一种用于电力电子系统上的输入滤波器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种应用在电力电子（power electronic)系统上的输入滤波器，并 且具体地而非排他地涉及用于在开关变换器上的功率半导体（power semiconductor)滤波 器。
【背景技术】
[0002] 电力设备及电子装置（诸如计算机及移动电话）可因应不同的电力需求而在不同 工作电压下工作，而这些电力可源于同一电源。因此，电源的电压需要被升高或降低至适用 于不同电子装置的工作电压。某些设备或装置里面有可能包括工作在不同电压下的各种电 路模块，因此这些设备或装置中还会包含多个功率变换器用以输出不同的电压。
[0003] 这些电子装置可使用功率变换器（诸如开关变换器（switching converter))来 将电力转换为所需的工作电压。开关变换器包括由多个晶体管开关组成的开关网络，其在 电力变换过程中以高频率运作，并产生多余的电流谐波及电磁噪声，这些谐波及噪声从变 换级传回电源的时候会影响电源，所以这些谐波及噪声信号必须利用滤波器在变换级的输 入端滤掉。
【发明内容】
[0004] 根据本发明第一方面，提供一种用于电力电子系统上的输入滤波器，其包括：用于 控制功率变换器输入特性的串联导通电路装置；和在电力变换过程中用于控制所述串联导 通电路装置运行的控制机构，以便滤掉由所述功率变换器产生的噪声信号，以免其到达所 述电力电子系统的电源。
[0005] 在本发明第一方面的实施方案中，所述串联导通电路装置及所述控制机构进一步 被配置为过滤由所述功率变换器产生的电流谐波，以减少所述电流谐波到达所述电力电子 系统的电源。
[0006] 在本发明第一方面的实施方案中，所述功率变换器的输入特性包括所述功率变换 器的输入电流波形。
[0007] 在本发明第一方面的实施方案中，所述串联导通电路装置是以串联方式与所述功 率变换器输入相连的。
[0008] 在本发明第一方面的实施方案中，所述串联导通电路装置是一种双极性结型晶体 管。
[0009] 在本发明第一方面的实施方案中，所述串联导通电路装置是被安排工作在其电流 电压特性的线性区。
[0010] 在本发明第一方面的实施方案中，所述串联导通电路装置的工作点被调节到其电 流电压特性的线性区和饱和区的边界。
[0011] 在本发明第一方面的实施方案中，所述控制机构是一种反馈机构，其用于接收所 述功率变换器输出电压，且为所述串联导通电路装置产生输入信号以控制所述功率变换器 的输入特性。
[0012] 在本发明第一方面的实施方案中，所述控制机构是一种误差信号放大器，其用于 比较所述功率变换器的输出电压和第一参考电压。
[0013] 在本发明第一方面的实施方案中，所述误差信号放大器是一种比例积分控制器。
[0014] 在本发明第一方面的实施方案中，所述第一参考电压等于所述功率变换器的预定 输出电压。
[0015] 在本发明第一方面的实施方案中，其中输入电容是用于吸收所述功率变换器产生 的高频电流脉冲。
[0016] 在本发明第一方面的实施方案中，其中所述输入电容是一种薄膜电容器。
[0017] 在本发明第一方面的实施方案中，所述功率变换器的输入特性包括功率变换器的 输入电压。
[0018] 在本发明第一方面的实施方案中，进一步包括用来检测所述串联导通电路装置两 端电压的电压控制器，以控制所述功率变换器的输入电压。
[0019] 在本发明第一方面的实施方案中，所述电压控制器包括一种电压比较器，其用来 比较检测出来的所述串联导通电路装置两端电压和第二参考电压，以便通过向开关驱动器 输出误差信号来控制所述功率变换器的输入电压
[0020] 在本发明第一方面的实施方案中，所述第二参考电压稍大于所述串联导通电路装 置的饱和电压。
[0021] 在本发明第一方面的实施方案中，所述开关驱动器是用来控制所述功率变换器输 入电压的开关频率和/或占空比。
[0022] 在本发明第一方面的实施方案中，所述功率变换器是一种DC-DC变换器。
[0023] 在本发明第一方面的实施方案中，所述功率变换器是一种开关变换器。
[0024] 在本发明第一方面的实施方案中，所述功率变换器是一种降压变换器。
[0025] 在本发明第一方面的实施方案中，进一步包括一种单片集成结构。
[0026] 根据本发明第二方面，提供一种电力开关变换器，其包括：用来处理电源和电力负 载之间输入电功率的开关网络；如权利要求1所述的输入滤波器，其中所述串联导通电路 装置是以串联方式连接在所述开关网络输入和所述电源之间；和连接在所述电力负载和开 关网络之间的输出滤波器。
【附图说明】
[0027] 本专利或申请文件包含至少一份彩色绘制的附图。可通过请求并支付必须的费用 来获得由本事务所提供具有彩色附图的本专利或专利申请公开文本副本。
[0028] 现将参考附图以示例性方式对本发明的实施方式进行描述。
[0029] 图1展示出了根据本发明实施方式的用于电力电子系统上的输入滤波器的结构 图；
[0030] 图2A展示出了根据本发明另一实施方式的用于电力电子系统上的输入滤波器的 结构图；
[0031] 图2B是图2A中所述电力电子系统的摄影图像；
[0032] 图3A展示出了当所述输入电压^为80V，负载处于额定值的100%的时候，图2A 中所述电力电子系统在电源变换过程中的is，V。，^及U的波形的标绘图；
[0033] 图3B展示出了当所述输入电压^为80V，负载处于额定值的50%的时候，图2A中 所述电力电子系统在电源变换过程中的is，v。，^及U的波形的标绘图；
[0034] 图3C展示出了当所述输入电压^为80V，负载处于额定值的10%的时候，图2A中 所述电力电子系统在电源变换过程中的is，v。，^及U的波形的标绘图；
[0035] 图4展示出了在不同L值下，图2A中所述功率变换器的开关频率对应输出电流i。 的关系的标绘图；
[0036] 图5展示出了在输入电压vsS60V及80V下，输入LC滤波器和图2A中所述电力 电子系统中的输入滤波器之间的效率的对比标绘图；
[0037] 图6A展示出了当负载电流从2A变为0· 25A的时候，图2A中所述电力电子系统的 is，i。，V。及v τ的波形及其瞬态响应的标绘图；
[0038] 图6B展示出了当负载电流从0· 25A变为2A的时候，图2A中所述电力电子系统的 is，i。，V。及v τ的波形及其瞬态响应的标绘图；
[0039] 图7A展示出了当所述输入电压^为60V，负载处于额定值的100%的时候，图2B 中所述电子电力系统的PCB板的顶层在电源变换过程中的热分布的标绘图；以及
[0040] 图7B展示出了当所述输入电压^为60V，负载处于额定值的100%的时候，图2B 中所述电子电力系统的PCB板的底层在电源变换过程中的热分布的标绘图。
【具体实施方式】
[0041] 发明人通过其研究、实验及尝试，想到一种电力电子系统可包括三个关键部分：输 入滤波器、高频开关网络和输出滤波器。开关网络是主要电力变换单元，其控制了电源和负 载之间的电力流动，并有低功耗的特征。输入滤波器是用来阻止开关网络所产生的多余的 噪声传送到电源，并且保证电力电子系统遵守电磁兼容标准，而输出滤波器是用来传送所 需输出形式的电力并减少多余的噪声至负载。典型地，以上两个滤波器都是由无源元件组 成。
[0042] 因为实际的开关器件和无源元件不是理想的，主要的电力损耗是由于开关网络中 的导电及开关损耗，以及滤波器无源元件上的电阻和磁芯损耗。尽管新兴的材料、设备技术 和网络技术（network topologies)可实现减少开关器件损耗和提高开关频率以减少滤波 器尺寸，但是滤波器部分依然占用相当大的空间且构成了电力总损耗的主要部分之一。越 来越高功率密度的电力电子系统使得系统设计人员竭尽所能在不牺牲电子系统的性能的 前提下为滤波器挤出空间。在电力电子系统中，滤波器的部分是提高功率密度和性能的一 个关键因素。
[0043] 参照图1，其示出用于电力电子系统100的滤波器的实施方案，其包括：用于控制 功率变换器104输入特性的串联导通电路（series-pass)装置102 ;和在电力变换过程中 用于控制所述串联导通电路装置102的运作的控制机构106,以便滤掉由所述功率变换器 104产生的噪声信号，以免所述噪声信号到达所述电力电子系统100的电源108。优选地， 串联导通电路装置102及所述控制机构106进一步被配置为过滤由所述功率变换器104产 生的电流谐波，以减少所述电流谐波到达所述电力电子系统100的电源108。
[0044] 在本实施方案中，所述电力电子系统100包括功率变换器104,该功率变换器是一 种开关变换器（switching converter),或者可以是一种DC-DC变换器（诸如降压（buck) 变换器、升压（boost)变换器或降压-升压（buck-boost)变换器），并用于将输入电源处理 并变换为适合负载110的形式的电力。在运行期间，所述开关变换器104的开关网络在高 频率运行，且产生出高频噪声信号及影响输入电流的波形的电流谐波并传输至所述电力电 子系统100的电源108。这类噪声信号及电流谐波可以被输入滤波器滤掉。优选地，所述 输入滤波器中的串联导通电路装置l〇2(SPD)是一种双极性结型晶体管（BJT)，且所述BJT 102在运行期间受控于控制机构106,其中所述BJT 102需要工作在其电流电压特性的线性 区。
[0045] 优选地，所述SPD或BJT 102以串联方式与所述开关变换器104相连。所述SPD 102的运作点通过控制机构106调节至BJT的线性区和饱和区的边界，该控制机构106包括 两个控制件："电流-控制（i_control) " 112和"电压-控制（v-control) " 114。所述"电 流-控制" 112具有其输入来连接控制件116以调节系统输出（如输出电压v _)，且 具有其输出ib以控制输入电流i s。因此，功率变换器104的输入电流的波形是受控于SPD 102,而SPD 102是受控于控制机构106。
[0046] "电压-控制"114的输入是SPD 102两端电压ντ与参考电压vT,raf之间的误差ve。 优选地，vT#f设置为稍大于饱和电压（例如小于IV)，以便减少SPD102的功耗。通过改变 功率变换器104的开关频率和开关占空比等的一些控制变量，所述"电压-控制"114的输 出U被用来控制所述功率变换器104的输入电压v ιη。利用这反馈机构1