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；

對(duì)于第4類波形，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，電壓波形與第五類波形相似；

對(duì)于第5類波形，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類和第5類電壓波形中，所要濾除的首次非零諧波，其頻率是開(kāi)關(guān)頻率的兩倍，因而這兩類拓?fù)渲袨V波元件LC的乘積可以減小為其它類電壓波形對(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類第2類第3類第4類第5類
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類在這類變換器中，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，這類拓?fù)涫亲詈玫倪x擇之一。

3）第3類從整流級(jí)電壓的諧波分量來(lái)看，該類拓?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類在同頻率下進(jìn)行比較，這類電壓波形的諧波含量最大。但由于獲得這類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類和第5類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；諧振類變換器的fsmin=300kHz。

變換器技術(shù)指標(biāo)如下：

輸入電壓Uin40～60V

輸出電壓Uo3.3V

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??；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。

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