正激式開關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,山西 太原 030051)

0 引 言

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

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

1 正激式變換器輸出濾波特性的常規理論與存在問題

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。由于常規電解電容中存在的等效串聯電阻(ESR)的影響,整個輸出濾波頻率相應會出現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,環路補償設計必須根據這個輸出濾波特性進行相應的補償設計。

在以往的一些文獻中(圖1),給出了對常規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 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,并聯電容的阻抗越來越小,電容的等效串聯電阻開始在濾波特性中表現逐步明顯,當頻率增高到時,此時R esr=2πf esr L,相位提高45°。當頻率繼續升高,輸出濾波電路變為LR電路[8],斜率轉變為按-20 dB/dec衰減,相移趨向滯后90°。

圖1 常規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為電容的等效串聯電阻,RL為模擬負載。在這個電路圖的頻率響應中,有以下幾個頻率點：

其中,f0為雙極點頻率,將引起-40 dB/dec的轉折;其余兩個單極點頻率將引起-20 dB/dec的轉折。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,不影響整個頻率響應。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：Resr的阻抗與頻率無關,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,因此有關系 f 1＜f 0＜f 2。由此可見,等效串聯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,這個濾波器結構主要由兩部分組成,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,當頻率大于時,電阻起主要作用,因此這個應該是零點的拐點。只有大于此點幅頻特性才會進入-20 dB/dec斜率的穩定幅頻特性區,這正是常規環路補償的零相移區。

圖3 阻抗頻率響應

3 仿真驗證

在Saber軟件中構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,相頻特性出現急劇到180°的相位滯后。直到 f 2處出現明顯緩和轉變,之后幅頻特性進入-20 d B/dec斜率衰減區,同時相頻特性轉向90°的相位滯后[9],頻響曲線得到了明顯改善。

4 結 論

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

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