正激式开关电源输出滤波特性的分析与仿真

通往电．潦　】｜：　２０１０年１月２５日第２７卷第１期　Ｔｅｌｅｃｏｍ　Ｐｏｗｅｒ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｊａｎ．２５，２０１　０，Ｖｏ１．２７　Ｎｏ．１　文章编号：１００９—３６６４（２０１０）０１—００２３—０２　拜瓤开发＿ｌ＿’　正激式开关电源输出滤波特性的分析与仿真　刘谈平，王召巴，吕娟　（中北大学，山西太原０３００５１）　摘要：文中对正激式开关电源的输出Ｉ　ＣＲ组合滤波特性进行了深入分析，在比较分析以往一些相关研究的基础上，　从时域和频域计算仿真了ＬＣＲ组合滤波器的功能性能以及关键零点频率，以指导变换器环路补偿设计。　关键词：正激；幅频特性；相频特性；等效串联电阻　中图分类号：ＴＮ８６。ＴＭ４６１　文献标识码：Ａ　Ｔｈｅ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　Ｏｕｔｐｕｔ　Ｆｉｌｔｅｒ　Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ　ｆｏｒ　Ｆｏｒｗａｒｄ　Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ　ＬＩＵ　Ｔａｎ—ｐｉｎｇ，ＷＡＮＧ　Ｚｈａｏ－ｂａ，ＬＶ　Ｊｕａｎ　（Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｎｏｒｔｈ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｃｈｉｎａ，Ｔａｉｙｕａｎ　０３００５　１，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ａｎａｌｙｚｅｓ　ｏｕｔｐｕｔ　Ｉ￣Ｒ　ｆｉｌｔｅｒ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ　ｄｅｅｐｌｙ　ｆｏｒ　ｆｏｒｗａｒｄ　ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ，ｍａｋｅ　ａ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｍｏｄｅｌ　ｔＯ　ｖｅｒｉｆｙ　ｉｔ　ａｎｄ　ｓｏｍｅ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ．Ｓｏｍｅ　ｃｏｍｍｏｎ　ｔｈｅｏｒｙ　ｆｒｏｍ　ｔｅｘｔｂｏｏｋｓ　ａｎｄ　ｐａｐｅｒｓ　ａｒｅ　ａｍｅｎｄｅｄ　ｔｏ　ｇｕｉｄｅ　ｔｈｅ　ｌｏｏｐ　ｃｏｍｐｅｎｓａ　ｔｉｏｎ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｆｏｒｗａｒｄ；ａｍｐｌｉｔｕｄｅ￣ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ；ｐｈａｓｅ—ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ；ＥＳＲ　０　引　言　性将出现非预期的结果　。　开关电源和电力电子变换器的工作，要求输出参　１　正激式变换器输出滤波特性的常规理论与　数在输入参数和输出负载变化的情况下保持稳定，并　存在问题　且不受其他扰动的影响，南于整个控制环路中有非线　在正激式变换器中，由于变压器初次级同名端同　性元件，会引起响应与输入之间的相移，因此设计中一　时输送能量的原因，输出需要配置电感与电容形成ＬＣ　个非常重要的方面就是对整个电源的控制环路进行补　滤波器。由于常规电解电容中存在的等效串联电阻　偿，电源的很多输出特性都与控制环路的设计优劣息　（ＥＳＲ）的影响，整个输出滤波频率相应会出现一个额　息相关ｌ１】　【，如在各种工况下的输出稳定性、输入与输　外的零点频率，这个零点频率的两端将是一４０　ｄＢ／ｄｅｃ　出负载剧烈变化下的瞬态响应［３］、以及抵抗各种噪声、　和一２０　ｄＢ／ｄｅｃ的幅频特性斜率，环路补偿设计必须　电磁干扰的能力。可以说控制环路补偿设计与磁设计　根据这个输出滤波特性进行相应的补偿设计。　是开关电源和电力电子变换器设计的核心，也是难点，　在以往的一些文献中（图１），给出了对常规ＬＣ输　文献［４］［５］［６］中有一些设计指导原则和示例。　出滤波特性的简要分析和确定各个频率拐点的公式，　因此，要求设计者对整个环路中的各个环节进行　１　频率响应分析和环路补偿设计，只有分析清楚环路中　首先出现Ｌｃ滤波的特征频率拐点　，在　７ｒ、／ＬＬ／　的每一个细节可能引起的幅频、相频转移特性的变化，　此频率之后幅频特性以一４０　ｄＢ／ｄｅｃ的斜率下降，相　才会在调试中清楚调整每一个元件参数可能引起的电　频特性则向一１８０。相移。之后随着频率越来越高，并　源特性的变化。一般来说，整个环路中可能引起相频　联电容的阻抗越来越小，电容的等效串联电阻开始在　特性明显变化的地方只有两处，一处是输出滤波环节，　ｐ　另一处就是误差放大补偿环节。深入分析清楚输出滤　滤波特性中表现逐步明显，当频率增高到　波环节，才能够准确无误地设计好需要的补偿环节，达　时，此时Ｒ。　＝２ｚｒｆ－ｅ　Ｌ，相位提高４５。。当频率继续升　到预期的设计要求。反之如果输出滤波环节分析不　高，输出滤波电路变为ＬＲ电路ｌ＿８］，斜率转变为按一２０　准，会误导出错误的补偿环节设计，整个产品的控制特　ｄＢ／ｄｅｃ衰减，相移趋向滞后９０。。　但是实际设计中发现，由于等效串联电阻很小，　收稿日期：２０｛｝９—０８—２７　Ｄ　作者简介：刘谈平（１９７６一），男，博士，山西省Ｉ】盏县人，中北大学，　ｆｅ　＝　并不会在一４０　ｄＢ／ｄｅｃ斜率的折线上出现，　从事功率电子电路与开关电源的理论研究与产品开发。　二７【１　王召巴（１９６７一），男，教授，博士生导师，中北大学，主要研究方　决定从一４０　ｄＢ／ｄｅｃ斜率转折到一２０　ｄＢ／ｄｅｃ斜率的　向为无损检测、测试技术、多维信息获取、处理与重构技术。　零点频率不是／　ｓｒ　ｐ　吕　娟（１９８２～），硕士，山西省太原市，中北大学，从事信息检测　，而是ｆｅｓｒ　１　。　技术方面的研究。　ＣｉＬ馋电潦技术　２０１０年１月２５目第２７卷第１期　Ｔｅｌｅｅｏｍ　Ｐｏｗｅｒ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｊａｎ．２５，２０１０，Ｖｏ１．２７　Ｎｏ．１　图１常规ＬＣ滤波幅频特性　图２　ＬＣ滤波等效电路　２正激式变换器输出滤波特性分析和计算　构建ＬＣ滤波器电路如图２，其中Ｌ为滤波电感，　Ｃ为滤波电容，Ｒ　为电容的等效串联电阻，Ｒ。　为模拟　负载。在这个电路图的频率响应中，有以下几个频率　点：　，　１　ｒ　Ｒ。　１　。一　＿　’Ｊ　一—２ｒｄ—．’＇，　一　其中，　为双极点频率，将引起一４０　ｄＢ／ｄｅｃ的转　折；其余两个单极点频率将引起一２０　ｄＢ／ｄｅｃ的转折。　由于负载只会引起幅频特性各点幅值的变化，以及各　个频率拐点的微调，不影响整个频率响应。因此可以　先针对空载情况进行分析。　通过图３来分析各个元件的频率响应：Ｒ　的阻抗　与频率无关，电感Ｌ的阻抗随着频率的增大而线性增　大，电容的阻抗随着频率的增大由无穷大逐渐变小。　电感阻抗线与Ｒ　阻抗线相交点就是　，电感阻抗线　与电容阻抗线相交点为　，电容阻抗线与　阻抗线　相交点为　，因此有关系＿厂　＜　＜　。由此可见，等　效串联电阻和电感组成的频率拐点必然低于ＬＣ频率　拐点，不可能是让幅频特性由一４０　ｄＢ／ｄｅｃ￣率拐向　一２０　ｄＢ／ｄｅｃ斜率的原因，这个零点频率也不能用．　Ｄ　＝石ｌ￣ｅｓｒ来计算。事实上，这个滤波器结构主要由两部　分组成，一是电感阻流滤波；另一个是电容吸收滤波或　电阻滤波。在不同的频段电容或电阻各占主要地位，　１　当频率大于．　＝　时，电阻起主要作用，因此这　￣：／ｔ－Ｉ、ｅｓｒｕ　个应该是零点的拐点。只有大于此点幅频特性才会进　入一２０　ｄＢ／ｄｅｃ斜率的稳定幅频特性区，这正是常规环　路补偿的零相移区。　３仿真验证　在Ｓａｂｅｒ软件中构建该滤波电路进行交流小信号　仿真分析，进一步验证上述推论。　其中，Ｌ＝１０　Ｈ，Ｃ＝１０　ｔＬＦ，Ｒ　＝０．１　Ｑ，仿真结　果如图４。　图４　ＬＣ滤波频率特性图　其中计算得　＝１５　ｋＨｚ，，’　＝１．５　ｋＨｚ，　＝１５０　ｋＨｚ。在　处由于电感阻抗很小，滤波效果不明显，　在　处由于空载导致幅频特性有上冲，此后幅频特性　按照一４０　ｄＢ／ｄｅｃ斜率急剧衰减，相频特性出现急剧　到１８０。的相位滞后。直到．厂２处出现明显缓和转变，之　后幅频特性进入一２０　ｄＢ／ｄｅｃ斜率衰减区，同时相频　特性转向９０。的相位滞后　，频响曲线得到了明显改　善。　４结论　在正激式变换器的输出滤波器中，ＬＣ产生双极　点，之后以一４０　ｄＢ／ｄｅｃ斜率衰减，由于电容串联等效　电阻引起的零点拐点频率是　瓦ｌ　，而不是／　，选择零相移补偿区应该在大于ｆ２　丽１　的　Ｌ　Ｋ…Ｌ，　地方。　参考文献：　［１］Ｒａｚｖｉ　Ｓ　Ｍ　Ａ，Ｂａｔａｒｓｅｈ　Ｉ，Ｑｕ　Ｚ．Ｎｅｇａｔｉｖｅ　ｆｅｅｄｂａｃｋ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｄｅｓｉｇｎ　ｆｏｒ　ａ　ＰＷＭ－ｂｕｃｋ　ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ［Ｃ］．ｓｏｕｔｈｃｏｎ／９５　Ｃｏｎ—　ｆｅｒｅｎｃｅ　Ｒｅｃｏｒｄ，１９９５，６０—６７．　［２２　Ｌｉｕ　Ｋ　Ｈ，Ｌｅｅ　Ｆ　Ｃ．Ｚｅｒｏ—ｖｏｌｔａｇｅ　ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ　ｔｅｃｈｉｎｉｑｕｅ　ｉｎ　ｄｅ／ｄｅ　ｃｏｎｖｅｒｔｅｒｓ　　ＪＣ　ｊ．ｉｎ　ＩＥＥＥ　１９８６　ＰＥＳＣ　Ｒｅｃ．，１　９８６．５８—　７Ｏ．　（下转第３７页）　通缱电潦　】－：　黄２０１０年１月２５日第２７卷第１期　勇等：基于ＬａｂＶＩＥＷ的数学形态　滤波器的设计与应用　Ｔｅｌｅｃｏｍ　Ｐｏｗｅｒ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｊａｎ．２５，２０１０，Ｖｏ１．２７　Ｎｏ．１　表１　消噪后信号的信噪比和滤波误差　Ｚ　邋　馨　从图４和表１中，可以得出数学形态滤波器能够　较好地消除信号中的噪声。本文中提出的采用两种结　构元素的改进形态滤波器的消噪性能要优于Ｍａｒａｇｏｓ　（ｄ）改进形态滤波器消噪后的信号　图５数学形态滤波器消噪的结果（Ｍａｔｌａｂ平台）　形态滤波器，能更好地去除信号中的噪声。　用Ｍａｔｌａｂ平台来仿真上面的电能信号，参数与上　面仿真参数相同，其结果见图５所示。　实现过程与结果，可以得出：　从表面结果上来看两者差别不大，但是Ｉ　ａｂ—　ＶＩＥＷ友好的、可视化的编程界面比Ｍａｔｌａｂ等文本编　程界面更容易让人接受，在实际的应用中，可以把此滤　波器结果用于工程领域，与ＬａｂＶＩＥＷ支持的硬件相　５　总　结　通过电能信号在Ｍａｔｌａｂ与ＬａｂＶＩＥＷ中消噪的　结合，以实现实时数据的传输和分析，对采样的数据进　行消噪。ＬａｂＶＩＥＷ程序具有并行特性，运行时间会　更少，更具有竞争力。改进的形态滤波器的消噪效果　要优于Ｍａｒａｇｏｓ滤波器，结构元素的选取是数学形态　滤波器的关键。　参考文献：　Ｚ　ｉ磐　哩　［１］　岳蔚，刘沛．基于数学形态学消噪的电能质量扰动检　测方法ＥＪ］．电力系统自动化，２００２，２６（７）：１３－１７．　Ｅ２２　崔　屹．图像处理与分析——数学形态学方法及应用　ＥＭ］．北京：科学出版社，２００２．　（ｂ）Ｍａｒａｇｏｓ滤波器消噪后的信号（三角形）　Ｚ　［３］　李博，熊晓燕，李东文．基于ＬａｂＶＩＥＷ的ＨＨＴ的研究　与应用［Ｊ］．机电工程技术，２００８，３７（１０）：１１１—１１４．　李天云，等．基于数学形态学和ＨＨＴ的　－Ｉ４］　张宇辉，贺健伟，罄　谐波和间谐波检测方法［Ｊ］．电网技术，２００８，３２（１７）：４６—　５１．　周　明，等．基于数学形态学和网格分形　－Ｉ５］　李庚银，罗艳，的电能质量扰动检测及定位【Ｊ］．中国电机工程学报，　（ｃ）Ｍａｒａｇｏｓ滤波器消噪后的信号（半圆）　２００６，２６（３）：２５—３０．　＇＇，ｍ＇ＩＤ＂，，，＇ｌ＇，ｍｌ＇，，’’，＇＇＇＇ｍ＇，ｌ’　＇’＇，，＇＇，＇ｌ，，，’’’’＇＇＇＇＇，，ｍ’ｌ’＇，，＇＇＇，，ｍＩ’＇＇，，＇＇ｌｌ’’＇’’＇＇＇　（上接第２４页）　Ｅ３２　Ｒｅｄｌ　Ｒ，Ｋｉｓｌｏｖｓｋｉ　Ａ　Ｓ，Ｔｅｌｅｃｏｍ　ｐｏｗｅｒ　ｓｕｐｐｌｉｅｓ　ａｎｄ　ｐｏｗｅｒ　ｑｕａｌｉｔｙＦＣ￣．Ｐｒｏｃ．ＩＮ　ＦＥＩ　ＥＣ＜）５，１９９５，１３—２１．　Ｅ４２　Ｄｉｘｏｎ　Ｉ　Ｈ．Ｃｌｏｓｅｉｎｇ　ｔｈｅ　ｆｅｅｄｂａｃｋ　ｌｏｏｐＥＺ￣．Ｕｎｉｔｒｏｄｅ　Ｐｏｗ—　ｅｒ　Ｓｕｐｐｌｙ　Ｄｅｓｉｇｎ　Ｓｅｍｉｎａｒ，Ｕｎｉｔｒｏｄｅ　Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ．１　９８３．　Ｊ　Ｒ　Ｔａｋｅｉｎｇ　ａｃｃｏｕｎｔ　ｏｆ　ｏｕｔｐｕｔ　ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ　ａｎｄ　ｃｒｏｓｓ—　［７２　Ｗｏｏｄ　ｏｖｅｒ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｉｎ　ｃｌｏｓｅｄ　ｌｏｏｐ　ｄｅｓｉｇｎ［Ｃ］．Ｐｒｏｃ．Ｐｏｗｅｒｃｏｎ　１（）．１９８３。１—１６．　［８］　Ｆｅｎ　Ｃｈｅｎ，Ｘｕａｎ　ＳａｎＣａｉ．ＰａｒａｍｅｔｅｒＯｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ　ｆｏｒ　ａ　ｌｌｉｎｇｓ　Ｋ　Ｈ．Ｈａｎｄｂｏｏｋ　ｏｆ　ｓｗｉｔｃｈ　ｍｏｄｅ　ｐｏｗｅｒ　ｓｕｐｐｌｉｅｓ　－Ｉｓ］　ＢｉＣｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ　Ｎｅｔｗｏｒｋ　ｏｆ　Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ　Ｒｅｇｕｌａｔｏｒ［Ｃ］．　ＩＥＥＥ　ＰＥＳＣ　Ｒｅｃｏｒｄ（Ｋｙｏｔｏ）．１　９９８，５　１　７—５２５．　ｒＺ］．Ｍｃｇｒａｗ－Ｈｉｌｌ　Ｉｎｃ．，１９８９．　Ｅ６］　Ａｎｄｒｅｓ　Ｂａｒａｄｏ，Ｒａｍｏｎ　Ｖａｚｑｕｅｚ，Ｅｍｉｌｉｏ　Ｏｌｉａｓ，Ａｎｔｏｎｉｏ　［９］　Ｈｌｌａｎｄ　Ｂ　Ｍｏｄｅｌｉｎｇ，Ａｎａｌｙｓｉｓ　ａｎｄ　Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｌａｚａｒｏ，Ｊｏｒｇｅ．Ｒｅｓｐｏｎｓｅ　Ｈｙｂｒｉｄ　Ｐｏｗｅｒ　ｓｕｐｐｌｙ［Ｊ］．ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓ．Ｐｏｗｅｒ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，２００４，１９（４）：１（）０３—１（）０９．　Ｃｕｒｒｅｎｔ　Ｍｏｄｅ　Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ［Ｊ］．ＰｏｗｅｒＣｏｎｌｌ　Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ，　１９８４，Ｈ（２）：１２３—１３１．　・３７・