标签: 滤波电路

三电平逆变器是储能系统或者光储系统的基本工作拓扑，在这些应用中应用广泛，本文主要从基本工作原理及器件选型上进行讨论。 关控制在交流侧产生三电平相电压，经过滤波电路之后得到正弦波。 一 .NPC 和 ANPC 的拓扑概要分析 图 1 NPC 中性点箝位逆变器 上图 1 中描述了 NPC 的拓扑，这个是一个多电平拓扑，这个拓扑中所有开关都是额定电压设在一半的总线电压，器件的电压应力比较低，因此功率器件开关损耗也相对较低，所以在 NPC 拓扑中，对于 800V-1000V 的总线电压，可以使用 650V-700V 等级的器件，相比 1200V 器件可以达到更低的开关损耗。 NPC 拓扑的输出电流纹波较小，这会优化输出滤波电感的大小，用较小的电感维持相应的 THD, 拓扑不仅可以产生较小畸变的输出电压，同时可以最小化开关器件的 dv/dt 电压应力，从而减小 EMI. 这个拓扑提供了功率的双向传输，当开关频率高于 50kHz 时是更好的选择，因为其低的开关损耗和较高的效率。虽然控制上比较复杂，但是此拓扑改善了功率密度和效率等特性。作为一个双向 DC/AC 拓扑，它非常适合储能逆变器及光储系统中的逆变部分。 除了上述优势之外，其缺点也显而易见，比如开关器件较多，同时对应的门级驱动器也较多。由于使用了功率二极管，所以其热分布不均匀，热管理也是一个挑战。 图 2 ANPC 有源中性点箝位逆变器 相对于NPC拓扑而言，如上图 2 所示， ANPC 逆变器是一个 NPC 逆变器的改善版本， NPC 拓扑中的二极管在这个拓扑中变为了有源开关。这样的变化，使得系统可以得到更一致的损耗分布，使得热管理更容易，开关的导通电压可以减小，改善了效率和功率密度。 ANPC 拓扑的其余部分和 NPC 基本一致，后面我们会以 ANPC 拓扑为例，简述其基本工作原理。 二 .ANPC 三电平逆变器的基本工作原理 图 3 ANPC 的三相逆变器拓扑架构图 上述图 3 为 ANPC 三电平三相逆变器的拓扑架构简图，为了更进一步的简化分析，我们分离出单独的一相电路，如下图 4 所示。另外两相电路的运行原理类似，此处不详细分析。 图 4 ANPC 的单相逆变器桥臂 总体而言，每一相有 6 个开关器件，其中 Q1,Q5,Q2 在正半周期内为闭合状态， Q4,Q6,Q3 在电路负半周期为闭合状态。 Q2,Q3 为慢速开关，在每一个正弦半周期内，将电感连接到 Q1,Q5, 或者 Q4,Q6 的高频开关对，每一个快速开关对，在工作的半个周期内以同步降压模式运行。 图 5 ANPC 正半周期工作的状态分析 接下来，我们分析一下电路在正半周期内的工作情况。 其中，作为慢速开关，工作在 100Hz ， Q2 在整个半周期内保持开启状态， Q1 主开关闭合时，电路处于激磁状态，建立从 V+ 总线电压到电感的电流路径。此状态下，由于 Q1 和 Q2 都打开，则 Q3,Q4 承受全部的总线电压，为避免器件之间不均匀，保持 Q6 开启， Q3 和 Q4 的中点连接到中性点，二者平均分配电压。 Q1, Q6 在正负半周期之间的死区时间内关闭，电感流过 Q5, Q2 续流 , 连续模式下， Q5 为同步二级管，电感器节点连接到中性点。在此状态下，续流时 Q3, Q4 只承受一半的总线电压，因此无需保持 Q6 接通实现电压平衡。 图 6 ANPC 负半周期工作的状态分析 负半周期工作情况如图 6 所示。类似于正半周期，在负半周期内工作时，作为慢管工作在 100Hz ， Q3 一直保持开启。 在导通激磁阶段， Q3,Q4 导通，电感器连接到 V-,Q5 在该状态下开启，以便平衡 Q1,Q2 之间的电压应力。在主开关 Q4 关断续流状态下， Q6, Q3 维持电感电流，电感器开关节点连接到中性点。 以上就是 ANPC 的单独一相在整个周期的工作情况。 三． ANPC 拓扑的开关应力和损耗情况分析 根据上述原理分析，主功率器件只需要一半的总线电压的应力，所以 1000V 的直流总线电压下，可以使用 650V-700V 的功率器件。 其中由于拓扑运行需要， Q2 和 Q3 为慢速开关，运行在 100Hz 工频，所以可以选择普通的 Si 的功率 MOSFET 即可。而 Q1, Q5 及 Q4,Q6 都是运行于高频的功率器件，所以选择宽禁带器件，可以提升开关频率及功率密度。 除去平衡电压应力的开关管，同一时刻有两个开关器件导通（包含一个快管和一个慢管），所以对于导通损耗而言，需要根据相应允许的功耗去选择功率器件 Rdson 。 对于开关损耗而言， Q1,Q4 为控制的主开关对应于每一个半周期，因此会出现开关损耗。 Q5,Q6 为续流同步开关，因此会有零电压开关状态，在死区时间内体二极管导通，其存在正向压降和反向恢复损耗，而宽禁带器件的反向恢复损耗可以忽略。 Q2,Q3 的开关频率非常低，仅仅作为半周期的常通开关，所以其开关损耗可以忽略。 总结，以上简要分析 NPC 及 ANPC 拓扑的基本工作原理。 关注公众号“优特美尔商城”，获取更多电子元器件知识、电路讲解、型号资料、电子资讯，欢迎留言讨论。

在整流电路输出的电压是单向脉动性电压，不能直接给电子电路使用。所以要对输出的电压进行滤波， 消除电压中的交流成分，成为直流电后给电子电路使用。在滤波电路中，主要使用对交流电有特殊阻抗特性的器件，如：电容器、电感器。本文对其各种形式的滤波电路进行分析。 一、滤波电路种类 滤波电路主要有下列几种：电容滤波电路，这是最基本的滤波电路；π 型 RC 滤波电路；π 型 LC 滤波电路；电子滤波器电路。 二、滤波原理 1. 单向脉动性直流电压的特点 如图 1(a)所示。是单向脉动性直流电压波形，从图中可以看出，电压的方向性无论在何时都是一致的， 但在电压幅度上是波动的，就是在时间轴上，电压呈现出周期性的变化，所以是脉动性的。 但根据波形分解原理可知，这一电压可以分解一个直流电压和一组频率不同的交流电压，如图 1(b)所示。在图 1(b)中，虚线部分是单向脉动性直流电压 U。中的直流成分，实线部分是 UO 中的交流成分。 2. 电容滤波原理 根据以上的分析，由于单向脉动性直流电压可分解成交流和直流两部分。在电源电路的滤波电路中，利用电容器的“隔直通交”的特性和储能特性，或者利用电感“隔交通直”的特性可以滤除电压中的交流成分。图 2 所示是电容滤波原理图。 图 2(a)为整流电路的输出电路。交流电压经整流电路之后输出的是单向脉动性直流电，即电路中的 UO。 图 2(b)为电容滤波电路。由于电容 C1 对直流电相当于开路，这样整流电路输出的直流电压不能通过C1 到地，只有加到负载 RL 图为 RL 上。对于整流电路输出的交流成分， 因 C1 容量较大， 容抗较小，交流成分通过 C1 流到地端，而不能加到负载 RL。这样，通过电容 C1 的滤波， 从单向脉动性直流电中取出了所需要的直流电压 +U。 滤波电容 C1 的容量越大，对交流成分的容抗越小，使残留在负载 RL 上的交流成分越小，滤波效果就越好。 3. 电感滤波原理 图 3 所示是电感滤波原理图。由于电感 L1 对直流电相当于通路，这样整流电路输出的直流电压直接加到负载 RL 上。 对于整流电路输出的交流成分，因 L1 电感量较大，感抗较大，对交流成分产生很大的阻碍作用，阻止了交流电通过 C1 流到加到负载 RL。这样，通过电感 L1 的滤波，从单向脉动性直流电中取出了所需要的直流电压 +U。 滤波电感 L1 的电感量越大，对交流成分的感抗越大，使残留在负载 RL 上的交流成分越小，滤波效果就越好，但直流电阻也会增大。 三、π 型 RC滤波电路识图方法 图 4 所示是 π 型 RC 滤波电路。电路中的 C1、C2 和 C3 是 3 只滤波电容，R1 和 R2 是滤波电阻，C1、R1 和C2 构成第一节 π 型的 RC 滤波电路， C2、R2 和 C3 构成 第二节 π 型 RC 滤波电路。由于这种滤波电路的形式如同希腊字母 π 和采用了电阻器、电容器，所以称为 π 型 RC 滤波电路。 π 型 RC 滤波电路原理如下： （1）这一电路的滤波原理是：从整流电路输出的电压首先经过 C1 的滤波，将大部分的交流成分滤除，然后再加到由 R1 和 C2 构成的滤波电路中。C2 的容抗与 R1 构成一个分压电路，因 C2 的容抗很小，所以对交流成分的分压衰减量很大，达到滤波目的。对于直流电而言，由于 C2 具有隔直作用，所以 R1 和 C2 分压电路对直流不存在分压衰减的作用，这样直流电压通过 R1 输出。 （2）在 R1 大小不变时，加大 C2 的容量可以提高滤波效果，在 C2 容量大小不变时，加大 R1 的阻值可以提高滤波效果。但是，滤波电阻 R1 的阻值不能太大，因为流过负载的直流电流要流过 R1，在 R1 上会产生直流压降，使直流输出电压 Uo2 减小。R1 的阻值越大，或流过负载的电流越大时，在 R1 上的压降越大，使直流输出电压越低。 （3）C1 是第一节滤波电容，加大容量可以提高滤波效果。但是 C1 太大后，在开机时对 C1 的充电时间很长，这一充电电流是流过整流二极管的，当充电电流太大、时间太长时，会损坏整流二极管。所以采用这种 π 型 RC 滤波电路可以使 C1 容量较小，通过合理设计 R1 和 C2 的值来进一步提高滤波效果。 （4）这一滤波电路中共有 3 个直流电压输出端，分别输出 Uo1、 Uo2 和 Uo3 三组直流电压。其中， Uo1 只经过电容 C1 滤波；Uo2 则经过了 C1、 R1 和 C2 电路的滤波，所以滤波效果更好， Uo2 中的交流成分更小；Uo3 则经过了 2 节滤波电路的滤波，滤波效果最好，所以 Uo3 中的交流成分最少。 （5）3 个直流输出电压的大小是不同的。Uo1 电压最高，一般这一电压直接加到功率放大器电路，或加到需要直流工作电压最高、工作电流最大的电路中；Uo2 电压稍低，这是因为电阻 R1 对直流电压存在电压降；Uo3 电压最低，这一电压一般供给前级电路作为直流工作电压，因为前级电路的直流工作电压比较低，且要求直流工作电压中的交流成分少。 四、π型 LC滤波电路识图方法 图 5 所示是 π 型 LC 滤波电路。π 型 LC 滤波电路与 π 型 RC 滤波电路基本相同。这一电路只是将滤波电阻换成滤波电感，因为滤波电阻对直流电和交流电存在相同的电阻，而滤波电感对交流电感抗大，对直流电的电阻小，这样既能提高滤波效果，又不会降低直流输出电压。 在图 5 的电路中，整流电路输出的单向脉动性直流电压先经电容 C1 滤波，去掉大部分交流成分，然后再加到 L1 和 C2 滤波电路中。 对于交流成分而言， L1 对它的感抗很大，这样在 L1 上的交流电压降大，加到负载上的交流成分小。 对直流电而言， 由于 L1 不呈现感抗， 相当于通路，同时滤波电感采用的线径较粗，直流电阻很小，这样对直流电压基本上没有电压降，所以直流输出电压比较高，这是采用电感滤波器的主要优点。 五、电子滤波器识图方法 1. 电子滤波器 图 6 所示是电子滤波器。电路中的 VT1 是三极管，起到滤波管作用， C1 是 VT1 的基极滤波电容，R1 是 VT1 的基极偏置电阻，RL 是这一滤波电路的负载，C2 是输出电压的滤波电容。 电子滤波电路工作原理如下： ①电路中的 VT1、 R1、 C1 组成电子滤波器电路，这一电路相当于一 只容量为 C1×β1 大小电容器，β1 为 VT1 的电流放大倍数，而晶体管的电流放大倍数比较大，所以等效电容量很大，可见电子滤波器的滤波性能是很好的。等效电路如图 6（b）所示。图中 C 为等效电容。 ②电路中的 R1 和 C1 构成一节 RC 滤波电路， R1 一方面为 VT1 提供基极偏置电流，同时也是滤波电阻。由于流过 R1 的电流是 VT1 的基极偏置电流，这一电流很小， R1 的阻值可以取得比较大，这样 R1 和 C1 的滤 波效果就很好，使 VT1 基极上直流电压中的交流成分很少。由于发射极电压具有跟随基极电压的特性，这样 VT1 发射极输出电压中交流成分也很少，达到滤波的目的。 ③在电子滤波器中，滤波主要是靠 R1 和 C1 实现的，这也是 RC 滤波电路，但与前面介绍的 RC 滤波电路是不同的。在这一电路中流过负载的直流电流是 VT1 的发射极电流，流过滤波电阻 R1 的电流是 VT1 基极电流，基极电流很小，所以可以使滤波电阻 R1 的阻值设得很大（滤波效果好），但不会使直流输出电压下降很多。 ④电路中的 R1 的阻值大小决定了 VT1 的基极电流大小，从而决定了 VT1 集电极与发射极之间的管压降，也就决定了 VT1 发射极输出直流电压大小，所以改变 R1 的大小，可以调整直流输出电压 +V 的大小。 2. 电子稳压滤波器 图 7 所示是另一种电子稳压滤波器，与前一种电路相比，在 VT1 基极与地端之间接入了稳压二极管 VD1。电子稳压原理如下： 在 VT1 基极与地端之间接入了稳压二极管 VD1 后，输入电压经 R1 使稳压二极管 VD1 处于反向偏置状态，此时 VD1 的稳压特性使 VT1 管的基极电压稳定，这样 VT1 发射极输出的直流电压也比较稳定。注意：这一电压的稳定特性是由于 VD1 的稳压特性决定的，与电子滤波器电路本身没有关系。 R1 同时还是 VD1 的限流保护电阻。在加入稳压二极管 VD1 后，改变 R1 的大小不能改变 VT1 发射极输出电压大小，由于 VT1 的发射结存在 PN 结电压降，所以发射极输出电压比 VD1 的稳压值略小。 C1、 R1 与 VT1 同样组成电子滤波器电路，起到滤波作用。 在有些场合下，为了进一步提高滤波效果，可采用双管电子滤波器电路，2 只电子滤波管构成了复合管电路。这样总的电流放大倍数为各管电流放大倍数之积，显然可以提高滤波效果。 六、电源滤波电路识图小结 关于电源滤波电路分析主要注意以下几点： （1）分析滤波电容工作原理时，主要利用电容器的“隔直通交”特性，或是充电与放电特性，即整流电路输出单向脉动性直流电压时对滤波电容充电，当没有单向脉动性直流电压输出时，滤波电容对负载放电。 （2）分析滤波电感工作原理时，主要是认识电感器对直流电的电阻很小、无感抗作用，而对交流电存在感抗。 （3）进行电子滤波器电路分析时，要知道电子滤波管基极上的电容是滤波的关键元件。另外，要进行直流电路的分析，电子滤波管有基极电流和集电极、发射极电流，流过负载的电流是电子滤波管的发射极电流，改变基极电流大小可以调节电子滤波管集电极与发射极之间的管压降，从而改变电子滤波器输出的直流电压大小。 （4）电子滤波器本身没有稳压功能，但加入稳压二极管之后可以使输出的直流电压比较稳定。 - END - 关于造物工场 造物工场立足金百泽超过20年柔性电子制造服务优势，聚焦产品方案和电子工程的设计服务，提供从创意到制造、PCB/PCBA/BOM/元器件等一站式硬件服务。

前面在讲变频器的输出电压的时候，我们知道，变频器PWM输出的电压是“方波”，而不是光滑的正弦波。只是通过PWM输出的方法“等效”正弦波。 等效就意味着，它不是“正弦波”。 举个例子：我手上拿着一张10美元的纸币去一个超市里付65元人民币的账，虽然大家都明白10美刀肯定抵得上65元人民币，超市收银台的小妹妹也认得是“10美刀”，但收银系统不认，除非收银台的小妹妹自己或者其它顾客私下里帮你兑一下，否则就买不了单。 这就意味着，真实使用这个“等效”电压的时候，就会有一些麻烦。 我们相像的变频器的理想电压输出是下面的这个样。 实际的电压切换会如下图所示。即电压不是突变电压，而是有一个爬升电压的“坡”。 问题：为什么电压突变的边沿不是我们平时想象的垂直上下，而是有一个“陡坡”呢？ 答：我们想象的垂直上下，是用理想的电路中的简化模型。实际的电路中，会有电感存在，通常分析时，因为电感很少，我们就简化，把它省去不提。但这个电感是存的，当遇到电压突变时，电感的存在，导致其内的电流不可以突变。它会慢慢变化，从无到有，或从有到无。这个变化的过程，导致了突变电压的边沿呈现“陡坡”，而不是垂直上下。 同样地，在一个PWM波内，继继续续在加电压的过程，也会有一个电压爬升过程，细节如下。 这会带来什么影响呢? 在电机内，加在线圈绕组上的电流不能突变的（实际也不会突变），它会是一个“坡”。如果这个坡过陡，会导致电机内的绝缘材料过早老化，或者被击穿，这就会影响电机的寿命。注意：这个要求是指坡不能“陡”，而不是坡不能“高”。（当然，坡高也是不行的。） 而我们的变频器出来的电压是PWM方波，就是断断续续地加电压的。实际的电压加和断的边沿是一个“坡”。 由于电机要求这个坡不能陡，我们就在变频器的输出端引入了“DVDT”电路。名字很唬人，它其实就是一个RC电路。原理图如下图201，202，203上接的这个三角形网络。电容的存在导致了相间电压不能突变，当电压升高时，也会给电容充电，就延缓了电压上升的速度，电阻起限流的作用。 同样的RC电路用在这里，目的是电压爬得过快，而不是防止电压爬得过高，所以它不叫“尖峰抑制器”，而叫“DVDT”电路，它的全称是：DVDT滤波电路。 这个名称应是“dv/dt”，即单位时间内的电压变化率。这个值越大，则表示电压变化越陡。通常大家都说“DVDT”，要说成“DV斜杠DT”多费事！ 我们公司的变频器上，都有这一个电路。这个电路是自己买电容电阻线束厂内组装的，这样组装就浪费时间。我曾经建议找一家供应商开发一个模块，把这个功能全部覆盖了，相对地成本可以降一些。因为研发同事手上的活太多，没有功夫做这个工作。 我也问过研发同事，看后面电机上的电压波形，也没有什么突变，是不是可以取消这个电路？因为引进过来的时候，老外的图纸上就有，现在也没有人愿意去做决定把它删了。 本地工程师新开发的一款“风冷”变频器上，已经把这组元件取消了。等试机的时候，我再去用示波器测量一下这个DVDT的值。 因为电要的这个dv/dt原因，导致了变频器逆变部分用的载波频率不可能做得太高。 我们变频器/电机上的电压波形没有突变，是由于我们用的机载柜，变频器与电机间的连接线短。如果用落地柜，这个电机线会很长。如果这个电机线长度超过50米，就会导致电机输入端的电压有尖峰，而且高出正常的工作电压。这个电压叫“过冲”电压。 网上看到一个案例，电机与变频柜之间的连接线达到了72米。用示波器去测量变频器输出端与电机输入端的电压波形。如下： 变频器的输出端电压波形，上升顶峰没有古怪。（可以看出，上升电压是有一个“坡”） 电机输入端的电压波形，上升顶峰形成了“尖”，有一个明显的瞬间大电压。这个电压就是“过冲电压”。 为什么当电缆长了后在 变频器输出与电机输入端，电压波形有这个差异呢？ 安川的内部资料解释如下： 怎么理解安川的这一段话呢？ 电压突变会有一个陡坡。如果变频器到电机之间的线短，这个突变电压的上升/下降沿会跨过这个导线。如果电机连接线过长，这就导致突变电压的上升/下降沿在这个电机线上完成，它完成（突变波）后再向前走，和电压本来要通过这个电线（行进波）走会重合。二者叠加，就会导致电压翻倍，超过电机的标称耐压。对电机有损害。这就是DVDT导致电机绝缘损坏的机理！ 进一步： 如上图，如果电机线太长，就会导致一个脉冲的上升沿在电机线上发生。这个脉冲本身向电机走的时候，到了电机处，就会反射波，这个反射波与后面的波遇到了就会产生叠加，形在尖峰，抬高了电压。这个电压对电机绝缘有损伤。 如果电机线短，就这个上升沿就不能在电机线上发生全。就不会产生叠加尖峰。 另一个就是：Dv/Dt,如果dt的时间短了，就会导致上升沿时间少，相对地这种上升沿形成叠加尖峰的电缆长度就短了。由于对一个电路中的Dv是一定的。这样Dv/Dt的值就变成了对dt的考量。所以说：DV/DT的值不能超过，就是对DT的时间不知少地多少秒。影响这个时间的因素就是电路中的电感。 【此段资料是我自己的理解，可能不对，大家如果有自己的见解，请留言赐教】 http://www.wendangku.net/doc/b42205cb050876323112129f-6.html

第一步：根据电路工作原理绘制电路原理框图，这个比较容易，而且比电路原理图更容易在网上得到。框图内容越具体，转化原理图越容易。下图是串联型稳压电源方框图： 第二步：将框图变为原理图： 先将每个方框的内容变为单元电路。 (1)变压器： 滤波电路一般使用电容和电感，用电容最简单。 (4)电压调整电路 《电子设计技术》网站版权所有，谢绝转载 采用反相放大电路，控制电压大于参考电压与 Vbe 之和，三极管工作在放大状态才能起控制作用，控制电压控制 Vout 的输出电压大小。 (6)参考电压电路 采样电路采用最简单的电阻分压电路。 (8)最终组合电路 将框图中的各部分按照框图进行组合，即可以完成电路图的初步转化。 还要具体分析各个部分如何合理的结合在一起。这些基础分析属于电路分析的内容。 图中的各个框内的电路都可视作二端口网络。 《电子设计技术》网站版权所有，谢绝转载