DC/DC變換器中輸出濾波器的比較

輸出電流10A

輸出電壓紋波33mV

開(kāi)關(guān)頻率fs100kHz（PWM類變換器）；300kHz(fsmin)（諧振類變換器）

1）第1類有源箝位正激變換器，如圖6所示。

CCM工作模式下，正激變換器的輸入電壓Uin與輸出電壓Uo之間的關(guān)系可表示為

DC/DC變換器中輸出濾波器的比較

圖6有源箝位正激變換器

圖7移相控制全橋變換器

圖8互補(bǔ)控制半橋變換器

(a)主電路

(b)主要工作波形

Uo=D（11）
式中：n為變壓器T的匝比。

在正激變換器的設(shè)計(jì)中，Dmax的選擇不僅影響輸出濾波器的設(shè)計(jì)，而且對(duì)功率管的電壓應(yīng)力也有較大的影響。出于折衷考慮，通常取Dmax為0.5。表2給出了該變換器中隨輸入電壓變化時(shí)，占空比的變化情況以及對(duì)應(yīng)輸出濾波電容取為47μF理想電容(為便于比較，以下類型的變換器中，濾波電容也取為同一值)時(shí)，當(dāng)滿足33mV輸出電壓紋波要求時(shí)，每一占空比所對(duì)應(yīng)的濾波電感取值情況。

表2第1類的濾波器電感值匝比n=640V50V60V
占空比D0.500.400.33
電感(μH)13.3015.9617.82
2）第2類移相控制全橋變換器，如圖7所示。

CCM工作模式下，移相控制全橋變換器的輸入電壓Uin與輸出電壓Uo之間的關(guān)系可表示為Uo=D(12)

這里Dmax=0.5。表3給出了占空比和所需輸出濾波電感值隨輸入電壓變化時(shí)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。 表3第2類的濾波器電感值匝比n=1240V50V60V
占空比D0.500.400.33
電感(μH)01.332.26
3）第3類互補(bǔ)控制半橋變換器

如圖8(a)所示，為互補(bǔ)控制半橋變換器。其主電路的形式和傳統(tǒng)對(duì)稱半橋相同，只是控制方法不同，兩只功率管S1、S2在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)交替互補(bǔ)導(dǎo)通，隨著占空比的變化，分壓電容上的電壓也相應(yīng)地發(fā)生變化來(lái)保持變壓器伏秒積的平衡。該變換器的主要波形如圖8(b)所示。而且在兩管換流的死區(qū)時(shí)間內(nèi)，通過(guò)變壓器的漏感和MOSFET寄生輸出電容之間的諧振，可以實(shí)現(xiàn)功率管的零電壓開(kāi)通。這一拓?fù)涞闹饕秉c(diǎn)在于對(duì)輸入電壓變化比較敏感，不適合用于輸入電壓變化范圍寬的場(chǎng)合。 CCM工作模式下，互補(bǔ)控制半橋變換器的輸入電壓Uin與輸出電壓Uo之間的關(guān)系可表示為Uo=D(1－D)(13)

這里Dmax=0.5。表4給出了占空比和所需濾波電感值隨輸入電壓變化時(shí)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

表4第3類的濾波器電感值匝比n=640V50V60V
占空比D0.500.270.21
電感(μH)06.127.71
4）第4類多諧正激變換器

多諧正激變換器中整流級(jí)電壓諧波含量與諧振頻率和開(kāi)關(guān)頻率的比值有關(guān)。輸出濾波器按最低的開(kāi)

開(kāi)關(guān)整流器的工裝方式

關(guān)頻率(300kHz)來(lái)設(shè)計(jì)。在此最低開(kāi)關(guān)頻率處要達(dá)到濾波要求，輸出濾波電感至少取值為1.86μH。

5）第5類并聯(lián)諧振變換器

并聯(lián)諧振變換器中，全波整流方式使得整流級(jí)電壓的最低頻率提高為600kHz。這使得在最低開(kāi)關(guān)頻率處要達(dá)到濾波要求時(shí)，輸出濾波電感值只需大于200nH即可。

為便于比較，設(shè)計(jì)制作電感時(shí)，均取相同的電流密度j（5A/mm2），以及相同的最大磁密Bm（0.3T），選用Philips公司的3F3磁性材料，設(shè)計(jì)結(jié)果如表5所示。

表5輸出濾波電感的鐵心大小電容C=47μF電感量(μH)鐵心尺寸
第1類17.82RM10
第2類2.26RM6
第3類7.71RM8
第4類1.86RM6
第5類0.20RM4
設(shè)計(jì)結(jié)果表明：第5類變換器所用的輸出濾波電感體積最小；第4類變換器因開(kāi)關(guān)頻率較高也具有較小的輸出濾波電感。在恒頻PWM變換器中，從輸出濾波元件大小角度考慮，第2類變換器是最優(yōu)的。第3類變換器由于占空比變化范圍較寬所需的鐵心體積較大。第1類變換器所需的鐵心體積最大。

5結(jié)語(yǔ)

本文給出了不同的DC/DC變換器拓?fù)渲蠰C輸出濾波器大小的比較分析。根據(jù)加到輸出濾波器前的整流級(jí)電壓波形，把這些DC/DC變換器劃分為5類，并從整流級(jí)電壓波形的諧波含量和頻率出發(fā)，對(duì)滿足相同技術(shù)指標(biāo)條件下各類變換器中所需的輸出濾波元件進(jìn)行了比較。

結(jié)果表明，移相控制全橋變換器和互補(bǔ)控制半橋變換器在恒頻PWM工作的DC/DC變換器中具有最小的輸出濾波器。應(yīng)用全波整流方式的諧振變換器也具有較小的輸出濾波器，但存在循環(huán)能量高、開(kāi)關(guān)管應(yīng)力大等缺陷。本文分析結(jié)果有助于DC/DC變換器拓?fù)涞暮侠磉x擇。