用瞬時並聯補償技術消除直流開關電源輸出高頻紋波的方法

2023-10-25 01:38:52

專利名稱：用瞬時並聯補償技術消除直流開關電源輸出高頻紋波的方法
技術領域：
本發明涉及一種消除直流開關電源輸出高頻紋波的方法，特別是一種用瞬時 並聯補償技術消除直流開關電源輸出高頻紋波的方法，屬於電學領域。
技術背景加速器勵磁電源和雷達電源等精密設備需要高性能的直流穩壓電源供電，特 別是要求超低紋波。因此在小功率場合往往採用高性能的線性直流電源，而在中 大功率場合涉及到效率問題就必須選用直流開關電源，所以超低紋波是直流開關 電源的發展方向之一。開關電源輸出紋波產生的原因主要有輸入電源低頻波動 (整流濾波中的輸入交流電源噪聲)、高頻紋波、共模噪聲、控制環路附加噪聲 等，針對直流開關電源輸出中的高頻紋波，多是採用加大濾波參數或多級濾波的 方法來儘量減小高頻紋波滿足輸出指標要求，但不能完全消除高頻紋波。有文獻 指出兩電感有耦合的Cuk變換器通過兩個電感的相互耦合可以把Cuk變換器的輸 入、輸出電流波動、紋波減小到任意程度。但是Cuk變換器用於能量轉換的電容 器需要耐受極大的紋波電流，功率開關管和二極體的電流和電壓容量都要大一 些，因而器件成本比較高。有文獻提出一種組合式低紋波開關電源方案，但電路 採用兩級串聯結構，輸出多級濾波，電路成本也較高，且只適宜於輸出高壓小功 率的場合。有文獻用無源濾波器和有源濾波器構成的混合濾波器方案實現輸出電 流低紋波，但該方案的電路結構和控制策略都較複雜，還需要檢測紋波電壓，這 也會帶來移相誤差，並且濾波電感參數都較大。有文獻根據Cuk電路的磁集成原 理，提出了一種"帶互感器的輸出零紋波"整流濾波電路，是假設儲能電容為無 限大而得到的。但在實際應用過程中，儲能電容的值總是有限的。因此，在實際 電路中，總是存在一定的輸出紋波。也有文獻採用輸出倍流整流電路來減小輸出 紋波，但倍流整流只有在佔空比為百分之五十時才能實現零紋波，顯然不適宜於 電踭調整的情況。從直流開關電源的原理可知，由於其輸出端LC濾波電路中濾 波電感的電流有波動，使得濾波電容的電流也是波動的，從而使得電容兩端電壓 或輸出電壓有紋波。可以通過提高開關頻率和增大濾波參數減小輸出高頻紋波。 但考慮開關損耗、整機成本等因素不能無限地提高開關頻率或增大濾波參數。因此直流開關電源總是存在高頻紋波，該紋波嚴重製約直流開關電源在更廣泛範圍的應用。發明內容為了克服上述現有技術的不足，本發明提供一種用瞬時並聯補償技術消除直 流開關電源輸出高頻紋波的方法，該方法簡單，在濾波電感電流連續時，在佔空 比D=0 1範圍內實現輸出電壓無高頻紋波。實現本發明目的採用的技術方案是一種用瞬時並聯補償技術消除直流開關電源輸出高頻紋波的方法，在直流開關電源輸出端與LC濾波電路的濾波電感並 聯一個輔助補償電感，並且將直流開關電源中DC/DC變換器的高頻脈衝變壓器 改造成多繞組變壓器，產生一組輔助電源，使得補償電感的電流波動與濾波電感 的電流波動方向相反，實現瞬時並聯補償，補償電感和濾波電感的電流波動一增 一減相互抵消，使得輸出負載電流無波動，從而消除直流開關電源輸出電壓的高 頻紋波。另一種用瞬時並聯補償技術消除直流開關電源輸出高頻紋波的方法，在直流 開關電源輸出端與LC濾波電路的濾波電感並聯一個輔助補償電感，並且在直流 開關電源中與DC/DC變換器的高頻脈衝變壓器並聯輔助變壓器，產生一組輔助電 源，使得補償電感的電流波動與濾波電感的電流波動方向相反，實現瞬時並聯補 償，補償電感和濾波電感的電流波動一增一減相互抵消，使得輸出負載電流無波 動，從而消除直流開關電源輸出電壓的高頻紋波。直流開關電源輸出端的濾波電感和補償電感並聯，且在寬範圍內，補償電感 的電流波動與濾波電感的電流波動方向相反，實現瞬時並聯補償，二者電流波動 一增一減相互抵消，使得輸出負載電流無波動，從而消除了直流開關電源輸出電 壓的高頻紋波。將DC/DC變換器的高頻脈衝變壓器改造為多繞組變壓器或與DC/DC變換器的 高頻脈衝變壓器並聯輔助變壓器產生一組輔助電源，當補償電感和濾波電感相等 時，使得補償電感的輸入電壓為補償電感的輸入電壓為2倍負載電壓(2Uo)或 者為2倍負載電壓與濾波電感輸入電壓(Usl)的電壓差(2Uo-Usl),使得補償 電感的電流波動與濾波電感的電流波動方向相反，實現瞬時並聯補償，二者電流 波動一增一減相互抵消，使得輸出負載電流無波動，從而消除了直流開關電源輸4出電壓的高頻紋波。 本發明的優點1. 由於直流開關電源輸出端的補償電感的電流波動與濾波電感的電流波動 方向相反，實現瞬時並聯補償，二者電流波動一增一減相互抵消，使得輸出負載 電流無波動，從而可以大大減小濾波電容容量，甚至取消濾波電容。2. 由於直流開關電源的輸出電流由濾波電感和補償電感共同承擔，降低單 個電感的製作難度。3. 並聯的各變壓器或多繞組變壓器的各繞組共同承擔輸出電流或功率，不明 顯增大變壓器容量或體積。


下面結合附圖和實施例對本發明作進一步的說明。圖1是本發明瞬時並聯補償原理電路圖。圖2是圖1的補償波形示意圖。圖3是本發明使用多繞組變壓器的電路圖。圖4是本發明使用並聯輔助變壓器的電路圖。圖5是圖3和圖4的時序波形圖。圖6是本發明用於正激變換器的電路圖。
具體實施方式
圖l所示是本發明瞬時並聯補償原理電路圖，在直流開關電源輸出端，LC濾 波電路的濾波電感L,並聯一個輔助補償電感L2， VDi給濾波電感的電流iu提供續 流通路，C為濾波電容，R為等效負載。Uy是濾波電感的輸入電壓，Ua是補償電感的輔助輸入電壓。本實施例中取濾波電感U和補償電感L2兩電感量相等，即L屍L2:L (1)從圖2所示的瞬時並聯補償原理的補償波形示意圖中iu的波形可以看出，濾波電感的電流iu是波動的，這就需要補償電感L2提供補償電流iu去抵消iu的波動。濾波電感電流iu和補償電感電流iu的平均值都等於負載電流Io的一半，通過 調整佔空比就可以改變負載電流。濾波電感的電流iu和補償電感的電流iu都有兩 個工作狀態。狀態l (to-t):濾波電感Li上電流iu增大，則補償電感L2上電流iL2減小，兩者的斜率應互為負數，則有如下關係-並且要滿足formula see original document page 6濾波電感Li上電流iu的增大量■L，(6)而補償電感L2上電流iu的減小量formula see original document page 6濾波電感I^的電流iu在減小，則補償電感L2的電流iu應該在增大，二者的斜 率也應互為負數，則有如下關係formula see original document page 68)和式(9)、 (IO)可得濾波電感L,上電流iu的減小量formula see original document page 6而補償電感L2上電流iL2的增大量formula see original document page 7由式(4)和(10)可以得到
從式(14)可知，濾波電感和補償電感的電流之和(iu+iu)為穩定值，無高頻紋formula see original document page 7波。在穩態工作時，濾波電感或補償電感的電流波動在一個周期內的增加量等於 減小量，由式(6)、 (12)和式(5)、 (7)、 (9)、 (ll)可以得到"o-銜s, (15) 由此可見，滿足式(1)-(5)、 (8)—(11)、 (14)，就使得濾波電感和補償電感的 電流波動一增一減而相互抵消，從而使得負載輸出電流無高頻紋波，輸出電壓也 就無高頻紋波；如式(15)所示，調整工作佔空比就可以調整直流輸出電壓的大小。 如圖3所示在直流開關電源輸出端，與LC濾波電路的濾波電感L,並聯一個 輔助補償電感L2，並且將直流開關電源中DC/DC變換器的高頻脈衝變壓器改造成 多繞組變壓器，即Np!是高頻脈衝變壓器的初級，Nsl、 Ns2、 Ns3是高頻脈衝變壓 器的次級。C是濾波電容，L3C3是輔助濾波電路。Ns3、 VD3、 VD4、 L3、 Q構成 輔助電源，產生輔助的直流電壓2Uo，該電壓(2Uo=2DUsl)也隨佔空比D變化。圖中a、 C兩點間的電壓Uac等於式(5)和式(ll)中的Us2。圖5為圖3所示電路的時序波形圖。從圖5所示波形可以看出，在穩態時電路 有兩個工作狀態，具體分析如下狀態l (to-t!):初級繞組N^的電壓Up!為正，則在次級，UVD2=Usl，濾波電感Li的電流iu在增大，滿足方程formula see original document page 7Uba=Usl， Ubc=2U0，貝'Jformula see original document page 7補償電感L2的電流iL2在減小，滿足formula see original document page 8 (18)根據式(l)，式(16)和(18)相加，則有formula see original document page 8 (19)式(19)說明濾波電感和補償電感的電流之和(iu+iu)為穩定值，無高頻波動。 狀態2 (Vt2) -初級繞組Np,的電壓UpfO，則在次級，UVD2=Usl = 0，濾波電感L,的電流iu 減小，滿足方程formula see original document page 8 (20)formula see original document page 8 (21)補償電感L2的電流iL2增大，滿足formula see original document page 8 (22)根據式(l)，式(20)和(22)相加，則得到式(19)，這也說明了該狀態濾波電感和補 償電感的電流之和(iu+iL2)為穩定值，無高頻紋波。從上面的分析可以看出，當電路工作在穩態時，濾波電感和補償電感的電流 之和(iu+iu)為穩定值，輸出電流無紋波，從而實現了輸出電壓無高頻紋波。如圖4所示在直流開關電源輸出端，與LC濾波電路的濾波電感U並聯一個 輔助補償電感L2，並且在直流開關電源中與DC/DC變換器的高頻脈衝變壓器並聯 輔助變壓器。Npl、 Np2、 Np3分別是高頻脈衝變壓器的初級，Nsl、 Ns2、 Na分別 是高頻脈衝變壓器的次級。C是濾波電容，L3Q是輔助濾波電路。Ns3、 VD3、 VD4、 L3、 C3構成輔助電源，產生輔助的直流電壓2Uo，該電壓(2UQ=2DUsl)也隨佔空比D變化。圖中a、 C兩點間的電壓Uae等於式(5)和式(ll)中的Us2。在中小功率容量，為不失一般性可以將上述瞬時並聯補償電路用於正激變換 器，如圖6所示，同時採用PWM控制技術實現對功率開關管的控制。圖中l和VD5 構成高頻變壓器磁通復位電路。
權利要求
1.一種用瞬時並聯補償技術消除直流開關電源輸出高頻紋波的方法，其特徵在於在直流開關電源輸出端，與LC濾波電路的濾波電感並聯一個輔助補償電感，並且將直流開關電源中DC/DC變換器的高頻脈衝變壓器改造成多繞組變壓器，產生一組輔助電源，使得補償電感的電流波動與濾波電感的電流波動方向相反，實現瞬時並聯補償，補償電感和濾波電感的電流波動一增一減相互抵消，使得輸出負載電流無波動，從而消除直流開關電源輸出電壓的高頻紋波。
2. —種用瞬時並聯補償技術消除直流開關電源輸出高頻紋波的方法，其特徵在 於:在直流開關電源輸出端，與LC濾波電路的濾波電感並聯一個輔助補償電感， 並且在直流開關電源中與DC/DC變換器的高頻脈衝變壓器並聯輔助變壓器，產 生一組輔助電源，使得補償電感的電流波動與濾波電感的電流波動方向相反， 實現瞬時並聯補償，補償電感和濾波電感的電流波動一增一減相互抵消，使得 輸出負載電流無波動，從而消除直流開關電源輸出電壓的高頻紋波。
3. 根據權利要求1或2所述用瞬時並聯補償技術消除直流開關電源輸出高頻紋波 的方法，其特徵在於當濾波電感和補償電感容量相等時，補償電感的輸入電 壓為2倍負載電壓(2UQ)或者為2倍負載電壓與濾波電感輸入電壓(UJ的電 壓差(2UQ-Usl)。
全文摘要
本發明提供一種用瞬時並聯補償技術消除直流開關電源輸出高頻紋波的方法，在直流開關電源輸出端，與LC濾波電路的濾波電感並聯一個輔助補償電感，並且將直流開關電源中DC/DC變換器的高頻脈衝變壓器改造成多繞組變壓器或者在直流開關電源中與DC/DC變換器的高頻脈衝變壓器並聯輔助變壓器，產生一組輔助電源，使得補償電感與濾波電感的電流波動方向相反，實現瞬時並聯補償，補償電感和濾波電感的電流波動一增一減相互抵消，使得輸出負載電流無波動，從而消除直流開關電源輸出電壓的高頻紋波。由於直流開關電源的輸出電流由濾波電感和補償電感共同承擔，降低單個電感的製作難度。且各變壓器或繞組變壓器共同承擔輸出電流或功率，不明顯增大變壓器容量或體積。
文檔編號H02M1/14GK101257249SQ20071016900
公開日2008年9月3日 申請日期2007年12月26日 優先權日2007年12月26日
發明者劉開培, 張國安 申請人:武漢大學