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采用多輸入DC/DC變換器實現對諧波和紋波的抑制

發布時間:2008-10-14 來源:電子設計信息網-www.edires.net

中心議題:

  • 介紹多輸入DC/DC變換器的構成原理及PWM 控制原理
  • 對多輸入的DC/DC變換器進行實驗并得出結論

解決方案:

  • 采用多輸入單輸出的DC/DC變換器,抑制高次諧波,降低紋波,提高功率因數
  • 優化前饋和反饋控制回路各參數,減小紋波

 

近些年來,儀器儀表中的電源,已廣泛地應用開關式的DC/DC變換器。但是,把工頻電壓整流,用大電容濾波,再送給DC/DC變換器以獲得所需的電壓。 這種方式會使輸入電流產生很大的高次諧波,從而污染了電源. 利用與DC/DC變換器相串聯的有源濾波器,可消除這種高次諧波. 但是,輸入電能需要經過二次處理后才送達負載,顯然,使效率降低。為此,我們采用多輸入單輸出的DC/DC變換器。利用它,既可抑制輸入電流的高次諧波,又可以降低輸出電壓的紋波,并使功率因數獲得提高。

多輸入DC/DC變換器的構成原理
圖1 電路為兩輸入單輸出的DC-DC變換器。該電路是兩個共用變壓器輸出線圈N3的反激變換器(1~5). 其中eac為工頻電源電壓,CF1,CF2,LF構成高次諧波濾波器。 工頻電源電壓eac經橋式整流后作為上面的反激變換器的輸入電壓e1。下面反激變換器的輸入為一直流電源,如太陽能電池、燃料電池等. 上、下反激變換器共用變壓器線圈N3作為輸出。 N1,N2與N3之間的電感為L,Er 為輸出電壓e0的期望值。
 


圖1 兩輸入單輸出DC-DC變換器原理圖
圖2示出了該電路的PWM控制器原理框圖。流經變壓器原邊N1線圈的電流i1經檢測電阻Rs(該阻值很小)形成
es = i1Rs 壓降,與β1e1 經加減運算電路后得es-β1e1 并送入PWM 1控制器。 其輸出Vs1作為開關管S1 的驅動信號,S1的導通時間為Ton1。它采用的是前饋控制,目的是把e1 和i1的擾動所引起的系統瞬態誤差減到最小,以改善系統的瞬態響應。

 


圖2 PWM 控制原理圖

在Vs1的控制下,e1 經N1,N3變換后供負載R0取用。但僅用這樣的控制,R0 兩端電壓e0會產生幅值很大的頻率為2倍eac頻率的紋波。為了消除e0的這種低頻紋波,我們采用另一路反饋控制。 即把Er,β2e0經運算電路運算得Er-β2e0送入圖2的PWM2控制器中。因Vs的周期Ts = 1/fs為總開關周期。顯然,對PWM控制,開關頻率fs為一個定值(即周期Ts固定) . 但一個周期Ts中,Ton和Toff是變化的。S1和S2的導通時間之和Ton1+Ton2 = Ton。因此,只要把Ton1與Ton取異或即可得到S2的驅動波形V s2。 其中S1的導通時間Ton1采用前饋控制. 而Ton則采用反饋控制。可以推出,i1在Ton1期間,應與工頻電源電流iac的全波整流波形相似;而i2則與i1的相位相反。i0=e0/R0應是一無紋波的固定值。其中i1,i2按線圈N3進行規格化。電池EB傳送到負載部分的電流與( i0-i1) 的量相當。

實驗結果
i1 ,i2 的實測波形如圖3 (a),(b) 所示,可見實測與理論推斷是一致的。單輸入單輸出的DC/DC變換器(不含EB部分) 時,eac ,iac和e0的實測波形如圖4 (a) ,(b) 所示。由于采用前饋控制,iac雖有較好波形,但輸出電壓e0則有約280mV 的紋波。且此時電容C的容量要很大,約10000μF。可見,想用增大C的容量來減小紋波是困難的。
(a) i1實測波形(b) i2實測波形
 


圖3 i1和i2波形
(a) eac , iac實測波形圖(b) e0實測波形圖     
 


圖4  單輸入單輸出實測波形
垂直: eac為20V,格-1, iac為100mA,格-1;水平:5ms,格-1

圖5 (a),(b)為采用兩輸入單輸出的DC/DC變換器時eac ,iac和e0的觀測波形。此時e0的紋波抑制在80mV 左右,這個值是較小的。iac的波形基本上為正弦波,高次諧波也被抑制了。只要進一步優化前饋和反饋控制回路各參數,e0 的紋波會進一步減小。
(a) eac , iac實測波形圖(b) e0實測波形
   

    
圖5  雙輸入單輸出實測波形
垂直:eac為20 V,格-1, iac為100 mA,格-1; 水平:5 ms,格-1

結束語
由上面的分析和測量可見,采用兩輸入的DC/DC變換器的好處。它既抑制輸入電流的高頻分量,降低輸出電壓e0的紋波,又提高了功率因數。因此,使整個變換器的性能得到令人滿意的改善。如果采用多于兩個輸入(如三輸入以上),可推想在抑制高頻分量和降低e0紋波方面會有更好的效果。但是,其控制部分的參數必須經過優化。

 

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