DC/DC變換器中輸出濾波器的比較

摘要：輸出濾波器是DC/DC變換器中的重要組成部分，與變換器的動(dòng)態(tài)性能、整機(jī)體積和成本等性能指標(biāo)密切相關(guān)。在滿足技術(shù)指標(biāo)的前提下，濾波元件的取值越小，對(duì)變換器整機(jī)性能的提高越有利，越能提高變換器的功率密度。在考慮開(kāi)關(guān)頻率和軟開(kāi)關(guān)技術(shù)等因素的情況下，對(duì)不同DC/DC變換器拓?fù)渲械腖C輸出濾波器進(jìn)行了比較。結(jié)果表明，從輸出濾波器角度出發(fā)，某些變換器拓?fù)渚哂忻黠@的優(yōu)勢(shì)。

關(guān)鍵詞：輸出濾波器；體積；比較；DC/DC變換

1引言

輸出濾波器作為DC/DC變換器中的重要組成部分，通過(guò)其低通濾波作用，濾除整流級(jí)電壓的高頻諧波成分，給負(fù)載提供接近恒定的直流電壓，對(duì)變換器的性能和整機(jī)的體積重量有著很大的影響。在DC/DC變換器拓?fù)渲?，輸出濾波器通常采用基本的LC低通濾波器結(jié)構(gòu)。其中，濾波元件L、C的取值主要由變換器拓?fù)湫问胶洼敵鲭妷阂鬀Q定。

輸出濾波器對(duì)變換器的動(dòng)態(tài)性能的影響較大。對(duì)應(yīng)于頻域分析，一個(gè)LC濾波電路結(jié)構(gòu)在其L、C諧振頻率處引入了雙極點(diǎn)，并由于濾波電容的ESR（等效串聯(lián)電阻）又引入了一個(gè)零點(diǎn)。而這一雙極點(diǎn)的頻率一般都比電路中其它因素引入的極點(diǎn)頻率低，因此變換器的動(dòng)態(tài)性能往往由LC濾波環(huán)節(jié)參數(shù)決定。隨著L、C取值的降低，變換器功率級(jí)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)可以得到顯著的提高。

而且，實(shí)際變換器整機(jī)的高度是由其PCB上最高的元器件決定的，而電感等磁性元件和大電解濾波電容器往往是PCB上最高的元器件，隨著變換器小型化、超薄化的發(fā)展趨勢(shì)，為了能使變換器實(shí)現(xiàn)對(duì)空間的最大利用，希望電抗元件L、C的取值越小越好。而且，較小取值的L、C濾波元件一般也對(duì)應(yīng)著較低的成本。可見(jiàn)，在濾波器參數(shù)的選擇中，L、C取值較小具有很大的優(yōu)勢(shì)。

提高開(kāi)關(guān)頻率是減小濾波元件L、C取值的有效途徑之一。但隨著開(kāi)關(guān)頻率的提高，必然會(huì)使開(kāi)關(guān)損耗和鐵心損耗的影響更加突出。也即，提高開(kāi)關(guān)頻率受到變換器拓?fù)浼伴_(kāi)關(guān)器件、磁性元件的限制。為此，可以考慮采用軟開(kāi)關(guān)技術(shù)，使得開(kāi)關(guān)頻率得以提高，從而進(jìn)一步減小濾波元件的體積。 本篇結(jié)合半波整流和全波整流方式，對(duì)恒頻PWM變換器和諧振類變換器中的整流級(jí)電壓進(jìn)行了歸類，在考慮諧波含量、開(kāi)關(guān)頻率、軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的情況下，對(duì)不同變換器拓?fù)渲械腖C輸出濾波器的大小進(jìn)行了比較。

2整流級(jí)電壓波形

2.1整流級(jí)電壓波形分類

根據(jù)圖1所示變換拓?fù)涞牟煌骷?jí)電壓波形uR大致可分為五種類型，如圖2所示。

1）第1類如圖2(a)所示。這類電壓波形由PWM變換器（如正激式）中的半波整流得到。這類拓?fù)溆捎谧儔浩麒F心去磁等問(wèn)題，最大占空比Dmax一般不超過(guò)0.5。

2）第2類如圖2(b)所示。這類電壓波形由PWM變換器（如橋式、推挽、移相全橋等）中的全波整流得到。全波整流方式使得這些拓?fù)渲姓骷?jí)電壓波形的頻率為開(kāi)關(guān)頻率的兩倍，大大減小了輸出濾波器的體積。

3）第3類如圖2(c)所示。這類電壓波形由互補(bǔ)控制半橋等PWM變換器得到，整流電路仍為全波整流形式，但加在整流級(jí)的電壓波形并不對(duì)稱。開(kāi)關(guān)管Dmax為0.5，且對(duì)應(yīng)D=0.5時(shí)，加于濾波器上的電壓是直流。

4）第4類如圖2(d)所示。雖然大多數(shù)諧振變換器工作于變頻方式，輸出電壓通過(guò)變頻來(lái)調(diào)節(jié)。但輸出濾波器必須按照變換器的最低工作頻率來(lái)設(shè)計(jì)，因此半波整流方式的諧振變換器(如準(zhǔn)諧振變換器和多諧變換器)可以用這類波形來(lái)近似表示。

5）第5類如圖2(e)所示。該類電壓波形由全波整流諧振變換器（如并聯(lián)諧振變換器、串聯(lián)諧振變換器和串－并聯(lián)諧振變換器）產(chǎn)生，輸出電壓仍通過(guò)變頻方式來(lái)調(diào)節(jié)。整流級(jí)電壓波形幾乎保持不變，輸入電壓變化和負(fù)載變化時(shí)，該類波形電壓峰值的變化很小。

2.2整流級(jí)電壓波形分析

圖2中的5類電壓波形均可視為是由其直流分量（等于輸出電壓Uo）與高頻諧波分量疊加而成的。在以下對(duì)濾波器的比較中，假定濾波元件大小由各電壓波形的首次非零諧波的幅值和頻率來(lái)決定。在圖2中，可以看到，在相等的開(kāi)關(guān)頻率下，第2類和第5類整流級(jí)電壓波形的頻率為其它類電壓波形頻率的2倍，因此在相等的開(kāi)關(guān)頻率下，這兩類電壓波形不含有奇次諧波。

對(duì)于恒頻PWM變換器而言，最常用的控制參量是占空比D；對(duì)于諧振類變換器而言，最常用的控制參量是頻率f。為便于對(duì)以上5類電壓波形諧波的幅值進(jìn)行比較，我們對(duì)D和f這2個(gè)控制參量進(jìn)行了歸一化處理，用λ來(lái)統(tǒng)一表示。在前3類電壓波形對(duì)應(yīng)的變換器中，λ=D；對(duì)于第4類電壓波形，λ等于歸一化的開(kāi)關(guān)頻率(f/2fr)，其中fr為等效正弦半波的諧振頻率；對(duì)于第5類電壓波形，λ等于歸一化的開(kāi)關(guān)頻率(f/fr)。從而歸一化參量λ從0到1變化。

3濾波器大小的比較

3.1諧波含量的量度—K(λ)

首先，定義K(λ)為各電壓波形首次非零諧波的幅值與其直流分量的比值。從而可以根據(jù)這一歸一化

圖2整流級(jí)電壓波形

(a)半波整流

(b)全波整流

圖1整流方式

(c)第3類

(b)第2類

(a)第1類

(e)第5類

(d)第4類

DC/DC變換器中輸出濾波器的比較

圖35類電壓波形K(λ)與λ的關(guān)系曲線

的函數(shù)K(λ)來(lái)對(duì)各種變換器拓?fù)渲袨V波元件的體積進(jìn)行比較。表1給出了各類電壓波形的平均值、1次諧波、2次諧波表達(dá)式及諧波的一般表達(dá)式。

從表1中，可以得到5類整流級(jí)電壓波形所對(duì)應(yīng)的K(λ)分別如式(1)～式（5）所示。K1(λ)=(1)K2(λ)=(2)K3(λ)=·(3)K4(λ)=(4)K5(λ)=(5)

上述5類電壓波形K(λ)與λ的對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線如圖3所示。K(λ)=0表示該工作點(diǎn)處，諧波幅值為零。

對(duì)于第1類波形（正激類），當(dāng)λ=1時(shí)，整流級(jí)電壓波形為直流；

對(duì)于第2和第3類波形，當(dāng)λ=0.5時(shí)，整流級(jí)電壓波形為直流；