2016-10-21 15:45:02 | 人围观 | 评论:
本文应用了二端口网络的原理,对开关电源中直流EMI滤波器进行了分析,给出了直流EMI滤波器设计的一般方法及相关参数的计算方法。
1 基于二端口网络直流EMI滤波器的设计
目前广泛使用的开关电源,无论单桥式、推挽式、半桥式、全桥式都可以归纳为图1所示的形式(以单相为例)。
图1 开关电源的一般性原理图
由图1可以看出,通过对直流EMI滤波器的配置,可以改变电路的等效阻抗,进而达到预期的滤波效果。
直流EMI滤波器双端口网络模型如图2所示。其混合参数方程为
(1)
式中:g11为输入导纳;
g22为输出阻抗;
g12为反向电流增益;
g21为正向电压增益。
图2 直流EMI滤波器双端口网络模型
由式(1)可以等效出如图3所示的原理图。
图3 直流EMI滤波器等效原理图
直流EMI滤波器设计必须满足以下几项要求:
1)要保证滤波器在滤波的同时,不影响电源的带负荷能力;
2)对于输入的直流分量,要求滤波器尽量不造成衰减;
3)对于谐波分量,滤波器要有良好的滤波效果。
结合混合参数方程及等效原理图,由要求1)知,滤波器的输入导纳和输出阻抗要尽可能小,即g11=g22=0
由要求2)知,低频时,反向电流增益g12和正向电压增益g21设计值要尽量为1,而输入导纳和输出阻抗要尽可能小,也即g12=g21=1,g11=g22=0;
由要求3)知,高频时,g11,g12,g21,g22都要尽可能地小。
以上的分析结论就是直流EMI滤波器设计的一般方法及滤波效果的评判标准。
2 实例分析
LC滤波器和四阶直流线路滤波器是工程实际中常用的滤波器,下面就以上面的结论分析其滤波效果。图4为LC滤波器原理图。
图4 LC滤波器原理图
其混合参数方程为
(2)
对于直流分量,由于f趋向于0,对应有ω=2πf趋向于0;显然g11=g22=0;g12=g21=1。
对于谐波分量,
|g11|=;|g12|==|g21|;|g22|=。
考虑到当ωL>10时,显然有g11=g12=g21=g22=0。分析系统的输入导纳和输出阻抗,要保证输入导纳g11趋向于0,必然使得L取值很大;要保证输出阻抗g22趋向于0,必然使得C取值同样很大,这给工程实际应用带来了局限性,这也正是LC滤波器的缺点。
在工程实际中广泛应用的四阶直流线路滤波器其原理图如图5所示。
图5 四阶直流线路滤波器原理图
其混合参数方程为
(3)
式中:
g=。
如果令z=,则可以求得相应的参数如下:
g11=gz;g12=g21=z;g22=-L1sz。
下面分析此滤波器电压传递函数的幅频特性,滤波器的电压传递函数为
G(s)==(4)
将参数g代入,应用MATLAB做出其对数幅频特性曲线如图6所示。
图6 系统的幅频特性曲线
显然,在低频段输出电压的衰减较小,高频段的滤波效果比较明显。
由以上分析可以看出,由于此电路元件参数的选择范围较宽,因此较容易设计出满足设计要求,且适用于工程实际的滤波器。作者已将此电路应用到了为长沙某公司所设计的开关电源中。
设计要求为:
1)输入1000V的尖峰电压,最大产生20A电流;
2)滤波器输出电流从0~25A变化时,造成513V电压波动不超过2%。
据此设计要求可得到设计允许值为:
g11=20/1000=0.02;
g22=U/I=(513*2%)/25=0.4。
最终选定的参数值为:
L1=500μH;L2=140μH;R0=0.3Ω;
C1=470μF;C2=40μF。
将这组参数值代入式(3)得到:
g=5;z=0.003;
g11=gz=0.015;g12=g21=0.003;g22=0.2。
加入此滤波器前后开关电源输出电压波形如下图7所示。
(a) 未加滤波器电源输出波形
(b) 加入滤波器后电源输出波形
图7 开关电源输出波形
3 结语
本文应用二端口网络原理,对开关电源EMI滤波器的设计要求进行了分析总结,得出了3条设计要求,它适合于任何滤波器的设计。从该设计要求出发,可以对现有的开关电源EMI滤波器性能进行分析。本文给出了一个应用该要求设计出的EMI滤波器,并用在了工程实际,运行结果表明该原理理论性与实践性均较好,具有通用性。
全站搜索