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CN211508898U - 开关单元配置 - Google Patents

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CN211508898U CN201921305853.0U CN201921305853U CN211508898U CN 211508898 U CN211508898 U CN 211508898U CN 201921305853 U CN201921305853 U CN 201921305853U CN 211508898 U CN211508898 U CN 211508898U
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Ebien Peter Mulfingen GmbH
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Abstract

本实用新型涉及一种开关单元配置(1)，用于减小电子换向装置的无线电干扰电压谱，所述开关单元配置(1)具有用于动态改变来自n个开关单元回路的、各具有一个相的交变电流i1至in的相的相偏移以减小所述无线电干扰电压谱的装置，其中n∈N且n≥2，其中N表示正整数。由此，能以较低的电路复杂度减小无线电干扰电压。

Description

开关单元配置
技术领域
本实用新型涉及一种用于减小电子换向装置的无线电干扰电压的开关单元(Schaltzelle)。
背景技术
开关电源和换向装置由于高频切换(hochfrequente Taktung)而产生无线电干扰。无线电干扰借助电磁场在自由空间中传播，并且在有线条件下，通过电源连接线以高频电压和高频电流的形式传播。高频开关设备发射无线电干扰辐射。无线电干扰辐射作为无线电干扰场强 (单位为μV/m)被测量到。无线电干扰辐射的强度例如取决于被操作的电流和电压的边沿陡度，且主要取决于电路结构。为此，现有技术提供了试图减小干扰电压的装置和解决方案。
以开关电源领域为例，为了减小从电源获取的电流的畸变，也就是为了减小从电源获取的电流中的电源频率的谐波，已知的做法是将开关电源直接连接至由电源馈电的桥式整流器，二者之间不接滤波电容器。通过对开关电源中以高频切换模式工作的开关的接通和关断时间进行相应控制，可以从电源获取至少基本上无谐波的、具有正弦电源频率的电流。然而，这种电路的缺点在于，其所消耗的功率除了恒定分量外还包含随着双电源频率波动的分量，这是不希望的。
由EP 0 223 315 B1已知一种用于从正弦输入电压中产生直流电压的电路配置，该电路配置能减小低频时的干扰电压。为此，这种已知的电路配置包括包含有二极管、线圈、电容器和晶体管的开关电源，该开关电源通过整流器被施加实质上的正弦输入电压，且该开关电源的元件被布置成使得：在晶体管的导通状态下，二极管阻断，线圈电流至少通过晶体管而流动，在阻断状态下通过二极管以及并联的负载和电容器而流动。在脉冲发生器中，从输入电压中产生用于晶体管的开关脉冲，这些开关脉冲的频率在时间上不断地在经整流的输入电压达到最大值时的最小频率与该输入电压达到最小值时的最大频率之间变动。意即，这种电路配置在整流器与电容器之间连接了非电隔离的其他开关电源，这意味着较高的电路复杂度。
DE 35 37 536 A揭示能够有损抑制高频开关上的反回振荡脉冲 (Rückschwingimpuls)的抑制元件。这类电路限制高频开关上的反向电压的上升速度，因而可特别用来减小高频干扰。亦即，高频开关上的电压在切换至阻断状态时的上升速度越快，在高频开关的环境中始终存在的寄生电容(例如高频开关的与散热件连接的接头以及大地)中流动的电容性干扰电流就会变得越大。如果没有一开始就消除这样的干扰，就有可能需要使用复杂的电源滤波器来抑制这些干扰。但是，上述抑制元件也会增加电路复杂度。当必须在供电电路中共同采用上述已知的低频干扰和高频干扰抑制措施时，电路将变得特别复杂。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种能以较低的电路复杂度减小无线电干扰电压，特别是减小开关频率的谐波的电路配置。
本实用新型的基本理念是动态改变电路的相偏移，特别是通过以下方式：当至少两个以切换模式工作的电力电子开关单元并行运行时，通过对所述电力电子开关单元进行调制的载波信号的针对性的动态相移来操作所述电力电子开关单元，从而针对性地减小无线电干扰电压。
通过使用交错技术(也就是错时控制至少两个换向单元)，根据控制信号的相移而减少频谱中的单一谐波，基于本实用新型的动态相移，这意味着对谐波的动态影响，而由于测量仪的有限脉冲带宽，这种动态影响又能产生在测量仪的检波级(Detektorstufe)上测量到更低电平的结果。
特别地，为此，开关单元配置的至少一个开关单元的调制方案(Modulationsschema)的载波发生相偏移。在另一技术方案中，如下设置：通过改变相偏移以及通过开关单元配置的至少一个开关单元的调制方案的频率抖动而实现。
为此，本实用新型提出一种具有以下特性的开关单元配置：
动态改变来自n个开关单元回路的、各具有一个相的交变电流i1至in的相的相偏移以减小无线电干扰电压谱(FSS)，其中n∈N且n ≥2，其中N表示正整数。
其中，可以根据预定函数改变相偏移。
其中，电路被设计成使得相偏移快速进行，从而基于测量仪的有限脉冲宽度而减小无线电干扰电压谱(FSS)。
根据本实用新型，所述开关单元配置为此而具有：
a.包括至少两个平行布置的第一传导路径和第二传导路径的第一导线回路，所述第一传导路径和所述第二传导路径的第一公共传导节点与用于馈送输入交流电压U输入的公共输入侧第一接头连接，所述第一传导路径和所述第二传导路径的第二公共传导节点与用于提供输出交流电压U输出的第一公共输出侧接头连接，以及
b.包括至少两个平行布置的第三传导路径和第四传导路径的第二导线回路，所述第三传导路径和所述第四传导路径的第三公共传导节点与用于馈送所述输入交流电压U输入的公共输入侧第二接头连接，所述第三传导路径和所述第四传导路径的第四公共传导节点与用于提供所述输出交流电压U输出的第二公共输出侧接头连接，
c.所述第一导线回路和所述第二导线回路之间设有各具有至少一个开关的第五传导路径和第六传导路径，
d.控制电路，所述控制电路形成为用于错时地依次断开和闭合所述开关，使得通过所述第一传导路径和所述第二传导路径的电流的相以及通过所述第三传导路径和所述第四传导路径的电流的相相对偏移，使得包含在所述电流i1至in中的一个或数个电流峰值或谐波在总电流i总＝i1+i2+…+in中通过所述电流i1至in的叠加而减小或消除。
在本实用新型的特别有利的实施方式中，如下设置：所述控制电路形成为用于除了所述电流i1…in的相移
Figure DEST_PATH_GDA0002559792930000041
外还叠加频率抖动以改变所实现的所述相移的频率。
以下也是特别有利的：所述开关为此布置在所述第一导线回路的第一传导路径与所述第二导线回路的第三传导路径之间的第五传导路径中。
有利地，所述开关为此布置在所述第一导线回路的第二传导路径与所述第二导线回路的第四传导路径之间的第六传导路径中。
以下技术方案是进一步有利的：第一二极管布置在所述第二导线回路的第三传导路径中，且进一步地，第二二极管布置在所述第二导线回路的第四传导路径中。
在本实用新型进一步的有利技术方案中，如下设置：所述开关是电子开关。
在本实用新型进一步的有利技术方案中，如下设置：所述开关是功率半导体开关。
本实用新型的另一个方面(除了上述关于装置的说明还)涉及所述配置借助如前所述的开关单元配置至少以下述步骤来减小电子换向装置的无线电干扰电压的应用。控制电路错时地(以快速切换的方式) 依次操作两个开关，使得通过所述第一传导路径和所述第二传导路径的电流i1的相以及通过所述第三传导路径和所述第四传导路径的电流i2的相发生相对的相偏移，使得包含在电流i1和i2中的一个或数个电流峰值或谐波在总电流i总＝i1+i2中通过电流i1和i2的叠加而减小或消除。
本实用新型的核心理念涉及以下方面：动态改变相移
Figure DEST_PATH_GDA0002559792930000051
其实现方式为：借助控制电路在相移
Figure DEST_PATH_GDA0002559792930000052
上叠加用于快速改变频率的频率抖动。其中，如果所述改变发生于13kHz范围内，则为此所使用的相移改变将会变得特别有效。
在本实用新型进一步的有利技术方案中，如下设置：借助相抖动(Phasenjittering)将相位从180°改变为90°或者从90°改变为45°。
关于本实用新型其他有利改进方案的特征请参阅上文，下面参照附图并结合本实用新型的优选实施方案予以详细说明。
附图说明
其中：
图1为例示性的开关单元配置；
图2为总和电流i总的示意图；
图3为第一测量曲线的视图(交错180°)；
图4为第二测量曲线的视图(交错90°)；
图5为第三测量曲线的视图(交错45°)；
图6为第四测量曲线的视图(交错抖动)。
具体实施方式
下面参考图1至图6对本实用新型进行详细阐述，其中相同的附图标记指向相同的结构特征和/或功能特征。
图1示出例示性的开关单元配置1。这个开关单元配置1由包括两个平行布置的传导路径12、13的第一导线回路LS1组成，所述传导路径的其中一个公共传导节点10与用于馈送输入交流电压U输入的公共输入侧第一接头Ue1连接。
第二公共传导节点11与用于提供输出交流电压U输出的第一公共输出侧接头Ua1连接。
在本实施例中，输入电压小于输出电压，并且类似于升压转换器地使用所述配置。
第二导线回路LS2具有两个平行布置的传导路径22、23，所述传导路径的其中一个公共传导节点20与用于馈送输入交流电压U输入的公共输入侧第二接头Ue2连接。
如图1所示，所述传导路径的第二公共传导节点21与用于提供所述输出交流电压U输出的第二公共输出侧接头Ua2连接。
两个导线回路LS1、LS2之间设有各具有一个开关S1、S2的传导路径30、31。
此外，第一二极管D1在第二导线回路LS2的第一传导路径22 中布置在传导路径30的分支节点之后，并且同样地，第二二极管D2 在第二导线回路LS2的第二传导路径23中布置在传导路径31的分支节点25之后。在第二导线回路LS2的第一传导路径22中，进一步地在传导路径30的分支节点前面设有线圈L1，并且在第二导线回路 LS2的第二传导路径22中，进一步地在传导路径31的分支节点前面设有线圈L2。
通过接通开关S1，线圈L1中的电流i1升高。如果在上述的升压转换器模式下接着再断开开关S1，电流i1就会持续地流过线圈L1 和二极管D1并且在此过程中再度下降。通过接通开关S2，线圈L2 中的电流i2升高。如果在上述的升压转换器模式下接着再断开开关S2，电流i2就会持续地流过线圈L2和二极管D2并且在此过程中再度下降。
如果现在使用更多同样的换向单元(Kommutierungszelle)，输入电流就会分摊在各级之间。
如果将开关S1和S2的控制信号相对移动一个相位
Figure DEST_PATH_GDA0002559792930000071
如图2所示，高频电流纹波就会部分地彼此抵消。
这些措施会对电磁兼容性产生以下影响。对于无线电干扰电压的频谱而言，尤其是自150kHz起的频率特别值得关注。因此，在130 kHz的切换频率fPWM下，自二次谐波起的频率特别值得关注。
如果将总和电流i总拆分成频谱分量，则结果表明，与具体相位有关的特定谐波及其倍数在频谱中彼此抵消。180°相移时，这些谐波是1次、3次、5次、…谐波。90°相移时，2次、5次、7次、…谐波彼此抵消。每增加一个换向单元，就能根据相偏移多消除一个谐波及其倍数。
为此，可以分别设置其他的第一和第二导线回路，这些导线回路与各自相邻的导线回路共同形成两个平行布置的传导路径，所述传导路径的其中一个公共传导节点与用于馈送输入交流电压的公共输入侧接头连接，第二公共传导节点与公共输出侧接头连接，并且在所述导线回路之间分别设有各具有一个其他开关的其他传导路径，从而形成这些开关单元的级联式并联连接。
为了对开关S1、S2进行操作，设有控制电路，该控制电路形成为用于错时地依次断开和闭合两个开关S1、S2，使得通过其中一个传导路径22的电流i1的相以及通过第二传导路径23的电流i2的相相对偏移，使得包含在电流i1和i2中的一个或数个电流峰值或谐波在总电流i总＝i1+i1中通过电流i1和i2的叠加而减小或消除。
然而，完全消除单一的谐波是没有意义的，因为这样一来，相应的更高次谐波或者说低频谐波将会对极限值的遵守起决定性作用。
如果观察按照CISPR16测量无线电干扰电压所使用的无线电干扰测量仪，就会发现，该无线电干扰测量仪具有定义的脉冲带宽，该脉冲带宽根据测量频率而分成不同范围并且在150kHz-30MHz范围内具有9KHz的带宽。如果电路所产生的脉冲的频率大于9kHz，这些脉冲就会由于缺失的脉冲带宽而只是部分地被测量仪感知。
因此，解决方案如下：快速改变各换向单元(由上导线回路和下导线回路中的各一个传导路径、上路径中的相应线圈和二极管以及具有连接路径的开关组成)相对于彼此的相位，使得因移相切换 (phasenversetztes Takten)而产生的谐波总是变换着。其中，快速改变相位，使得这一变化处于测量仪的半个脉冲带宽上，从而减小实测干扰。切换频率与相位变化频率的商优选等于整数倍，这会对控制行为产生有利影响。
例如，在130kHz的切换频率和13kHz的相位变化频率下将相位从180°改变为90°(或者如测量所示从90°改变为45°)并再度改回来。由此而产生的且受相应交错影响的谐波因此而减小，并且可以减少满足电磁兼容性所需要的滤波器。
本实用新型的方案可以同时对数个谐波及其振幅分布施加影响。图3至图6中的后续视图例示性地示出通过信号发生器被输出至测量仪的输入端的标准化零均值电流的频谱。在交错值为180°的图3中没有二次谐波，这是因为仅消除了130kHz及其倍数。在交错值为90°的图4中，260kHz时没有三次谐波。在交错值为45°的图5中没有四次谐波。动态相位变化的优点清楚体现在图6中的最小振幅上，该图示出“以13kHz相位变化频率从45°到90°交错抖动”模式。
也可以结合频率变化来操作这个方案，以便进一步磨平 (Verschleifen)频谱。上述方案也可应用于例如两个或数个用于电动机换向的逆变器的并行运行。可以借助数学函数来控制相位变化，其中可以使用数个具有不同转变(跃变、持续变换等等)的相位以及一个连续变化的相。其中，各相位也可以分别选择不同长度的时间跨度。本实用新型的方案不仅对输入电流有影响，也对开关单元共同引发的干扰有影响。

Claims (11)

1.一种开关单元配置(1)，用于减小电子换向装置的无线电干扰电压谱，其特征在于，所述开关单元配置(1)具有用于动态改变来自n个开关单元回路的、各具有一个相的交变电流i1至in的相的相偏移以减小所述无线电干扰电压谱的装置，其中n∈N且n≥2，其中N表示正整数。
2.根据权利要求1所述的开关单元配置(1)，其特征在于，根据固定函数改变所述相偏移。
3.根据权利要求1或2所述的开关单元配置(1)，其特征在于，快速进行所述相偏移的时间变化，从而基于测量仪的有限脉冲宽度而减小所述无线电干扰电压谱。
4.根据权利要求1或2所述的开关单元配置(1)，其特征在于，具有：
a.至少一个包括至少两个平行布置的第一传导路径和第二传导路径(12、13)的第一导线回路(LS1)，所述第一传导路径和所述第二传导路径的第一公共传导节点(10)与用于馈送输入交流电压U输入的公共输入侧第一接头(Ue1)连接，所述第一传导路径和所述第二传导路径的第二公共传导节点(11)与用于提供输出交流电压U输出的第一公共输出侧接头(Ua1)连接，以及
b.至少一个包括至少两个平行布置的第三传导路径和第四传导路径(22、23)的第二导线回路(LS2)，所述第三传导路径和所述第四传导路径的第三公共传导节点(20)与用于馈送所述输入交流电压U输入的公共输入侧第二接头(Ue2)连接，所述第三传导路径和所述第四传导路径的第四公共传导节点(21)与用于提供所述输出交流电压U输出的第二公共输出侧接头(Ua2)连接，
c.所述第一导线回路和所述第二导线回路(LS1、LS2)之间设有各具有至少一个开关(S1、S2)的第五传导路径和第六传导路径(30、31)，
d.控制电路，所述控制电路形成为用于错时地依次断开和闭合所述开关，使得通过所述第一传导路径和所述第二传导路径的电流的相以及通过所述第三传导路径和所述第四传导路径的电流的相相对偏移，使得包含在所述电流i1至in中的一个或数个电流峰值或谐波在总电流i总＝i1+i2+…+in中通过所述电流i1至in的叠加而减小或消除。
5.根据权利要求4所述的开关单元配置(1)，其特征在于，所述控制电路形成为用于除了所述电流i1…in的相移
Figure DEST_PATH_FDA0002559792920000021
外还叠加频率抖动以改变所述相移的频率。
6.根据权利要求4所述的开关单元配置(1)，其特征在于，所述开关布置在所述第一导线回路(LS1)的第一传导路径(12)与所述第二导线回路(LS2)的第三传导路径(22)之间的第五传导路径(30)中。
7.根据权利要求4所述的开关单元配置(1)，其特征在于，所述开关布置在所述第一导线回路(LS1)的第二传导路径(13)与所述第二导线回路(LS2)的第四传导路径(23)之间的第六传导路径(31)中。
8.根据权利要求4所述的开关单元配置(1)，其特征在于，第一二极管(D1)布置在所述第二导线回路(LS2)的第三传导路径(22)中。
9.根据权利要求4所述的开关单元配置(1)，其特征在于，第二二极管(D2)布置在所述第二导线回路(LS2)的第四传导路径(23)中。
10.根据权利要求4所述的开关单元配置(1)，其特征在于，所述开关(S1、S2)是电子开关。
11.根据权利要求10所述的开关单元配置(1)，其特征在于，所述开关(S1、S2)是功率半导体开关。
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