專利名稱：旁路電感電流紋波的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電源領(lǐng)域，尤其涉及開關(guān)電源領(lǐng)域。
目前，隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，高效率、高可靠和小體積、輕重量的高頻開關(guān)電源及其技術(shù)得到廣泛應(yīng)用，特別是在通信電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和制造方面占據(jù)了絕對的統(tǒng)治地位。任何事物的發(fā)展都有它的兩面性，技術(shù)的發(fā)展也不例外，大量高頻開關(guān)技術(shù)在通信電源系統(tǒng)中普及應(yīng)用，使得開關(guān)電源系統(tǒng)內(nèi)固有的含有豐富諧波分量的高頻諧波電流串入輸入供電電網(wǎng)和輸出負(fù)載上，形成干擾，造成所謂的諧波污染，嚴(yán)重影響供電電源的供電質(zhì)量和負(fù)載的正常運(yùn)作。在綠色環(huán)保概念逐漸深入人心的今天，如何降低開關(guān)電源內(nèi)部產(chǎn)生的高頻開關(guān)電流的諧波含量，如何濾除阻擋高頻諧波電流分量的外泄，以防止高頻諧波電流對電網(wǎng)和負(fù)載造成干擾，逐漸得到人們越來越多的重視。同時(shí)，國際和國內(nèi)都頒布了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，對開關(guān)電源裝置的諧波及其所造成的干擾包括傳導(dǎo)和輻射，提出了越來越高的要求。事實(shí)上，現(xiàn)在的開關(guān)電源的設(shè)計(jì)中都包含了一個(gè)重要的部分，即輸入輸出濾波器的設(shè)計(jì)。比如在降壓型(BUCK)的直直變換器中，為把輸入電流由含有豐富諧波分量的脈沖電流改變?yōu)橹C波分量較小的連續(xù)直流，在直流供電電源和降壓型(BUCK)變換器之間插入了一無源低通二階的LC濾波器，如

圖1中所示的輸入電感L1和輸入電容C1，它可以看成一個(gè)儲能網(wǎng)絡(luò)，向直直變換器提供較大的瞬時(shí)能量，以達(dá)到平滑輸入電流的目的。為加強(qiáng)濾波效果，要求電感和電容都具有較大的容量，這就增加了濾波器的體積和重量，減小了整機(jī)的功率密度，濾波器的成本也相應(yīng)提高。另外，較大的輸入電感和電容對閉環(huán)控制的直直變換器系統(tǒng)的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)會帶來麻煩，容易引起系統(tǒng)不穩(wěn)定。同時(shí)，閉環(huán)系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)指標(biāo)也受到一定程度的影響。在圖2中所示的降壓型(BUCK)的直直變換器中，電感L2和電容C2組成了低通二階LC輸出濾波器，在要求低輸出電壓紋波的場合，特別是在通信電源系統(tǒng)中，為降低輸出電壓的紋波，使輸出電壓符合各項(xiàng)雜音指標(biāo)，要求輸出濾波器的電感和電容都具有較大的容量，同樣增加了濾波器的體積和重量，減小了整機(jī)的功率密度，濾波器的成本也相應(yīng)提高。另外，較大的輸出電感和電容對閉環(huán)控制的直直變換器系統(tǒng)的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)也會帶來麻煩，容易引起系統(tǒng)不穩(wěn)定。同時(shí)，閉環(huán)系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)指標(biāo)也受到一定程度的影響。在圖2所示的帶功率因數(shù)校正(PFC-power factor corrector)級交流—直流高頻開關(guān)整流器中，其前級變換電路一般都是升壓型(BOOST)的直直變換器，流過升壓電感L2中的電流除了含有輸入電源VIN的基波分量外，還有一定大小的反映變換器開關(guān)頻率的高頻分量，此高頻分量的大小完全取決于升壓電感L2的大小。為濾除此高頻分量串入輸入電源VIN，一般在供電電源和升壓型(BOOST)變換器之間插入了一無源低通二階的LC濾波器，如圖中的輸入電感L1和輸入電容C1。特別是在出于設(shè)計(jì)方面的一些考慮，要求升壓電感L2取值較小的場合，更需要在升壓型(BOOST)的直直變換器前置低通輸入濾波器，以消除高頻開關(guān)電流對輸入電源VIN的影響。同理輸入濾波器的設(shè)計(jì)對整機(jī)的功率密度，成本和閉環(huán)控制性能都會產(chǎn)生一定的影響。
本發(fā)明的目的在于提供一種電感量或電容量小、整機(jī)體積小、重量輕、成本低廉和閉環(huán)控制性能好的旁路電感電流紋波的裝置，以克服現(xiàn)有的旁路電感電流紋波裝置中輸入輸出濾波器電感量或電容量大、整機(jī)體積和重量過大、成本高以及閉環(huán)控制性能差的缺點(diǎn)。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明構(gòu)造了一種旁路電感電流紋波裝置，包括儲能電感L和直直功率變換拓?fù)潆娐罚涮卣髟谟?，在所述的儲能電感上L的磁芯上還包括一組線圈NP，該線圈與所述儲能電感上L磁芯上的原電感線圈NS的匝數(shù)分別為NP和NS，兩組線圈之間緊密耦合，兩組線圈的同名端相連，其相連點(diǎn)與所述的直直功率變換拓?fù)潆娐废噙B；所述線圈NP儲的非同名端與電感Lext的一端相連；所述電感Lext的另一端與電容C的一端相連；所述電容C的另一端接開關(guān)電源內(nèi)部的參考地。
在本發(fā)明所述的裝置中，通過儲能電感的新增線圈NP與外加的電感Lext、外加電容C相串聯(lián)構(gòu)成的旁路儲能電感上高頻開關(guān)諧波電流支路，可以明顯地減少開關(guān)電源內(nèi)部產(chǎn)生的高頻開關(guān)諧波電流的外泄，降低整機(jī)對供電電網(wǎng)和負(fù)載的干擾。同時(shí)，電源內(nèi)的輸入輸出濾波器的設(shè)計(jì)更為簡化，濾波電感的電感量和濾波電容的電容量也可以減小或去除，從而降低了整機(jī)的體積重量，節(jié)省了輸入輸出濾波器的成本，便于整機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，提高了整機(jī)的動態(tài)響應(yīng)指標(biāo)。
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明圖1是現(xiàn)有技術(shù)中的降壓型(BUCK)直直變換器；圖2是現(xiàn)有技術(shù)中的升壓型(BOOST)直直變換器；圖3是本發(fā)明所構(gòu)造的旁路電感電流紋波裝置示意圖；圖4是本發(fā)明在降壓型(BUCK)的直直變換器上的實(shí)施例結(jié)構(gòu)圖；圖5是本發(fā)明在升壓型(BOOST)的直直變換器上的實(shí)施例結(jié)構(gòu)圖。
圖1和圖2是現(xiàn)有技術(shù)中所采用的降壓型(BUCK)和升壓型(BOOST)直直變換器，如前所述，要使輸入和輸出部分取得較好的濾波效果，防止開關(guān)電源內(nèi)部的高頻諧波電流分量對供電電源和負(fù)載造成干擾，要求低通LC濾波器的電感和電容都具有較大的容量，這就增加了濾波器的體積和重量，減小了整機(jī)的功率密度，濾波器的成本也相應(yīng)提高。另外，較大的電感和電容對閉環(huán)控制的直直變換器系統(tǒng)的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)會帶來麻煩，容易引起系統(tǒng)不穩(wěn)定，整機(jī)閉環(huán)系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)指標(biāo)也受到一定程度的影響。
圖3是本發(fā)明所構(gòu)造的旁路電感電流紋波裝置結(jié)構(gòu)圖，眾所周知，開關(guān)電源內(nèi)部的輸入和輸出一般都有儲能電感，流過電感上的電流包括產(chǎn)生有效功率的基波分量和外泄的高頻開關(guān)諧波電流分量，本發(fā)明所述裝置的目的就是將電感電流的有效基波分量和高頻開關(guān)諧波電流分量分離開，將高頻開關(guān)諧波電流分量在開關(guān)電源內(nèi)部短路，外泄到開關(guān)電源外部的供電電源和負(fù)載上的就只有電感電流的有效基波分量了，從而濾除或阻擋開關(guān)電源內(nèi)部產(chǎn)生的高頻開關(guān)諧波電流。本發(fā)明的具體做法是在原儲能電感L的磁芯上再增加一組線圈，此線圈與原電感線圈繞組的匝數(shù)分別為NP和NS，兩組線圈之間緊密耦合，兩組線圈的同名端相連，其相連點(diǎn)與直直功率變換的內(nèi)部拓?fù)潆娐废嘟?。儲能電感新增線圈的非同名端與一外加的小電感Lext的一端相連，電感Lext的另一端與一外加電容C的一端相連，電容C的另一端接開關(guān)電源內(nèi)部的參考地。儲能電感的新增線圈與外加的電感Lext、外加電容C相串聯(lián)構(gòu)成了旁路儲能電感上高頻開關(guān)諧波電流的支路。本發(fā)明所述的旁路儲能電感上高頻開關(guān)諧波電流的支路上各器件的參數(shù)關(guān)系如下Lext=Lc(NsNp-1)]]>其中Lext是外加小電感的電感量。
Lc是儲能電感L相對于新增線圈側(cè)(NP繞組)的激磁電感，近似于從新增線圈側(cè)測得的儲能電感的電感壓型(BOOST)的直直變換器上的應(yīng)用實(shí)施例電路圖。
采用上述圖3所構(gòu)造的方案后，儲能電感L新增線圈側(cè)(NP繞組)將旁路掉儲能電感L的高頻諧波電流分量，儲能電感L的原有線圈側(cè)(NS繞組)僅流過儲能電感L的基波有效分量，從而達(dá)到濾除或阻擋開關(guān)電源內(nèi)部產(chǎn)生的高頻開關(guān)諧波電流的目的。
圖4和圖5是本發(fā)明在降壓型(BUCK)和升壓型(BOOST)的直直變換器上實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)圖。儲能電感L1的Np1繞組、電感Lext1和電容C3，分別對應(yīng)于圖3發(fā)明示意圖中的儲能電感L的Np繞組、電感Lext和電容C。輸入低通濾波器中的電感L1和電容C1與圖1中對應(yīng)的輸入低通濾波器的電感和電容相比，其電感量和電容量都可以減小，但是流入供電電源Vin中的電流，即輸入電感L1的Ns1繞組側(cè)的電流只有輸入電感L1電流的有效基波分量，降壓型(BUCK)直直變換器內(nèi)部所需的高頻諧波電流分量則由輸入電感L1的Np1繞組側(cè)，即輸入電感L1的高頻諧波電流的旁路支路(包括電感L1的Np1繞組、電感Lext1和電容C3)來提供，所以小的輸入濾波電感和電容同樣可以很好地濾除了降壓型(BUCK)直直變換器內(nèi)部的高頻諧波電流對供電電源造成的諧波污染，起到比圖1中的輸入濾波器更好地輸入濾波效果。同樣，在降壓型(BUCK)直直變換器地輸出濾波部分用帶有高頻諧波電流旁路支路的電感L2替換圖1中對應(yīng)的輸出濾波電感，其高頻諧波電流的旁路支路包括電感L2的Np2繞組、電感Lext2和電容C4，分別對應(yīng)于圖3發(fā)明示意圖中的電感L的Np繞組、電感Lext和電容C。替換后，輸出濾波電感L2上的高頻諧波電流通過其旁路支路(包括電感L2的Np2繞組、電感Lext2和電容C4)，輸出濾波電感L2上的基波電流有效分量，即輸出濾波電感L2的Ns2繞組側(cè)的電流通過負(fù)載，產(chǎn)生有效輸出。所以圖4中輸出低通濾波器的電感L2和電容C2與圖1中對應(yīng)的輸出低通濾波器的電感和電容相比，其電感量和電容量可以大幅減小，但是其輸出濾波效果卻比圖1中原有輸出濾波技術(shù)的濾波效果更好，消除了降壓型(BUCK)直直變換器內(nèi)部的高頻諧波電流對負(fù)載的干擾。
如圖5，升壓型(BOOST)的直直變換器的升壓電感L2用帶有高頻諧波電流旁路支路的電感替換后，其高頻諧波電流的旁路支路包括電感L2的Np2繞組、電感Lext1和電容C3，分別對應(yīng)于圖3發(fā)明示意圖中的電感L的Np繞組、電感Lext和電容C。升壓電感L2上的高頻諧波電流通過其旁路支路(包括電感L2的Np2繞組、電感Lext1和電容C3)，升壓電感L2上的基波電流有效分量，即升壓電感L2的Ns2繞組側(cè)的電流通過供電電源Vin，消除了升壓型(BOOST)的直直變換器內(nèi)部的高頻諧波電流對供電電源造成的諧波污染。所以圖5中升壓電感L2與圖2中對應(yīng)的升壓電感相比，其電感量可以減小，同時(shí)圖5與圖2相比，其輸入低通濾波器(包括圖2中的電感L1和電容C1)可以省去，但是其輸入濾波效果并不減弱。
本發(fā)明所公開的一種旁路電感電流紋波的裝置，可以普遍應(yīng)用于開關(guān)電源系統(tǒng)中，特別是在要求儲能電感的電感量較小的場合，能很好地旁路電感上的高頻諧波電流分量，使之不外泄到開關(guān)電源外部，對供電電源和負(fù)載造成干擾，同時(shí)又能減少輸入輸出濾波器的體積重量，降低整機(jī)成本，提高整機(jī)的閉環(huán)動態(tài)響應(yīng)性能指標(biāo)。
權(quán)利要求
1.一種旁路電感電流紋波的裝置，包括儲能電感L和直直功率變換拓?fù)潆娐?，其特征在于，在所述的儲能電感上L的磁芯上還包括一組線圈NP，該線圈NP與所述儲能電感上L磁芯上的原電感線圈NS的匝數(shù)分別為NP和NS，兩組線圈之間耦合，兩組線圈的同名端相連，其相連點(diǎn)與所述的直直功率變換拓?fù)潆娐废噙B；所述線圈NP的非同名端與電感Lext的一端相連；所述電感Lext的另一端與電容C的一端相連；所述電容C的另一端接開關(guān)電源內(nèi)部的參考地。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的旁路電感電流紋波的裝置，其特征在于，所述各器件的參數(shù)滿足下述公式Lext=Lc(NsNp-1)]]>其中Lext是外加小電感的電感量；Lc是儲能電感L相對于新增線圈側(cè)(NP繞組)的激磁電感。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的旁路電感電流紋波的裝置，其特征在于，線圈NP和NS之間的耦合為緊密型耦合。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種開關(guān)電源領(lǐng)域中的旁路電感電流紋波裝置,包括儲能電感L和直直功率變換拓?fù)潆娐?還包括一組線圈Np,與儲能電感上L磁芯上的原電感線圈Ns相耦合,且同名端相連,連接點(diǎn)與直直功率變換拓?fù)潆娐废噙B;線圈Np的非同名端與電感Lext相連;電感Lext另一端與電容C相連;電容C另一端接開關(guān)電源內(nèi)部參考地。本發(fā)明克服了現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn),達(dá)到了電感量或電容量小、整機(jī)體積小、重量輕、成本低廉和閉環(huán)控制性能好的效果。
文檔編號H02M1/14GK1360391SQ0012793
公開日2002年7月24日 申請日期2000年12月19日 優(yōu)先權(quán)日2000年12月19日
發(fā)明者周建平 申請人:深圳市中興通訊股份有限公司