用于直流逆变供电系统的交直流耦合式共模电感

1.本发明属于电力电子技术领域，涉及一种交直流耦合式共模电感，适用于直流逆变供电系统。


背景技术：

2.直流逆变供电系统通常由dc电源、逆变器和负载所组成；系统在正常工作时，逆变器通过pwm脉冲宽度调制技术将直流电转变成交流电提供给负载；这种调制技术虽然可以在很大程度上减小系统的损耗，降低系统对于散热的需求，但不利的是这种方法将会使逆变器中开关器件始终工作在频率很高的开关状态，其快速开通和关断将会形成幅值非常高的陡脉冲，产生严重的电磁干扰问题，这是直流逆变供电系统内的主要干扰源；这种由逆变器产生的电磁干扰会严重影响系统的正常工作，所以寻找直流逆变供电系统中电磁干扰问题的解决办法成为其发展的当务之急。此外由于直流逆变供电系统的众多应用平台，例如电驱系统和小型开关电源，为了实现更好的经济性以及通用性，都对系统的体积作出了严格的要求。所以在解决系统电磁干扰问题的同时必须兼顾考虑系统的小型化以及集成化目标，这是实现直流逆变供电系统商用的必经之路。
3.在直流逆变供电系统中设置共模电感可在减小共模电流的同时，对多次谐波形成高阻抗通路，以达到抑制电磁干扰的作用；性能优异的共模电感是电驱系统等直流逆变供电系统平台运行的必要保障。合理设计滤波共模电感对于保证系统正常工作来说非常重要。对于传统的滤波共模电感来说，其单个共模电感通常只能单独串联在逆变器的交流侧或者直流侧，但是在有关直流逆变供电系统的相关标准中，噪声大小的考核会同时兼顾交直流两侧，所以若想同时减小直流逆变供电系统交直流两侧的噪声，必然需要增加共模电感的个数，这不仅会极大得增加系统的体积，还会降低直流逆变供电系统的经济性以及通用性，这对很多现代电力电子系统来说是不可接受的。
4.为了同时滤除逆变器交直流两侧的高频噪声，各国学者相继围绕着系统的干扰源、传播途径和敏感设备这三个方面开展了理论及应用技术的研究工作，并取得了一定的成就。例如申请公布号为cn108039815a，名称为“一种电磁干扰电路及其操作方法”的专利申请，公开了一种抑制逆变器双侧共模电流的电路；该发明在逆变器的直流母线上套磁环形成直流侧共模电感，用来抑制逆变器直流侧共模电流；同时在交流侧串联共模电感和套磁环用来抑制逆变器交流侧共模电流；该发明虽然可以有效得同时抑制逆变器双侧的共模电流，但是其只是通过增加共模电感的个数来达到这个目的，这样将会极大增加直流逆变供电系统的体积，严重损害了系统的经济性以及通用性，不利于系统的实际应用。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供了一种用于直流逆变供电系统的交直流耦合式共模电感，旨在保证对直流逆变供电系统交直流两侧共模电流有效抑制的前提下，实现共模电感的小型化。
6.为实现上述目的，本发明采取的技术方案包括直流侧共模电感1和交流侧共模电感2：
7.所述直流侧共模电感1，包括环状的第一磁芯11以及绕制在第一磁芯11上的两个绕制方向相同的绕组12，其中一个绕组的两端分别用于连接逆变器的正极与dc电源的正极，另一个绕组的两端分别用于连接逆变器的负极与dc电源的负极，该直流侧共模电感1用于减小直流逆变供电系统中直流侧的共模电流；
8.所述交流侧共模电感2，包括环状的第二磁芯21和贯穿第二磁芯21窗口的两根或三根交流相线22，所述第二磁芯21的窗口内设置有用于支撑隔离相邻交流以及交流相线与第二磁芯21的绝缘材料3，所述两根或三根交流相线22的两端用于连接逆变器的输出端与负载输入端，该交流侧共模电感2用于减小直流逆变供电系统中交流侧的共模电流；
9.所述第二磁芯21嵌套在第一磁芯11的窗口内，且该两个磁芯之间通过绝缘材料4支撑，用于实现交流侧共模电感2与直流侧共模电感1之间的耦合。
10.上述一种用于直流逆变供电系统的交直流耦合式共模电感，所述第一磁芯11，其上绕制的两个绕组12的匝数相同，且该两个绕组12关于第一磁芯11的中心法线相差180
°
。
11.上述一种用于直流逆变供电系统的交直流耦合式共模电感，所述第一磁芯11，其中心法线与第二磁芯21的中心法线重合，且第一磁芯11与第二磁芯21的窗口截面共面。
12.上述一种用于直流逆变供电系统的交直流耦合式共模电感，所述贯穿第二磁芯21窗口的交流相线22，关于第二磁芯21的中心法线旋转对称，当交流相线数量为两根时，该两根交流相线相差180
°
，当交流相线数量为三根时，该三根交流相线相差120
°
。
13.本发明与现有技术相比，具有如下优点：
14.1.本发明将交流侧共模电感的环状磁芯通过绝缘支撑材料嵌套在直流侧共模电感的环状磁芯窗口内部，通过交流侧共模电感与直流侧共模电感的耦合，增大了交直流两侧共模电感的电感量，避免了现有技术通过增加共模电感的个数来达到增大电感量的缺陷，与现有技术相比，在保证有效抑制系统共模电流的前提下，有效缩减了共模电感的体积，实现了小型化。
15.2.本发明将第一磁芯嵌套在第二磁芯的内部，提高了第一磁芯的窗口利用率，减小了共模电感的体积，从而降低了共模电感的制造成本，提高了其经济性以及通用性。
附图说明
16.图1是本发明具体实施例的结构示意图；
17.图2是本发明与直流逆变供电系统相关部件的连接电路图。
具体实施方式
18.以下结合附图和具体实施例，对本发明作进一步详细描述。
19.参照图1，本发明包括直流侧共模电感1和交流侧共模电感2。
20.所述直流侧共模电感1，包括环状的第一磁芯11以及绕制在第一磁芯11上的两个绕组12；为了便于两个共模电感的组合，本实施例中第一磁芯11采用截面为圆的圆环状磁芯；为了使得共模电感拥有足够的抗饱和能力和滤波能力，本实施例中第一磁芯11选用初始磁导率为60000、饱和磁感应强度为1.2t的纳米晶磁芯；所述绕制在第一磁芯11上的两个
绕组12，为了使共模电感可以承受较大的电流，绕组材料选用载流能力大的铜导线；为了控制磁芯组磁路长度在合理的范围内，同时尽可能的增加直流侧共模电感的电感量，本实施例中，直流侧共模电感的正负两个绕组12匝数都选择为8匝；此外两个绕组绕制方向相同，并且两个绕组的绕制位置关于第一磁芯的中心法线相差180
°
，这样可以保证直流侧共模电感的对称性，防止由于正负母线电感量不同而引起的差共模转化，使得共模电感具有最优的滤波性能。
21.所述交流侧共模电感2包括环状的第二磁芯21和贯穿第二磁芯窗口的两根或三根交流相线22；本实施例中，所采用的交流相线为三根；相同的，为了提高交流侧共模电感的抗饱和能力和滤波能力，同时也拥有较大的载流能力，交流侧共模电感的第二磁芯21也选用常见的纳米晶磁芯，交流相线也采用载流能力大的铜导线制作；此外在具有多根绕组的共模电感中，我们尤其需要注意的一个问题就是实现多个绕组空间位置上的对称，这对于实现共模电感滤波的最优性能来说尤其重要。所以当交流相线数量为三根时，这三根交流相线应关于第二磁芯的中心法线旋转对称，且相互之间相差120
°
。为了提高绝缘性能，三根交流相线之间，交流相线与第二磁芯21之间采用圆盘状的绝缘橡胶填充固定；
22.所述交流侧共模电感2的第二磁芯(21)通过绝缘支撑材料4支撑嵌套在直流侧共模电感1的第一磁芯(11)窗口内部；考虑到两侧共模电感的绝缘性要求和固定要求，本实施例中绝缘支撑材料4选用绝缘性好的绝缘橡胶材料；同时为了实现直流侧共模电感1和交流侧共模电感2之间的强耦合，以得到更大的电感量，本实施例中第一磁芯11与第二磁芯21的中心法线重合，并且两磁芯的窗口截面共面。
23.参照图2，直流侧共模电感1一个绕组的两端分别用于连接逆变器的正极与dc电源的正极，另一个绕组的两端分别用于连接逆变器的负极与dc电源的负极；该直流侧共模电感1用于减小直流逆变供电系统中直流侧的共模电流；交流侧共模电感2的三根交流相线22的两端分别用于逆变器的三相输出端与负载三相输入端连接；该交流侧共模电感用于减小直流逆变供电系统中交流侧的共模电流。
24.本发明的工作原理是：
25.本发明提供了一种能够有效抑制直流逆变供电系统中逆变器交直流两侧共模电流的交直流耦合式共模电感。利用不同电感之间可通过互感效应增加电感量的原理，将交流侧的共模电感的环状磁芯嵌套在直流侧共模电感的环状磁芯窗口内部，形成了两侧共模电感的耦合，使得在不增加共模电感体积的前提下，增大了两侧共模电感的电感量，提高了共模电感的滤波能力。其中直流侧共模电感连接在逆变器的正负母线中，对流过的高频共模电流形成高阻抗通路；交流侧共模电感连接在逆变器的交流相线中，同样对交流侧的高频共模电流形成高阻抗通路，从而减少系统中的共模电流，防止共模噪声对系统中的敏感设备造成损害。
26.以上描述仅是本发明的一个实例，不构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求的保护范围之内。