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。在考慮開關(guān)頻率和軟開關(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?？梢姡跒V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。但隨著開關(guān)頻率的提高，必然會(huì)使開關(guān)損耗和鐵心損耗的影響更加突出。也即，提高開關(guān)頻率受到變換器拓?fù)浼伴_關(guān)器件、磁性元件的限制。為此，可以考慮采用軟開關(guān)技術(shù)，使得開關(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、開關(guān)頻率、軟開關(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心去磁等問題，最大占空比Dmax一般不超過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，輸出電壓通過變頻來調(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，輸出電壓仍通過變頻方式來調(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決定。在圖2中，可以看到，在相等的開關(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；