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双模扼流圈教旧逆变器新技巧

时间:2019-03-15 08:59来源:基美电子 作者:Michael Freitag 点击:
小逆变器有大需求
发电和用电方式的重大变化——例如对可再生能源的依赖增加、工业和家用电器转用高效变速驱动器以及混动或电动汽车的采用——促使电子逆变器的使用不断增加——我们可以通过控制它来获取所需电压和频率的交流电。
 
以可再生能源为例,电力公司的策略正在向分布式发电的方向发展,并且微型发电机可以在网络中的多个点向电网馈电。它们对于在消费或农业和轻工商业/工业场所部署小型非并网发电机也很感兴趣。这些应用需要使用小尺寸、低成本的电子功率调节,从而将风力涡轮机带有丰富谐波且不稳定的输出或光伏板阵列不断变化的直流输出首先转换成经由电容器稳定的高压直流电,然后将其输入到逆变器,以便产生适合馈入到电网的频率一致的交流波形。
 
同样,在混动/电动车或电机驱动器中,使用逻辑或软件命令不断调整变频器的输出频率是控制电机速度的关键,而小尺寸、轻重量和经济性是确保市场增长的关键。
 
工作原理和噪声源
图1所示的桥式逆变器等逆变器通过依次开关两个桥臂中的上下功率开关来使通过负载的电流方向发生改变。功率开关可以是绝缘栅双极型晶体管(IGBT)或超级结MOSFET,或者在高端应用中(例如高档电动汽车或需要极高能效的地方)也可以采用宽带隙器件,例如碳化硅(SiC)MOSFET。每个栅极可以通过使用脉宽调制(PWM)信号相对于所有其他栅极而依次控制。
 

图1.简单的单相全桥逆变器。
 
如果电源开关是IGBT,则加到每个栅极的PWM信号的频率通常约为20kHz。MOSFET可以在高达几百kHz的更高频率下工作。在任何一种情况下,快速开关都会使晶体管两端的电压发生突变,从而产生含有频率为开关频率谐波的高频噪声的振荡。在风力或太阳能发电机所用基于IGBT的逆变器中,噪声信号的频率可以高达1MHz或者更高。这种噪声源和其他噪声源(例如系统中其他地方的DC/DC转换器开关)会耦合到交流输出电力线上,进而损害输出电能质量并引起干扰。这可能会对系统自身的控制信号(例如模拟反馈信号)以及附近的设备产生影响。
 
为了防止这种失真和干扰,IEEE 1547和UL 1741等标准(适用于风力或太阳能发电机等分布式电力系统用逆变器)对逆变器输出中允许的谐波含量施加了限制。辐射电磁干扰(EMI)也受FCC第15 B部分等标准的限制。
 
减轻开关噪声
为了符合有关噪声和电磁兼容性的适用规范,在整个系统中设置滤波器,可以消除电压和电流波形所产生的谐波,通过确保电压和电流波形相位相同来校正功率因数,并最大限度地减少失真。
 
图2所示的某太阳能功率调节系统中给出了衰减噪声用滤波器的位置。逆变器输出端的滤波器旨在消除开关频率瞬变,并组合采用了X和Y电容、电感和扼流圈,以便消除开关频率主谐波处的共模和差模噪声。
 

图2.太阳能功率调节系统的主要功能块及突显的滤波要求。
图字:太阳能电池;DC/DC转换器;逆变器;系统;交流电抗器;控制电路、测量电路
 

图3给出了有关滤波器构成的更多细节。原则上,X电容和扼流圈用于消除差模噪声,而Y电容和共模电感用于消除共模噪声。共模噪声在两个导体上以相同的方向出现,而差模噪声在两个导体上则以相反的方向出现。
 
图3.逆变器输出端的扼流圈和电容器可衰减共模(蓝色)和差模(红色)噪声。
图字:共模电感;X电容;Y电容
 
图3所示的共模扼流圈是四端子器件,它包含两根导线并以相反方向缠绕在单个磁芯上。通常,这个磁芯是铁氧体材料。由于磁通量会流入磁芯内部,因此共模扼流圈会起到电感器的作用,而对共模(噪声)电流表现出高阻抗特性,同时可使所需的差模电流通过。
 
就共模扼流圈而言,相同的电流以相反方向流过扼流圈会产生相等的反向磁场,它们会相互抵消,而使扼流圈对流入和通过返回通路流出负载的电流表现出最小阻抗。差模噪声是指会导致这两个电流之间产生差异的失真。这些不同信号所产生的磁场不会相互抵消,而是会产生高阻抗,从而衰减失真。
 
用于轻型逆变器的高级滤波技术
随着人们对可再生能源的依赖程度越来越高,电动汽车和各种电机驱动器对小尺寸、轻重量且价格合理的逆变器的需求不断增加,业界正在寻找新方法来减小滤波电容器和扼流圈等传统笨重元器件的尺寸、重量和成本。
 
基美电子专有的铁氧体磁芯材料不仅可以大大减小标准扼流圈的尺寸,而且现在可以在同一封装中创建结合了共模和差模滤波的双模扼流圈。其整体尺寸与传统的同类共模扼流圈相类似。图4说明了该原理。基美电子还利用了其专有材料所提供的额外的设计灵活性来优化这些双模扼流圈的形状,从而实现了非常好的差模(正常模式)噪声抑制。
 

 
图4.双模扼流圈集成了三个磁性元件,节省了解决方案的尺寸和零件数量。
图字:共模扼流圈;差模扼流圈×2
 
图5显示了SSHB10双模扼流圈的高性能,其对共模噪声和差模噪声均呈现出高阻抗。其标准类型(此图中以SSHB10H-04320为代表)针对高温性能进行了优化。SSHB10H-R04760采用的磁芯材料具有更高的磁导率,这进一步增加了其对共模噪声的阻抗,同时保持了相同的差模性能。两种扼流圈的额定电流都高达3A。
 

图5.新型双模扼流圈与传统共模扼流圈的比较。
图字:阻抗(Ω);频率(MHz);共模;差模;双模扼流圈SSHB10H-04320和SSHB10H-R04760
 
总结
在绿色能源、工业和汽车市场上,可以预计人们对小尺寸轻重量逆变器的需求将增加。现在,先进的磁性技术可显著减小笨重的噪声滤波器的重量并减少元件数量,从而使设计人员实现这些目标起来更有回旋余地。

 

(责任编辑:helen)
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