DC/DC變換器中輸出濾波器的比較

對于第4類波形，當(dāng)λ=1時，K4(λ)達到最低值。此時，圖2(d)的正弦半波電壓波形將占滿整個周期，電壓波形與第五類波形相似；

對于第5類波形，在整個頻率變化范圍內(nèi)，K5(λ)恒等于2/3。

通過K1(λ)與K4(λ)的比較可見，在整流級電壓的直流分量和導(dǎo)通時間相同的情況下，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?，不能達到理論分析的最低值。常見的如在正激變換器中，因為要折衷考慮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，必須注意兩個重要的參量：

1）整流級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。

對于一個LC輸出濾波器，可以從以上兩個方面出發(fā)，來提高其轉(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點移動到B點）；

2）如果能夠提高首次非零諧波的頻率（如圖4，從A點移動到C點），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)

為了對圖2中各種電壓波形在獲得相同輸出電壓紋波時，所用輸出濾波器的體積進行比較直觀的比較，考慮首次非零諧波的幅值和頻率，對濾波參數(shù)LC乘積進行了歸一化處理。分別如式（6）～式（10）所示。其對應(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0.5，而且受開關(guān)損耗等因素的制約，開關(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，整流級電壓的頻率是開關(guān)頻率的2倍。而且，在移相控制全橋等典型變換器中，很容易實現(xiàn)軟開關(guān)，因此可以適當(dāng)?shù)靥岣唛_關(guān)頻率，從而大大減小濾波元件LC的乘積值。可見，從輸出濾波器體積這一角度出發(fā)，在恒頻應(yīng)用場合，這類拓?fù)涫亲詈玫倪x擇之一。

3）第3類從整流級電壓的諧波分量來看，該類拓?fù)渚哂凶顑?yōu)的電壓波形。整流級電壓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對應(yīng)D=0.5。而且互補控制半橋變換器可以設(shè)計成零電壓開關(guān)，從而容許適當(dāng)提高開關(guān)頻率。因此只需兩個開關(guān)管的互補控制半橋變換器對于輸入電壓變化范圍不太寬的場合，從整機體積考慮，是較好的選擇。

4）第4類在同頻率下進行比較，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關(guān)損耗相對較小，因而開關(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電壓產(chǎn)生了倍頻效應(yīng)，而且諧振工作方式又使得開關(guān)頻率的提高成為可能，因而對該類整流級電壓進行濾波，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)用場合。

由以上分析可知，LC濾波元件大小與整流級電壓波形和變換器的開關(guān)頻率有關(guān)。在恒頻PWM開關(guān)變換器中，移相全橋和互補控制半橋具有較好的整流級電壓波形，而且因為軟開關(guān)的實現(xiàn)，允許采用較高的開關(guān)頻率從而又可進一步減小輸出濾波元件大小。諧振變換器因開關(guān)頻率可以取得較高，也可采用較小的濾波元件。

4設(shè)計結(jié)果比較

為了使比較的結(jié)果更接近實際，根據(jù)以下的技術(shù)指標(biāo)，分別對代表幾類整流級電壓波形的五種變換器進行了設(shè)計。在參數(shù)設(shè)計中，恒頻PWM變換器的開關(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