DC/DC變換器中輸出濾波器的比較

對(duì)于第4類(lèi)波形，當(dāng)λ=1時(shí)，K4(λ)達(dá)到最低值。此時(shí)，圖2(d)的正弦半波電壓波形將占滿整個(gè)周期，電壓波形與第五類(lèi)波形相似；

對(duì)于第5類(lèi)波形，在整個(gè)頻率變化范圍內(nèi)，K5(λ)恒等于2/3。

通過(guò)K1(λ)與K4(λ)的比較可見(jiàn)，在整流級(jí)電壓的直流分量和導(dǎo)通時(shí)間相同的情況下，PWM變換器產(chǎn)生的方波比諧振變換器產(chǎn)生的正弦半波更容易濾波。

由上分析可知，K(λ)值越低，所需的濾波元件L、C值越小。因此，從濾波器大小的角度考慮，變換器應(yīng)當(dāng)盡可能設(shè)計(jì)工作在較低的K(λ)值下。但K(λ)往往受到電路拓?fù)涞南拗?，不能達(dá)到理論分析的最低值。常見(jiàn)的如在正激變換器中，因?yàn)橐壑钥紤]變壓器鐵心去磁和功率管的電壓應(yīng)力，因此占空比不能取得太高，從而限制了K4(λ)的取小。

3.2濾波元件大小的比較—LC(λ)

在比較濾波器電抗元件大小時(shí)，必須注意兩個(gè)重要的參量：

1）整流級(jí)電壓波形的首次非零諧波的幅值〔用

K(λ)表示〕；

2）該非零諧波的頻率。

對(duì)于一個(gè)LC輸出濾波器，可以從以上兩個(gè)方面出發(fā)，來(lái)提高其轉(zhuǎn)折頻率，從而減小濾波元件L、C的取值大小。具體描述如下：

1）如果能夠降低整流級(jí)電壓波形的首次非零諧波的幅值，則可以在保證相同輸出電壓紋波的情況下，適當(dāng)提高濾波器在諧波頻率處的增益，也即濾波器的轉(zhuǎn)折頻率得以適當(dāng)提高（如圖4，從A點(diǎn)移動(dòng)到B點(diǎn)）；

2）如果能夠提高首次非零諧波的頻率（如圖4，從A點(diǎn)移動(dòng)到C點(diǎn)），濾波器轉(zhuǎn)折頻率也得以提高，從而只需較小的濾波元件。

如在第2類(lèi)和第5類(lèi)電壓波形中，所要濾除的首次非零諧波，其頻率是開(kāi)關(guān)頻率的兩倍，因而這兩類(lèi)拓?fù)渲袨V波元件LC的乘積可以減小為其它類(lèi)電壓波形對(duì)應(yīng)取值的1/4。

表1電壓波形的直流分量、諧波含量與控制參量λ的關(guān)系

第1類(lèi)第2類(lèi)第3類(lèi)第4類(lèi)第5類(lèi)
平均值
一次諧波00
二次諧波
總表達(dá)式

2Upλ

sin(λπ)

Upλ

2Upλ

sin(2λπ)

sin(nλπ)

sin(2λπ)

sin(nλπ)(1＋cosnπ)

·sin(λπ)

·sin(2λπ)

·sin(nλπ)

·

·

·

·

圖4理想LC濾波器的波特圖

圖5歸一化的LC濾波器參數(shù)

為了對(duì)圖2中各種電壓波形在獲得相同輸出電壓紋波時(shí)，所用輸出濾波器的體積進(jìn)行比較直觀的比較，考慮首次非零諧波的幅值和頻率，對(duì)濾波參數(shù)LC乘積進(jìn)行了歸一化處理。分別如式（6）～式（10）所示。其對(duì)應(yīng)的關(guān)系示于圖5中。LC1(λ)=（6）LC2(λ)=（7）LC3(λ)=·（8）LC4(λ)=（9）LC5(λ)=（10）

從以上分析，可以直觀地看到：

1）第1類(lèi)正激式變換器中Dmax一般不超過(guò)0.5，而且受開(kāi)關(guān)損耗等因素的制約，開(kāi)關(guān)頻率不能取得太高，因此濾波元件LC的取值不能太小。

2）第2類(lèi)在這類(lèi)變換器中，整流級(jí)電壓的頻率是開(kāi)關(guān)頻率的2倍。而且，在移相控制全橋等典型變換器中，很容易實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)，因此可以適當(dāng)?shù)靥岣唛_(kāi)關(guān)頻率，從而大大減小濾波元件LC的乘積值。可見(jiàn)，從輸出濾波器體積這一角度出發(fā)，在恒頻應(yīng)用場(chǎng)合，這類(lèi)拓?fù)涫亲詈玫倪x擇之一。

3）第3類(lèi)從整流級(jí)電壓的諧波分量來(lái)看，該類(lèi)拓?fù)渚哂凶顑?yōu)的電壓波形。整流級(jí)電壓uR去除直流分量外，諧波分量電壓幅值很小。該類(lèi)變換器的最佳工作點(diǎn)對(duì)應(yīng)D=0.5。而且互補(bǔ)控制半橋變換器可以設(shè)計(jì)成零電壓開(kāi)關(guān)，從而容許適當(dāng)提高開(kāi)關(guān)頻率。因此只需兩個(gè)開(kāi)關(guān)管的互補(bǔ)控制半橋變換器對(duì)于輸入電壓變化范圍不太寬的場(chǎng)合，從整機(jī)體積考慮，是較好的選擇。

4）第4類(lèi)在同頻率下進(jìn)行比較，這類(lèi)電壓波形的諧波含量最大。但由于獲得這類(lèi)電壓波形的諧振變換器中開(kāi)關(guān)損耗相對(duì)較小，因而開(kāi)關(guān)頻率可以適當(dāng)提高，從而減小濾波元件的體積。 5）第5類(lèi)全波整流方式使得整流級(jí)電壓產(chǎn)生了倍頻效應(yīng)，而且諧振工作方式又使得開(kāi)關(guān)頻率的提高成為可能，因而對(duì)該類(lèi)整流級(jí)電壓進(jìn)行濾波，所用的濾波元件往往具有最小的體積。但產(chǎn)生第4類(lèi)和第5類(lèi)電壓波形的諧振變換器主要缺點(diǎn)是變換器的循環(huán)能量較大，使得變換效率降低，而且功率器件應(yīng)力高，因此限制了這些拓?fù)涞膽?yīng)用場(chǎng)合。

由以上分析可知，LC濾波元件大小與整流級(jí)電壓波形和變換器的開(kāi)關(guān)頻率有關(guān)。在恒頻PWM開(kāi)關(guān)變換器中，移相全橋和互補(bǔ)控制半橋具有較好的整流級(jí)電壓波形，而且因?yàn)檐涢_(kāi)關(guān)的實(shí)現(xiàn)，允許采用較高的開(kāi)關(guān)頻率從而又可進(jìn)一步減小輸出濾波元件大小。諧振變換器因開(kāi)關(guān)頻率可以取得較高，也可采用較小的濾波元件。

4設(shè)計(jì)結(jié)果比較

為了使比較的結(jié)果更接近實(shí)際，根據(jù)以下的技術(shù)指標(biāo)，分別對(duì)代表幾類(lèi)整流級(jí)電壓波形的五種變換器進(jìn)行了設(shè)計(jì)。在參數(shù)設(shè)計(jì)中，恒頻PWM變換器的開(kāi)關(guān)頻率選擇為fs=100kHz；諧振類(lèi)變換器的fsmin=300kHz。

變換器技術(shù)指標(biāo)如下：

輸入電壓Uin40～60V