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，與變換器的動態性能、整機體積和成本等性能指標密切相關。在滿足技術指標的前提下，濾波元件的取值越小，對變換器整機性能的提高越有利，越能提高變換器的功率密度。在考慮開關頻率和軟開關技術等因素的情況下，對不同DC/DC變換器拓撲中的LC輸出濾波器進行了比較。結果表明，從輸出濾波器角度出發，某些變換器拓撲具有明顯的優勢。

關鍵詞：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，濾除整流級電壓的高頻諧波成分，給負載提供接近恒定的直流電壓，對變換器的性能和整機的體積重量有著很大的影響。在DC/DC變換器拓撲中，輸出濾波器通常采用基本的LC低通濾波器結構。其中，濾波元件L、C的取值主要由變換器拓撲形式和輸出電壓要求決定。

輸出濾波器對變換器的動態性能的影響較大。對應于頻域分析，一個LC濾波電路結構在其L、C諧振頻率處引入了雙極點，并由于濾波電容的ESR（等效串聯電阻）又引入了一個零點。而這一雙極點的頻率一般都比電路中其它因素引入的極點頻率低，因此變換器的動態性能往往由LC濾波環節參數決定。隨著L、C取值的降低，變換器功率級的動態響應可以得到顯著的提高。

而且，實際變換器整機的高度是由其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、超薄化的發展趨勢，為了能使變換器實現對空間的最大利用，希望電抗元件L、C的取值越小越好。而且，較小取值的L、C濾波元件一般也對應著較低的成本。可見，在濾波器參數的選擇中，L、C取值較小具有很大的優勢。

提高開關頻率是減小濾波元件L、C取值的有效途徑之一。但隨著開關頻率的提高，必然會使開關損耗和鐵心損耗的影響更加突出。也即，提高開關頻率受到變換器拓撲及開關器件、磁性元件的限制。為此，可以考慮采用軟開關技術，使得開關頻率得以提高，從而進一步減小濾波元件的體積。 本篇結合半波整流和全波整流方式，對恒頻PWM變換器和諧振類變換器中的整流級電壓進行了歸類，在考慮諧波含量、開關頻率、軟開關技術的情況下，對不同變換器拓撲中的LC輸出濾波器的大小進行了比較。

2整流級電壓波形

2.1整流級電壓波形分類

根據圖1所示變換拓撲的不同，整流級電壓波形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。這類拓撲由于變壓器鐵心去磁等問題，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撲中整流級電壓波形的頻率為開關頻率的兩倍，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，但加在整流級的電壓波形并不對稱。開關管Dmax為0.5，且對應D=0.5時，加于濾波器上的電壓是直流。

4）第4類如圖2(d)所示。雖然大多數諧振變換器工作于變頻方式，輸出電壓通過變頻來調節。但輸出濾波器必須按照變換器的最低工作頻率來設計，因此半波整流方式的諧振變換器(如準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（如并聯諧振變換器、串聯諧振變換器和串－并聯諧振變換器）產生，輸出電壓仍通過變頻方式來調節。整流級電壓波形幾乎保持不變，輸入電壓變化和負載變化時，該類波形電壓峰值的變化很小。

2.2整流級電壓波形分析

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，在相等的開關頻率下，第2類和第5類整流級電壓波形的頻率為其它類電壓波形頻率的2倍，因此在相等的開關頻率下，這兩類電壓波形不含有奇次諧波。

對于恒頻PWM變換器而言，最常用的控制參量是占空比D；對于諧振類變換器而言，最常用的控制參量是頻率f。為便于對以上5類電壓波形諧波的幅值進行比較，我們對D和f這2個控制參量進行了歸一化處理，用λ來統一表示。在前3類電壓波形對應的變換器中，λ=D；對于第4類電壓波形，λ等于歸一化的開關頻率(f/2fr)，其中fr為等效正弦半波的諧振頻率；對于第5類電壓波形，λ等于歸一化的開關頻率(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。從而可以根據這一歸一化

圖2整流級電壓波形

(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的關系曲線

的函數K(λ)來對各種變換器拓撲中濾波元件的體積進行比較。表1給出了各類電壓波形的平均值、1次諧波、2次諧波表達式及諧波的一般表達式。

從表1中，可以得到5類整流級電壓波形所對應的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的對應關系曲線如圖3所示。K(λ)=0表示該工作點處，諧波幅值為零。

對于第1類波形（正激類），當λ=1時，整流級電壓波形為直流；

對于第2和第3類波形，當λ=0.5時，整流級電壓波形為直流；