采用多输入DC/DC变换器实现对谐波和纹波的抑制

摘要：电子仪器和设备中的电源越来越广泛地采用开关方式的DC/DC变换器，以致于工频电源中高次谐波的含量增多，国际IEC对此作了限制。文中提出采用多输入的DC/DC变换器，抑制输入电流的高次谐波，获得良好效果用前馈控制和反馈控制相结合的办法，使输出电压的低频纹波，由单输入时的280mV左右降至80mV左右；同时使功率因数得到提高，从而降低了谐波失真系数。

关键词：多输入，变换器，谐波失真，输出纹波，功率因数

近些年来，仪器仪表中的电源，已广泛地应用开关式的DC/DC变换器。但是，把工频电压整流，用大电容滤波，再送给DC/DC变换器以获得所需的电压。 这种方式会使输入电流产生很大的高次谐波，从而污染了电源. 利用与DC/DC变换器相串联的有源滤波器，可消除这种高次谐波. 但是，输入电能需要经过二次处理后才送达负载，显然，使效率降低。为此，我们采用多输入单输出的DC/DC变换器。利用它，既可抑制输入电流的高次谐波，又可以降低输出电压的纹波，并使功率因数获得提高。

1 　多输入DC/DC变换器的构成原理

图1 电路为两输入单输出的DC-DC变换器。该电路是两个共用变压器输出线圈N₃的反激变换器(1～5). 其中e_ac为工频电源电压，C_F1，C_F2，L_F构成高次谐波滤波器。 工频电源电压e_ac经桥式整流后作为上面的反激变换器的输入电压e₁。下面反激变换器的输入为一直流电源，如太阳能电池、燃料电池等. 上、下反激变换器共用变压器线圈N₃作为输出。 N_1，N₂与N₃之间的电感为L，E_r 为输出电压e₀的期望值。

图1 两输入单输出DC-DC变换器原理图
图2示出了该电路的PWM控制器原理框图。流经变压器原边N₁线圈的电流i₁经检测电阻R_s(该阻值很小)形成
e_s = i₁R_s 压降，与β₁e₁ 经加减运算电路后得e_s-β₁e₁ 并送入PWM 1控制器。 其输出V_s1作为开关管S₁ 的驱动信号，S₁的导通时间为T_on1。它采用的是前馈控制，目的是把e₁ 和i₁的扰动所引起的系统瞬态误差减到最小，以改善系统的瞬态响应。


图2 PWM 控制原理图

在V_s1的控制下，e₁ 经N₁，N₃变换后供负载R₀取用。但仅用这样的控制，R₀ 两端电压e₀会产生幅值很大的频率为2倍e_ac频率的纹波。为了消除e₀的这种低频纹波，我们采用另一路反馈控制。 即把E_r，β₂e₀经运算电路运算得E_r-β_2e0送入图2的PWM2控制器中。因V_s的周期T_s = 1/f_s为总开关周期。显然，对PWM控制，开关频率f_s为一个定值(即周期T_s固定) . 但一个周期T_s中，T_on和T_off是变化的。S₁和S₂的导通时间之和T_on1+T_on2 = T_on。因此，只要把T_on1与T_on取异或即可得到S₂的驱动波形V _s2。 其中S₁的导通时间T_on1采用前馈控制. 而T_on则采用反馈控制。可以推出，i₁在T_on1期间，应与工频电源电流i_ac的全波整流波形相似；而i₂则与i₁的相位相反。i₀=e₀/R₀应是一无纹波的固定值。其中i₁，i₂按线圈N₃进行规格化。电池E_B传送到负载部分的电流与( i₀-i₁) 的量相当。

2 　实验结果

i₁ ，i₂ 的实测波形如图3 (a)，(b) 所示，可见实测与理论推断是一致的。单输入单输出的DC/DC变换器(不含E_B部分) 时，e_ac ，i_ac和e₀的实测波形如图4 (a) ，(b) 所示。由于采用前馈控制，i_ac虽有较好波形，但输出电压e₀则有约280mV 的纹波。且此时电容C的容量要很大，约10000μF。可见，想用增大C的容量来减小纹波是困难的。
(a) i₁实测波形(b) i₂实测波形

图3 i₁和i₂波形
(a) e_ac ， i_ac实测波形图(b) e₀实测波形图　　　　

图4 　单输入单输出实测波形
垂直: e_ac为20V，格^-1， i_ac为100mA，格^-1；水平：5ms，格^-1

图5 (a)，(b)为采用两输入单输出的DC/DC变换器时e_ac ，i_ac和e₀的观测波形。此时e₀的纹波抑制在80mV 左右，这个值是较小的。i_ac的波形基本上为正弦波，高次谐波也被抑制了。只要进一步优化前馈和反馈控制回路各参数，e₀ 的纹波会进一步减小。
(a) e_ac ， i_ac实测波形图(b) e₀实测波形
　　 　　　　
图5 　双输入单输出实测波形
垂直：e_ac为20 V，格^-1， i_ac为100 mA，格^-1; 水平：5 ms，格^-1

3 　结束语

由上面的分析和测量可见，采用两输入的DC/DC变换器的好处。它既抑制输入电流的高频分量，降低输出电压e₀的纹波，又提高了功率因数。因此，使整个变换器的性能得到令人满意的改善。如果采用多于两个输入(如三输入以上)，可推想在抑制高频分量和降低e₀纹波方面会有更好的效果。但是，其控制部分的参数必须经过优化。