正激式開關(guān)電源輸出濾波特性的分析與仿真

劉談平,王召巴,呂 娟

(中北大學(xué),山西 太原 030051)

0 引 言

開關(guān)電源和電力電子變換器的工作,要求輸出參數(shù)在輸入?yún)?shù)和輸出負載變化的情況下保持穩(wěn)定,并且不受其他擾動的影響,由于整個控制環(huán)路中有非線性元件,會引起響應(yīng)與輸入之間的相移,因此設(shè)計中一個非常重要的方面就是對整個電源的控制環(huán)路進行補償,電源的很多輸出特性都與控制環(huán)路的設(shè)計優(yōu)劣息息相關(guān)[1][2],如在各種工況下的輸出穩(wěn)定性、輸入與輸出負載劇烈變化下的瞬態(tài)響應(yīng)[3]、以及抵抗各種噪聲、電磁干擾的能力?？梢哉f控制環(huán)路補償設(shè)計與磁設(shè)計是開關(guān)電源和電力電子變換器設(shè)計的核心,也是難點,文獻[4][5][6]中有一些設(shè)計指導(dǎo)原則和示例。

因此,要求設(shè)計者對整個環(huán)路中的各個環(huán)節(jié)進行頻率響應(yīng)分析和環(huán)路補償設(shè)計,只有分析清楚環(huán)路中的每一個細節(jié)可能引起的幅頻、相頻轉(zhuǎn)移特性的變化,才會在調(diào)試中清楚調(diào)整每一個元件參數(shù)可能引起的電源特性的變化。一般來說,整個環(huán)路中可能引起相頻特性明顯變化的地方只有兩處,一處是輸出濾波環(huán)節(jié),另一處就是誤差放大補償環(huán)節(jié)。深入分析清楚輸出濾波環(huán)節(jié),才能夠準確無誤地設(shè)計好需要的補償環(huán)節(jié),達到預(yù)期的設(shè)計要求。反之如果輸出濾波環(huán)節(jié)分析不準,會誤導(dǎo)出錯誤的補償環(huán)節(jié)設(shè)計,整個產(chǎn)品的控制特性將出現(xiàn)非預(yù)期的結(jié)果[7]。

1 正激式變換器輸出濾波特性的常規(guī)理論與存在問題

在正激式變換器中,由于變壓器初次級同名端同時輸送能量的原因,輸出需要配置電感與電容形成LC濾波器。由于常規(guī)電解電容中存在的等效串聯(lián)電阻(ESR)的影響,整個輸出濾波頻率相應(yīng)會出現(xiàn)一個額外的零點頻率,這個零點頻率的兩端將是-40 dB/dec和-20 dB/dec的幅頻特性斜率,環(huán)路補償設(shè)計必須根據(jù)這個輸出濾波特性進行相應(yīng)的補償設(shè)計。

在以往的一些文獻中(圖1),給出了對常規(guī)LC輸出濾波特性的簡要分析和確定各個頻率拐點的公式,首先出現(xiàn) LC濾波的特征頻率拐點在此頻率之后幅頻特性以-40 d B/dec的斜率下降,相頻特性則向-180°相移。之后隨著頻率越來越高,并聯(lián)電容的阻抗越來越小,電容的等效串聯(lián)電阻開始在濾波特性中表現(xiàn)逐步明顯,當(dāng)頻率增高到時,此時R esr=2πf esr L,相位提高45°。當(dāng)頻率繼續(xù)升高,輸出濾波電路變?yōu)長R電路[8],斜率轉(zhuǎn)變?yōu)榘?20 dB/dec衰減,相移趨向滯后90°。

圖1 常規(guī)LC濾波幅頻特性

圖2 LC濾波等效電路

2 正激式變換器輸出濾波特性分析和計算

構(gòu)建LC濾波器電路如圖2,其中L為濾波電感,C為濾波電容,Resr為電容的等效串聯(lián)電阻,RL為模擬負載。在這個電路圖的頻率響應(yīng)中,有以下幾個頻率點：

其中,f0為雙極點頻率,將引起-40 dB/dec的轉(zhuǎn)折;其余兩個單極點頻率將引起-20 dB/dec的轉(zhuǎn)折。由于負載只會引起幅頻特性各點幅值的變化,以及各個頻率拐點的微調(diào),不影響整個頻率響應(yīng)。因此可以先針對空載情況進行分析。

通過圖3來分析各個元件的頻率響應(yīng)：Resr的阻抗與頻率無關(guān),電感L的阻抗隨著頻率的增大而線性增大,電容的阻抗隨著頻率的增大由無窮大逐漸變小。電感阻抗線與Resr阻抗線相交點就是 f 1,電感阻抗線與電容阻抗線相交點為 f0,電容阻抗線與Resr阻抗線相交點為 f 2,因此有關(guān)系 f 1＜f 0＜f 2。由此可見,等效串聯(lián)電阻和電感組成的頻率拐點必然低于LC頻率拐點,不可能是讓幅頻特性由-40 d B/dec斜率拐向-20 dB/dec斜率的原因,這個零點頻率也不能用 f esr來計算。事實上,這個濾波器結(jié)構(gòu)主要由兩部分組成,一是電感阻流濾波;另一個是電容吸收濾波或電阻濾波。在不同的頻段電容或電阻各占主要地位,當(dāng)頻率大于時,電阻起主要作用,因此這個應(yīng)該是零點的拐點。只有大于此點幅頻特性才會進入-20 dB/dec斜率的穩(wěn)定幅頻特性區(qū),這正是常規(guī)環(huán)路補償?shù)牧阆嘁茀^(qū)。

圖3 阻抗頻率響應(yīng)

3 仿真驗證

在Saber軟件中構(gòu)建該濾波電路進行交流小信號仿真分析,進一步驗證上述推論。

其中,L=10μH,C=10μF,R esr=0.1Ω,仿真結(jié)果如圖4。

圖4 LC濾波頻率特性圖

其中計算得 f0=15 k Hz,f1=1.5 k Hz,f2=150 k Hz。在 f 1處由于電感阻抗很小,濾波效果不明顯,在f0處由于空載導(dǎo)致幅頻特性有上沖,此后幅頻特性按照-40 dB/dec斜率急劇衰減,相頻特性出現(xiàn)急劇到180°的相位滯后。直到 f 2處出現(xiàn)明顯緩和轉(zhuǎn)變,之后幅頻特性進入-20 d B/dec斜率衰減區(qū),同時相頻特性轉(zhuǎn)向90°的相位滯后[9],頻響曲線得到了明顯改善。

4 結(jié) 論

在正激式變換器的輸出濾波器中,LC產(chǎn)生雙極點,之后以-40 d B/dec斜率衰減,由于電容串聯(lián)等效電阻引起的零點拐點頻率是,而不是 f 1選擇零相移補償區(qū)應(yīng)該在大于的地方。

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