一種可控濾波電路及電源變換器的制作方法
1.本發明涉及電力電子技術領域，更具體地說，涉及一種可控濾波電路及電源變換器。
背景技術：
2.電源變換器通常會用到濾波電容來濾除直流電中含有的交流成份，但由于電源變換器上電前濾波電容是無電荷無電壓的，故在上電瞬間濾波電容上會產生極大的充電電流，威脅系統的安全穩定運行。
3.以電源變換器包括對電網電壓進行整流濾波的電路結構為例，對上述內容進行舉例說明：如圖1所示，整流橋用于將輸入的交流電轉換為直流電，但整流橋輸出電壓中含有交流成份，故需要在整流橋輸出端并聯濾波電容e來將其濾除；由于在上電前濾波電容e是無電荷無電壓的，故在上電瞬間濾波電容e上會產生較大的沖擊電流。
技術實現要素：
4.有鑒于此，本發明提供一種可控濾波電路及電源變換器，以實現上電緩沖目的。
5.一種可控濾波電路，其中：
6.所述可控濾波電路包括濾波電容e和上電緩沖電路1，所述濾波電容e與所述上電緩沖電路1串聯連接；
7.所述上電緩沖電路1包括旁路開關s和限流電阻r，所述旁路開關s與所述限流電阻r并聯連接。
8.在一個實施例中，所述濾波電容e為一個獨立的電容元件；或者，所述濾波電容e為多個電容元件的串聯組合、并聯組合或串并聯組合。
9.在一個實施例中，所述濾波電容e包括第一電容元件e1和第二電容元件e2，所述第一電容元件e1與第二電容元件e2串聯連接或者并聯連接。
10.在一個實施例中，當所述第一電容元件e1與第二電容元件e2串聯連接時，所述可控濾波電路還包括：第一均壓電阻r1和第二均壓電阻r2，第一均壓電阻r1與第一電容元件e1并聯連接，第二均壓電阻r2與第二電容元件e2并聯連接。
11.在一個實施例中，所述旁路開關s為雙向可控電子開關或者觸點開關。
12.在一個實施例中，所述雙向可控電子開關為雙向可控硅，其中：所述雙向可控硅的一端作為所述雙向可控電子開關的一端，所述雙向可控硅的另一端作為所述雙向可控電子開關的另一端；
13.或者，所述雙向可控電子開關包括全橋整流電路和開關管q7，其中：所述全橋整流電路包括第一二極管d1、第二二極管d2、第三二極管d3、第四二極管d4，開關管q7的電能輸入端與第一二極管d1的陰極以及第二二極管d2的陰極電連接，開關管q7的電能輸出端與第三二極管d3的陽極以及第四二極管d4的陽極電連接，第二二極管d2的陽極與第四二極管d4的陰極電連接后作為所述雙向可控電子開關的一端，第一二極管d1的陽極與第三二極管d3
的陰極電連接后作為所述雙向可控電子開關的另一端；
14.或者，所述雙向可控電子開關包括第一開關管q8和第二開關管q9，第一開關管q8的電能輸出端與第二開關管q9的電能輸出端電連接，第一開關管q8的電能輸入端作為所述雙向可控電子開關的一端，第二開關管q9的電能輸入端作為所述雙向可控電子開關的另一端。
15.一種電源變換器，包括主電路和控制單元，所述主電路包括如上述公開的任一種可控濾波電路；所述可控濾波電路能夠與直流電源電連接；所述控制單元輸出端至少與所述可控濾波電路的旁路開關的控制端電連接；
16.所述控制單元用于在所述可控濾波電路接入到所述直流電源前，保持所述旁路開關斷開；在所述可控濾波電路接入到所述直流電源的狀態持續時間超過第一時間時，控制所述旁路開關導通。
17.在一個實施例中，所述主電路還包括整流橋，所述整流橋為所述直流電源；所述主電路還包括逆變橋；
18.所述可控濾波電路的一端與所述整流橋高電位輸出端電連接，所述可控濾波電路的另一端與所述整流橋低電位輸出端電連接，所述逆變橋輸入端與所述整流橋輸出端電連接；所述控制單元輸出端還與所述逆變橋的控制端電連接，用于控制所述逆變橋工作；所述逆變橋能夠與空調壓縮機輸入端電連接，用于控制所述空調壓縮機工作。
19.或者，所述主電路還包括：逆變橋；所述可控濾波電路并聯在所述直流電源的輸出端，所述逆變橋輸入端與所述直流電源輸出端電連接。
20.或者，所述主電路包括可控濾波電路和開關電源；
21.所述可控濾波電路并聯在所述直流電源的輸出端，所述開關電源輸入端與所述直流電源輸出端電連接；所述開關電源輸出端與負載電路或者負載電連接。
22.從上述的技術方案可以看出，本發明提供的可控濾波電路或者電源變換器在上電瞬間保持旁路開關s斷開，此時直流輸出電壓瞬間全部施加在限流電阻r上并開始對濾波電容e充電，濾波電容e上電壓逐漸升高，濾波電容e充電電流被限流電阻r限制在安全范圍內；待濾波電容e基本完成充電或充滿電后再閉合旁路開關s來將限流電阻r旁路掉，由于此時濾波電容e上已有電壓，故限流電阻r被旁路后濾波電容e充電電流也仍然處在安全范圍內，這樣就實現了上電緩沖目的。
附圖說明
23.為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。
24.圖1為現有技術公開的一種對電網電壓進行整流濾波的電路原理圖；
25.圖2為本發明實施例公開的一種可控濾波電路原理圖；
26.圖3為圖2所示方案中旁路開關斷開時的濾波電容充電電流流通路徑示意圖；
27.圖4為本發明實施例公開的又一種可控濾波電路原理圖；
28.圖5為本發明實施例公開的又一種可控濾波電路原理圖；
29.圖6為圖4所示可控濾波電路采用雙向可控硅作為旁路開關時的原理圖；
30.圖7為應用于可控濾波電路采用一全橋整流電路與一開關管的組合作為旁路開關時的原理圖；
31.圖8為應用于可控濾波電路采用兩個開關管的組合作為旁路開關時的原理圖；
32.圖9為在任意兩相交流輸入上各串聯一個上電緩沖電路的原理圖；
33.圖10為本發明實施例公開的一種電源變換器原理圖，具體為采用圖5所示方案的三相供電變頻器電路原理圖；
34.圖11為本發明實施例公開的又一種電源變換器原理圖；
35.圖12為本發明實施例公開的又一種電源變換器原理圖。
具體實施方式
36.為了引用和清楚起見，下文中使用的技術名詞、簡寫或縮寫總結如下：
37.mcu：micro control unit，微控制單元；
38.ptc：positive temperature coefficient，正溫度系數；
39.mosfet：metal-oxide-semiconductor field-effect transistor，金屬氧化物半導體場效應晶體管；
40.igbt：insulated gate bipolar transistor，絕緣柵雙極晶體管。
41.下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。
42.如圖1所示，整流橋用于將輸入的交流電轉換為直流電，但整流橋輸出電壓中含有交流成份，故需要在整流橋輸出端并聯濾波電容e來將其濾除；由于在上電前濾波電容e是無電荷無電壓的，故在上電瞬間濾波電容e上會產生較大的沖擊電流，且該沖擊電流理論上非常大，不僅會給電網帶來極大沖擊或者跳閘，而且還有可能損壞整流橋、誤斷熔絲或電路連接。基于此，參見圖2，本發明實施例公開了一種可控濾波電路，其中：
43.所述可控濾波電路包括濾波電容e和上電緩沖電路1，濾波電容e與上電緩沖電路1串聯連接；
44.上電緩沖電路1包括旁路開關s和限流電阻r，旁路開關s與限流電阻r并聯連接。
45.在實際使用中，可控濾波電路安裝于電源變換器內部某一路直流電壓輸出端，當然也可以接入到外部電壓源輸出端，該輸出端電壓較高、電壓紋波較大，需要安裝濾波電容進行濾波；此處的電壓紋波既可以指直流電壓輸出端的輸出電壓紋波，也可以指負載對直流電壓產生影響造成的輸入電壓紋波。該路直流電壓輸出端具體為何種電路的輸出端需根據電源變換器的電路結構確定。比如說，當電源變換器包括對電網電壓進行整流濾波的電路結構(對電網電壓進行整流濾波后輸出的直流電可作為變頻空調、電動汽車充電器、高頻電焊機、電解電鍍電源、通信電源等中大功率電器的直流電源)時，可控濾波電路可并聯在整流橋的輸出端(即所述可控濾波電路的一端即高電位端與整流橋的高電位輸出端dc+電連接，所述可控濾波電路的另一端即低電位端與所述整流橋的低電位輸出端dc-電連接)，整流橋后的輸出電壓往往電壓較高且電壓紋波較大。又比如說，該可控濾波電路還可以運
用在電動汽車等高電壓蓄電池供給電機變頻器的直流電源輸出場合；對于大功率負載，所需蓄電池的輸出電壓較高，且負載可能會造成輸入電壓紋波。
46.本發明實施例通過為濾波電容e串聯一個上電緩沖電路1后再并聯接入電源變換器內部某一路直流電壓輸出端，該輸出端電壓較高、電壓紋波較大，實現了上電緩沖目的，其工作原理如下：
47.在上電前，保持旁路開關s處于斷開狀態，此時相當于濾波電容e與限流電阻r串聯后再并聯接在該路直流電壓輸出端，濾波電容e上無電荷無電壓。在上電后的短時間內比如第一時間內，維持旁路開關s的斷開狀態不變，直流輸出電壓瞬間幾乎全部施加在限流電阻r和濾波電容e上并開始對濾波電容e充電(濾波電容e充電電流流通路徑如圖3中帶箭頭的虛線所示)；而在第一時間內，隨著充電時間的累積，濾波電容e上電荷逐漸增多、濾波電容e上電壓逐漸升高，限流電阻r上電壓逐漸降低；濾波電容e充電回路上因有限流電阻r的緩沖，所以不會產生極大的充電電流，即濾波電容e充電電流被限流電阻r限制在安全范圍內。上電且經過第一時間后，濾波電容e充滿電或基本充滿電，此時，閉合旁路開關s來將限流電阻r旁路掉，限流電阻r被旁路后濾波電容e直接并聯在該路直流電壓輸出端，但由于此時濾波電容e上已有電壓，故濾波電容e充電電流也仍然處在安全范圍內，從而實現了上電緩沖目的。在實現上電緩沖目的后，就可以啟動后級電路工作，限流電阻r由于已被旁路所以不會在后級電路工作過程中產生額外的功率損耗。旁路開關s為雙向可控開關，其開關狀態受控制單元例如mcu控制。其中，所述第一時間可以是秒級，具體時長由直流電壓、濾波電容大小和限流電阻阻值有關，只需滿足第一時間時長內，直流電壓能夠對濾波電容基本完成或者完成充電即可。
48.綜上，本發明實施例在上電瞬間保持旁路開關s斷開，此時直流輸出電壓瞬間幾乎全部施加在限流電阻r上并開始對濾波電容e充電；第一時間內，濾波電容e上電壓逐漸升高，濾波電容e充電電流被限流電阻r限制在安全范圍內。在第一時間或待濾波電容e充滿電后再閉合旁路開關s來將限流電阻r旁路掉，由于此時濾波電容e上已有電壓，故限流電阻r被旁路后濾波電容e充電電流也仍然處在安全范圍內，這樣就實現了上電緩沖目的。且在第一時間或者濾波電容e充滿電后，濾波電容e上的平均電壓保持在一個相對穩定的范圍，在濾波過程中充電電荷與放電電荷保持相對平衡，即流過旁路開關s的電流僅為電容器e的交流紋波電流分量而并非主電路上的全部電流，如此可以降低對旁路開關s的選型要求，進一步能夠降低成本。
49.在上述公開的任一實施例中，濾波電容e可以為一個獨立的電容元件，也可以為多個電容元件的串聯組合、并聯組合或串并聯組合。圖2僅以濾波電容e為兩個電容元件e1、e2的串聯組合作為示例，例如在三相ac380v供電整流時，一般可以選擇兩個400v左右耐壓的電解電容串聯工作。圖4僅以濾波電容e為兩個電容元件e1、e2的并聯組合作為示例，例如在單相ac220v供電整流，并且后級電路要求的直流母線電壓為300多伏特時，一般可以選擇兩個400～450v耐壓的電解電容并聯工作。
50.當濾波電容e為多個電容元件的串聯組合或串并聯組合時，濾波電容e上還可以配置均壓電阻。例如圖5所示，濾波電容e為兩個電容元件e1、e2的串聯組合，電容元件e1上并聯一個均壓電阻r1，電容元件e2上并聯一個均壓電阻r2。均壓電阻的作用是實現相串聯的各電容元件的電壓相等，從而避免個別電容元件上電壓承擔過高電壓而造成電容元件過壓
損壞。
51.在上述公開的任一實施例中，限流電阻r可以為一個獨立的電阻元件，也可以為多個電阻元件的串聯組合、并聯組合或串并聯組合。圖2～圖5僅以限流電阻r為一個獨立的電阻元件作為示例。另外，限流電阻r的類型推薦采用功率電阻或ptc電阻，但并不局限。
52.在上述公開的任一實施例中，旁路開關s可以是雙向可控電子開關或者觸點開關等，并不局限。所述觸點開關例如為繼電器。
53.所述雙向可控電子開關例如為雙向可控硅，例如圖6所示：所述雙向可控硅的一端作為所述雙向可控電子開關的一端，所述雙向可控硅的另一端作為所述雙向可控電子開關的另一端。
54.或者，所述雙向可控電子開關也可以由一全橋整流電路與一開關管q7組合得到，例如圖7所示：所述全橋整流電路包括第一二極管d1、第二二極管d2、第三二極管d3、第四二極管d4，開關管q7的電能輸入端與第一二極管d1的陰極以及第二二極管d2的陰極電連接，開關管q7的電能輸出端與第三二極管d3的陽極以及第四二極管d4的陽極電連接，第二二極管d2的陽極與第四二極管d4的陰極電連接后作為所述雙向可控電子開關的一端，第一二極管d1的陽極與第三二極管d3的陰極電連接后作為所述雙向可控電子開關的另一端；圖7通過該全橋整流電路，使單向的開關管q7實現雙向通斷；開關管q7開通時，旁路開關s開通；開關管q7關斷時，旁路開關s關斷。
55.或者，所述雙向可控電子開關也可以為第一開關管q8與第二開關管q9的串聯組合，例如圖8所示：第一開關管q8的電能輸出端與第二開關管q9的電能輸出端電連接，第一開關管q8的電能輸入端作為所述雙向可控電子開關的一端，第二開關管q9的電能輸入端作為所述雙向可控電子開關的另一端；q8與q9均開通時，旁路開關s開通；q8與q9均關斷時，旁路開關s關斷。
56.上述公開的任一實施例中所指的開關管可以是mosfet也可以是帶反并聯二極管的igbt等，其中，反并聯二極管可以是igbt自帶的，也可以是外接的，并不局限。當開關管為mosfet時，開關管的電能輸入端為mosfet的漏極，開關管的電能輸出端為mosfet的源極；當開關管為帶反并聯二極管的igbt時，開關管的電能輸入端為帶反并聯二極管的igbt的集電極，開關管的電能輸出端為帶反并聯二極管的igbt的發射極。
57.在上述公開的任一實施例中，上述的電壓較高且電壓紋波較大的直流電壓輸出端可以是整流橋輸出端，具體的，整流橋可以為三相整流橋或單相整流橋，對應的輸入電源是三相交流電源或單相交流電源；上述直流電壓輸出端也可以是某直流電源輸出端，比如蓄電池、光伏電源等的輸出端，并不局限。需要特別指出的是，上述公開的任一實施例接在三相整流橋輸出端時優勢更加明顯，這是因為三相整流后的直流分量很高，流經濾波電容的充、放電電流遠小于主回路電流，所以同樣電流容量的旁路開關s可以帶動數倍主回路電流的大功率電器。當然，當運用在直流電源輸入端時，也具有優點：流經濾波電容的充、放電電流遠小于主回路電流，所以同樣電流容量的旁路開關s可以帶動數倍主回路電流的大功率電器。
58.圖9為在任意兩相交流輸入上各串聯一個上電緩沖電路的原理圖。區別于上述公開的任一實施例，圖9中的上電緩沖電路包括開關k1、電阻r1和開關k2，開關k1與電阻r1串聯后再與開關k2并聯，在上電瞬間k1閉合且k2斷開，待濾波電容e充滿電或基本充滿電后讓
k1斷開且k2閉合，從而實現上電緩沖目的。圖9中的上電緩沖電路串聯在主回路上，主回路電流遠大于濾波電容e支路上的電流，所以相比上述公開的任一實施例接在三相整流橋輸出端時，圖9中的上電緩沖電路內各器件容量規格要求更高，成本更高。另外，相比上述公開的任一實施例接在三相整流橋輸出端時，圖9中使用的上電緩沖電路的數量更多、電路結構也更復雜，這進一步增加了成本。可見，上述公開的任一實施例相比于圖9所示電路至少具有如下優勢：上電緩沖電路數量少，電路簡單，成本低。
59.此外，本發明實施例還公開了一種電源變換器，包括：主電路和控制單元(例如mcu)，所述主電路包括如上述公開的任一種可控濾波電路(圖9除外)。
60.例如，如圖10所示，所述主電路a1包括可控濾波電路和逆變橋，直流電源a2包括整流橋，主電路與整流橋輸出端電連接；具體的，所述可控濾波電路并聯在所述整流橋的輸出端，所述逆變橋輸入端與整流橋輸出端電聯連接。此時所述電源變換器可作為三相供電變頻器。
61.圖10為采用圖5所示方案的三相供電變頻器電路原理圖。圖10中的q1～q6六個igbt構成三相逆變橋，輸出u、v、w三相spwm或svpwm驅動變頻交流或永磁直流電機實現無級調速。電流采樣與三相l1～l3輸入的ac電壓信號、過零信號、相位相序信號一起提供給mcu綜合處理，mcu實現對旁路開關s以及三相逆變橋的三個半橋驅動的智能變頻控制，具體的mcu對旁路開關s的處理過程可以是：在可控濾波電路接入到直流電源前，保持所述旁路開關斷開；在所述可控濾波電路接入到所述直流電源的狀態持續時間超過第一時間時，控制所述旁路開關導通。本實施例中，可控濾波電路接入直流電源具體可以指整個電源變換器接入三相輸入電源通電，通電時，整流橋輸出帶有紋波的高電壓，利用該可控濾波電路即可實現濾波及上電緩沖。逆變橋輸出端可以連接空調壓縮機，用于驅動空調壓縮機，濾波電容e1可以是容值較小(相對于電解電容)的薄膜電容。
62.或者，如圖11所示，所述主電路包括可控濾波電路和逆變橋；主電路可以與直流電源(例如光伏電池板、蓄電池、整流橋等)電連接；具體的，所述可控濾波電路并聯在所述直流電源的輸出端，所述逆變橋輸入端與直流電源輸出端電連接。此時，所述可控濾波電路用于濾除逆變橋輸入電壓中的交流分量。
63.或者，如圖12所示，所述主電路包括可控濾波電路和開關電源；主電路可以和直流電源(例如光伏電池板、蓄電池或者整流橋)電連接；具體的，所述可控濾波電路并聯在所述直流電源的輸出端，所述開關電源輸入端與直流電源輸出端電連接；開關電源后面連接負載或負載電路。其中，負載電路可以包括負載驅動電路，具體的，可以是電機驅動電路(比如逆變橋)、電動汽車電加熱電路等，適用于空調壓縮機驅動、無軌電車驅動、電動汽車電加熱技術、電動汽車驅動等領域。開關電源后面還可以直接接負載，比如直流電機等，本技術對此不做限定。此時，電源變換器相當于增設了可控濾波電路的dc/dc變壓器，所述可控濾波電路用于濾除開關電源輸入電壓中的交流分量。當用于蓄電池等儲能電源時，還可以彌補接入過長的電源線(會產生等效電感)帶來的輸入紋波的影響，有利于提高電源變換器的穩定性。
64.本說明書中各個實施例采用遞進的方式描述，每個實施例重點說明的都是與其他實施例的不同之處，各個實施例之間相同相似部分互相參見即可。
65.對所公開的實施例的上述說明，使本領域專業技術人員能夠實現或使用本發明。
對這些實施例的多種修改對本領域的專業技術人員來說將是顯而易見的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本發明實施例的精神或范圍的情況下，在其它實施例中實現。因此，本發明實施例將不會被限制于本文所示的這些實施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點相一致的最寬的范圍。
