、超微晶、坡莫合金或鐵鈷鑰；。
[0016]所述的采用耦合電感的LCL濾波器，其特征在于:所述交流電壓側濾波電感、整流或逆變側電感和抵消電感繞組選用實心導線、Litz線、銅皮或者PCB繞組形式。
[0017]所述的采用耦合電感的LCL濾波器，其特征在于:交流電壓源可以為單相、三相或者多相，整流或逆變電路中整流電路可以采用橋式、半波、全波、倍壓或倍流整流濾波，逆變電路可以采用橋式、半波、單相、多相逆變電路。
[0018]利用η個采用耦合電感的LCL濾波器，應用于η相整流或逆變電路中。
【專利附圖】
【附圖說明】[0019]附圖1是常規LCL濾波器通用電路結構；
附圖2是常規LCL濾波器低頻等效電路；
附圖3是常規LCL濾波器聞頻等效電路；
附圖4是本發明的采用耦合電感的LCL濾波器電路結構；
附圖5是本發明的采用耦合電感的LCL濾波器采用互感消去法得到的等效電路；
附圖6是本發明的采用耦合電感的LCL濾波器在互感消去法基礎上得到的低頻等效電
路；
附圖7是本發明的采用耦合電感的LCL濾波器在互感消去法基礎上得到的高頻等效電
路；
附圖8是本發明的采用耦合電感的LCL濾波器添加抵消電感的等效電路；
附圖9是LCL濾波器兩電感同向耦合濾波特性仿真曲線；
附圖10是LCL濾波器單電感特性測試曲線；
附圖11是LCL濾波器同向耦合電感特性測試曲線；
附圖12是加入不同大小抵消電感效果仿真曲線；
附圖13加入抵消電感為0.4Μ實際測試曲線；
附圖14加入抵消電感為0.6Μ實際測試曲線；
附圖15是本發明示意圖；
圖中標號名稱:?一交流電壓源，％—整流或者逆變側等效電壓源，I一交流電壓源，2—交流電壓側濾波電感，3—整流或逆變側濾波電感，4一抵消電感，5—濾波電容，6—整流或逆變電路，7—阻尼電阻，M—交流電壓側濾波電感互感與整流或逆變側濾波電感的互感值，L/一濾波電答K 一阻尼電阻，Ia—抵消電感，η —表不η個LCL濾波器。
【具體實施方式】
[0020]為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及測試實例對本發明進一步說明。
[0021]LCL濾波器兩電感耦合且順向串聯方式如附圖4，采用互感消去法得到的等效電路如附圖5，低頻、高頻等效電路如附圖6、7。附圖9為兩電感無耦合與同相耦合不加抵消電感時的仿真幅頻特性圖，附圖10、11分別為為采用鐵氧體磁芯繞制的LCL兩電感無耦合和同向耦合實物，通過網絡分析儀測試得到的結果。其中繞制的交流電壓側電感I1 = VMmk，整流或逆變側電感馬=0.67mΑ,濾波電容?, = 2.2uF,阻尼電阻1? = 1Ω ;測試儀器選擇安捷倫一4395A網絡分析儀進行測試。附圖10為LCL無耦合情況下的測試結果，附圖11為兩電感耦合系數為0.06時的測試結果，與仿真結果相同。附圖10和附圖11中，在諧振峰值點以前，兩電感同向耦合幅頻曲線低于無耦合的幅頻曲線，耦合后的增益小于無耦合時的增益，LCL濾波器的等效電感增大。此時電容支路相當于開路，系統等效電感為I1 + ￡2 + 2M。但是，諧振峰值點之后，進入高頻，相比無耦合的LCL系統，LCL濾波器的增益變大，衰減率變小，濾除高頻諧波能力變差；附圖9的仿真結果和附圖11的測試結果均可以說明。
[0022]兩電感同相耦合的LCL濾波器，由附圖5等效電路可知，其等效電路會在電容支路上增加一個互感-M，進入高頻以后，由于耦合電感的存在，電容支路的阻抗依然很大，耦合的LCL濾波器衰減率只有_20db，相比兩電感無耦合時的LCL濾波器，系統高頻段的濾波能力變差；本發明提出了可以通過加入抵消電感La，抵消由于耦合產生的互感，減小電容支路在聞頻時的支路阻抗，可以解決聞頻段濾波能力裳減的缺點，添加抵消電感后的等效電路如附圖8。
[0023]附圖12的仿真結果可以看出，在兩電感同向耦合的LCL濾波器電容支路中加入抵消電感之后，當添加的抵消電感大于O且小于交流電壓側濾波電感2與整流或逆變側濾波電感3的耦合電感M時，隨著抵消電感的增大，兩電感同向耦合的LCL濾波器在高頻處增益逐漸減小，增益曲線逐漸接近無耦合的LCL濾波器的增益曲線。通過附圖13和附圖14的實際測試結果可以看到，當抵消電感La從0.4M上升到0.6M的過程中，諧振點之后的增益曲線逐漸下移，增益逐漸減小，高頻衰減能力增強。附圖12可以看到，繼續增大到當La=M時，同向耦合的LCL濾波器恢復無耦合時的LCL濾波特性，且系統增益小于無耦合時的LCL濾波器的高頻增益，濾波能力得到提升；當La大于M時，增益曲線繼續下降，超過了無耦合時的LCL濾波增益曲線，同時，系統會出現兩個諧振峰，該諧振峰由抵消后的互感剩余值與電容產生，在兩個諧振峰值間，系統對該范圍內的高頻諧波衰減率大于無耦合的LCL濾波器，隨著抵消電感值的增大，第二個諧振峰值點逐漸減小，第二諧振峰值點的出現容易導致系統不穩定。由附圖12 可以看出。
[0024]兩電感耦合且順向串聯的LCL濾波器，在低頻段等效電感增大；在高頻段，增加抵消電感小于耦合電感M時，隨著抵消電感的增大，系統在高頻處的增益逐漸減小，增益曲線逐漸向無耦合的LCL濾波器增益曲線靠攏，濾波能力得到改善；當增加的抵消電感等于M時，同向耦合的LCL濾波器恢復無耦合時的LCL濾波特性，且等效電感增大，在濾波能力方面優于無耦合的LCL濾波器。實現了本發明預期的采用耦合電感的LCL濾波器可以減小電感體積，同時改善了低頻段的濾波效果，通過添加抵消電感的方法解決高頻段濾波能力大幅減小的缺陷。
【權利要求】
1.一種采用耦合電感的LCL濾波器，連接于交流電壓源(I)與整流或逆變電路(6)之間，它包括交流電壓側濾波電感(2 )、整流或逆變側濾波電感(3 )和濾波電容(5 );其中交流電壓側濾波電感(2 )的輸入端與交流電壓源(I)相連，交流電壓側濾波電感(2 )與整流或逆變側濾波電感(3)耦合且順向串聯，整流或逆變側濾波電感(3)的輸出端與整流或逆變電路(6)橋臂中點相連；交流電壓側濾波電感(2)輸出端并聯電容支路，電容支路內串有所述濾波電容(5);其特征在于:上述電容支路內還串有抵消電感(4)。
2.根據權利要求1所述的采用耦合電感的LCL濾波器，其特征在于:上述電容支路內還包括阻尼電阻(7)，阻尼電阻(7)與濾波電容(5)或/和電容支路串聯或并聯。
3.根據權利要求1所述的采用耦合電感的LCL濾波器，其特征在于:所述抵消電感(4)與交流電壓側濾波電感(2)或/和整流或逆變側濾波電感(3)為耦合電感或者獨立電感。
4.根據權利要求1所述的采用耦合電感的LCL濾波器，其特征在于:所述濾波電容(5)為單電容，或多電容串并聯。
5.根據權利要求1所述的采用耦合電感的LCL濾波器，其特征在于:所述交流電壓側濾波電感(2 )、整流或逆變側電感(3 )和抵消電感(4)的磁芯采用硅鋼片、鐵氧體、微晶、超微晶、坡莫合金或鐵鈷釩。
6.根據權利要求1所述的采用耦合電感的LCL濾波器，其特征在于:所述交流電壓側濾波電感(2)、整流或逆變側電感(3)和抵消電感(4)繞組采用實心導線、Litz線、銅皮或者PCB繞組形式。
7.根據權利要求1所述的采用耦合電感的LCL濾波器，其特征在于:所述交流電壓源(I)為單相、三相或者多相，整流或逆變電路(6)中整流電路采用橋式、半波、全波、倍壓或倍流整流濾波，逆變電路采用橋式、半波、單相、多相逆變電路。
8.利用η個權利要求1所述的采用耦合電感的LCL濾波器，應用于η相整流或逆變電路中。
【文檔編號】H02M1/12GK103856176SQ201410088443
【公開日】2014年6月11日 申請日期:2014年3月12日 優先權日:2014年3月12日
【發明者】陳乾宏, 劉航 申請人:南京航空航天大學