采用耦合电感的LCL滤波器

技术领域

本发明涉及一种适用于单相、三相或者多相整流和逆变电路的采用耦合电感的LCL滤波器，属于电力电子装置设计领域。

背景技术

在开关电源中，磁性器件（简称磁件，如：电感、变压器）是重要的组成部分。它起着电能存储、转换、电气隔离等作用。据统计，磁件的重量一般是整个装置总重的30~40%，体积则占总体积的20~30%，而对于高频、模块化设计的电源，磁件重量、体积所占的比例还要更高。人们通常采用提高频率的方法减小磁件及系统的体积、重量，但提高频率会增大功率器件的开关损耗，影响系统效率，因此，研发人员还研究应用磁集成技术，在不改变频率的条件下，继续优化磁件的性能。

所谓磁集成技术，是指将两个或多个分立磁件绕制在一副磁芯上，从结构上集中在一起。分立磁件集中后的磁件被称为集成磁件。

采用磁集成技术后，能有效减小磁件的重量、体积以及损耗，提高功率密度。在某些场合，若设计得当，还能减小电流纹波，甚至实现零纹波。

磁件的集成方式，通常分为两大类：解耦集成和耦合集成。 

解耦集成，顾名思义，是指集成后分立磁件之间不存在耦合作用，或者耦合作用很小可以忽略。解耦集成的主要方法分为两种：提供低磁阻磁路实现解耦、或者通过抵消绕组间的耦合作用来解耦。一般而言，解耦集成并不改善电气性能，但有利于减小磁件体积、重量；耦合集成相比解耦集成设计分析更加困难，但合理的集成方案不仅有利于减小磁件体积、重量，还能改善电路的电气性能。电感与电感耦合集成后，电感之间有耦合作用，集成的磁件又称为耦合电感。本文所述的耦合电感就是指耦合集成后的电感。

目前LCL滤波器在并网逆变、PWM整流器中应用较多，对于LCL滤波器的优化和设计技术的研究是目前的技术热点之一，其中就包括采用磁集成技术来优化LCL滤波器的性能。华中科技大学2012年发表的文章“并网逆变器中LCL 滤波器的磁集成”：潘冬华，阮新波，王学华，鲍陈磊，李巍巍.并网逆变器中LCL 滤波器的磁集成[J].中国电机工程学报，2012.文章中分析了LCL滤波器的两电感耦合对滤波性能的影响，指出耦合削弱了高频滤波性能，应选用解耦集成方案，并据此提出了LCL滤波器中两电感顺向串联解耦集成的方案。由于绕组顺向串联，两电感在低磁阻公共磁路中产生的磁通相互抵消，减少用铁量，达到减小电感体积、重量的效果。显然，采用解耦集成，不影响滤波器的滤波性能，不利于充分发挥磁集成技术在改善电气性能上的技术优势。如何得到一种新的采用耦合电感的LCL滤波器的技术方案，既能减小电感体积，又能改善滤波效果，成为本发明设计的重点。

发明内容

本发明的目的是提出一种新的采用耦合电感的LCL滤波器，减小滤波电感体积的同时，改善其滤波效果。

一种采用耦合电感的LCL滤波器，连接于交流电压源与整流或逆变电路之间，它包括交流电压侧滤波电感、整流或逆变侧滤波电感和滤波电容；其中交流电压侧滤波电感的输入端与交流电压源相连，交流电压侧滤波电感与整流或逆变侧滤波电感耦合且顺向串联，整流或逆变侧滤波电感的输出端与整流或逆变电路桥臂中点相连；交流电压侧滤波电感输出端并联电容支路，电容支路内串有所述滤波电容；其特征在于：上述电容支路内还串有抵消电感。

本发明相比现有技术有如下优点：

现有LCL滤波器中两电感的磁集成方案为解耦集成，通过提供低磁阻公共磁路，使得顺向串联的两电感在公共磁路中的磁通相互抵消，减少电感用铁量，进而减小电感体积、重量。但是采用解耦集成不能改善滤波器的滤波特性；本发明的一种采用耦合电感的LCL滤波器，在减小滤波电感体积的同时，改善低频滤波效果，并能解决耦合电感高频段滤波效果变差的问题。

附图1为采用常规LCL滤波器的通用电路结构。低频时，因电容支路近似于开路，该电路的低频等效电路如图2所示。可以看出，低频等效滤波电感为两电感之和；高频时电容支路阻抗变小，高频谐波主要经由电容支路，故对高频的滤波能力变强，高频等效电路如附图3所示。本发明的一种采用耦合电感的LCL滤波器，两电感耦合且顺向串联，等效电路如附图4所示，应用耦合电感的互感消去法可以将图4所示的等效电路进一步简化，如图5所示，同样道理，低频时电容支路近似于开路，该电路的低频等效电路如图6所示。显然，由于交流电压侧滤波电感和整流或逆变侧滤波电感正向耦合，低频段等效滤波电感值增大，有利于改善系统的低频滤波效果；高频时，电容支路不能忽略，等效电路如附图7所示，而此时由于交流电压侧滤波电感和整流或逆变侧滤波电感同向耦合，在电容支路增加一个等效负感，导致电容支路阻抗变大，不利于高频谐波的衰减，导致系统在高频段的滤波能力大幅下降，且不能通过增加电容来改善，因此，本发明通过加入抵消电感的方式，如附图8所示，抵消掉电容支路产生的负感，从而降低电容支路等效阻抗，改善滤波效果，同时，由于电容支路流过的电流很小，所以抵消电感的制作上可以将体积、重量做的更小。本发明采用耦合电感的LCL滤波器，通过两电感耦合集成可以减少用铁量，减小电感体积，重量；同时，低频段等效电感增大，可以减少用铜量。通过添加抵消电感抵消由于两电感耦合而在电容之路产生的负感，可以解决高频段滤波效果恶化的缺陷。

所述的采用耦合电感的LCL滤波器，其特征在于：上述电容支路内还包括阻尼电阻，阻尼电阻与滤波电容或/和电容支路串联或并联。阻尼电阻用于抑制LCL滤波器的谐振尖峰，有益于系统的稳定。

所述的采用耦合电感的LCL滤波器，其特征在于：所述抵消电感与交流电压侧滤波电感或/和整流或逆变侧滤波电感为耦合电感或者独立电感。

所述的采用耦合电感的LCL滤波器，其特征在于：滤波电容可以采用单电容，也可以采用多电容串并联。

所述的采用耦合电感的LCL滤波器，其特征在于：所述交流电压侧滤波电感、整流或逆变侧电感和抵消电感的磁芯采用铁磁材料如硅钢片、铁氧体、微晶、超微晶、坡莫合金或铁钴钒。

所述的采用耦合电感的LCL滤波器，其特征在于：所述交流电压侧滤波电感、整流或逆变侧电感和抵消电感绕组选用实心导线、Litz线、铜皮或者PCB绕组形式。

所述的采用耦合电感的LCL滤波器，其特征在于：交流电压源可以为单相、三相或者多相，整流或逆变电路中整流电路可以采用桥式、半波、全波、倍压或倍流整流滤波，逆变电路可以采用桥式、半波、单相、多相逆变电路。

利用n个采用耦合电感的LCL滤波器，应用于n相整流或逆变电路中。

附图说明

附图1是常规LCL滤波器通用电路结构；

附图2是常规LCL滤波器低频等效电路；

附图3是常规LCL滤波器高频等效电路；

附图4是本发明的采用耦合电感的LCL滤波器电路结构；

附图5是本发明的采用耦合电感的LCL滤波器采用互感消去法得到的等效电路；

附图6是本发明的采用耦合电感的LCL滤波器在互感消去法基础上得到的低频等效电路；

附图7是本发明的采用耦合电感的LCL滤波器在互感消去法基础上得到的高频等效电路；

附图8是本发明的采用耦合电感的LCL滤波器添加抵消电感的等效电路；

附图9是LCL滤波器两电感同向耦合滤波特性仿真曲线；

附图10是LCL滤波器单电感特性测试曲线；

附图11是LCL滤波器同向耦合电感特性测试曲线；

附图12是加入不同大小抵消电感效果仿真曲线；

附图13加入抵消电感为0.4M实际测试曲线；

附图14加入抵消电感为0.6M实际测试曲线；

附图15 是本发明示意图；

图中标号名称：                                               —交流电压源，—整流或者逆变侧等效电压源，1—交流电压源，2—交流电压侧滤波电感，3—整流或逆变侧滤波电感，4—抵消电感，5—滤波电容，6—整流或逆变电路，7—阻尼电阻，M—交流电压侧滤波电感互感与整流或逆变侧滤波电感的互感值，—滤波电容，—阻尼电阻，—抵消电感，n— 表示n个LCL滤波器。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及测试实例对本发明进一步说明。

LCL滤波器两电感耦合且顺向串联方式如附图4，采用互感消去法得到的等效电路如附图5，低频、高频等效电路如附图6、7。附图9为两电感无耦合与同相耦合不加抵消电感时的仿真幅频特性图，附图10、11分别为为采用铁氧体磁芯绕制的LCL两电感无耦合和同向耦合实物，通过网络分析仪测试得到的结果。其中绕制的交流电压侧电感，整流或逆变侧电感，滤波电容，阻尼电阻；测试仪器选择安捷伦--4395A网络分析仪进行测试。附图10为LCL无耦合情况下的测试结果，附图11为两电感耦合系数为0.06时的测试结果，与仿真结果相同。附图10和附图11中，在谐振峰值点以前，两电感同向耦合幅频曲线低于无耦合的幅频曲线，耦合后的增益小于无耦合时的增益， LCL滤波器的等效电感增大。此时电容支路相当于开路，系统等效电感为。但是，谐振峰值点之后，进入高频，相比无耦合的LCL系统，LCL滤波器的增益变大，衰减率变小，滤除高频谐波能力变差；附图9的仿真结果和附图11的测试结果均可以说明。

两电感同相耦合的LCL滤波器，由附图5等效电路可知，其等效电路会在电容支路上增加一个互感-M，进入高频以后，由于耦合电感的存在，电容支路的阻抗依然很大，耦合的LCL滤波器衰减率只有-20db，相比两电感无耦合时的LCL滤波器，系统高频段的滤波能力变差；本发明提出了可以通过加入抵消电感La，抵消由于耦合产生的互感，减小电容支路在高频时的支路阻抗，可以解决高频段滤波能力衰减的缺点，添加抵消电感后的等效电路如附图8。

附图12的仿真结果可以看出，在两电感同向耦合的LCL滤波器电容支路中加入抵消电感之后，当添加的抵消电感大于0且小于交流电压侧滤波电感2与整流或逆变侧滤波电感3的耦合电感M时，随着抵消电感的增大，两电感同向耦合的LCL滤波器在高频处增益逐渐减小，增益曲线逐渐接近无耦合的LCL滤波器的增益曲线。通过附图13和附图14的实际测试结果可以看到，当抵消电感La从0.4M上升到0.6M的过程中，谐振点之后的增益曲线逐渐下移，增益逐渐减小，高频衰减能力增强。附图12可以看到，继续增大到当La=M时，同向耦合的LCL滤波器恢复无耦合时的LCL滤波特性，且系统增益小于无耦合时的LCL滤波器的高频增益，滤波能力得到提升；当La大于M时，增益曲线继续下降，超过了无耦合时的LCL滤波增益曲线，同时，系统会出现两个谐振峰，该谐振峰由抵消后的互感剩余值与电容产生，在两个谐振峰值间，系统对该范围内的高频谐波衰减率大于无耦合的LCL滤波器，随着抵消电感值的增大，第二个谐振峰值点逐渐减小，第二谐振峰值点的出现容易导致系统不稳定。由附图12可以看出。

两电感耦合且顺向串联的LCL滤波器，在低频段等效电感增大；在高频段，增加抵消电感小于耦合电感M时，随着抵消电感的增大，系统在高频处的增益逐渐减小，增益曲线逐渐向无耦合的LCL滤波器增益曲线靠拢，滤波能力得到改善；当增加的抵消电感等于M时，同向耦合的LCL滤波器恢复无耦合时的LCL滤波特性，且等效电感增大，在滤波能力方面优于无耦合的LCL滤波器。实现了本发明预期的采用耦合电感的LCL滤波器可以减小电感体积，同时改善了低频段的滤波效果，通过添加抵消电感的方法解决高频段滤波能力大幅减小的缺陷。