電流紋波率分析與輸出濾波電感的優(yōu)化設(shè)計

1、第44卷第5期2010年5月電力電子技術(shù)lbwer Elet tiunicsVol.44, No.5May, 2010電流紋波率分析與輸出濾波電感的優(yōu)化設(shè)計伍 健I,何禮高I,付國清2(I.南京航空航天人學(xué)，江蘇 南京210016； 2.立春廣播電視人學(xué)，江西 宜祚336002)摘要：一般輸出濾波電感的設(shè)計需以臨界連續(xù)電流為依據(jù)并根據(jù)經(jīng)驗公式選取電流紋波計算。診方法未考慮濾波電 感上電流脈動對變換器乞應(yīng)力參數(shù)的影響，尬以紂到較理想的輸出濾波電感值.從而購響變換器的實際效果。為解 決這缺陷，深入分析了 Buck變換器電流紋波率的選取理論依據(jù)捉出輸出濾波電感的優(yōu)化設(shè)計。該方法綜介考渥 J'

2、變換器孑應(yīng)力參數(shù)、濾波電感的體積及變換器的動態(tài)牲能.繪終確定r電流紋波率垠住值約為0.4 .以此計算的濾 波電感值未影響到變換器動態(tài)響應(yīng)其設(shè)計獲得r優(yōu)化。實驗結(jié)果驗證理論分析的正確性和該方法的叮行性。 關(guān)鍵詞：濾波電感；電流紋波率；優(yōu)化設(shè)計中圖分類號:TN713文獻標(biāo)識碼：A文章編號:1000- 100X(2010)05-0067-03Analysis of the Current Ripple Ratio and Optimal Design of the Output InductorWU Jian*, HE Li-gao*, FU Guo-qing2.Nanjing University

3、 of Aeronautics and Astronautics 9 Nanjing 210016 9 China；2.Yichun Radio and 71 University9 Yivhtui 336002, China)Abstract/Ilie general way to design the out|)ut filter inductor is taking the critical disconlinue current as the basis.then selecting the inductor current ripple acconling to the experi

4、ential equations to calculate the inductor value. Phis method neglects the eflecls of the inductor currrnt ripple on the overall stresses of the converter Jt can' t pnivides ideal output in ductor values,so it will affect the actual perfoniuince of the converter.ln onlrr to solve the shortcom.th

5、e theoretical basis for selecting the current ripple ratio of Buck converter is analyzed and an optimal design method of the output inductor is proposed.The overall stresses of the converter, the size of the filter inductor and dynainic performance of the converter are all considered in the proposed

6、 metliod/riie optiiniini value of curn*nt ripple ratio is set to about 0.4 fhmlly.The inductaiice calcultatrd in terms of the determined currrnt ripple ratio can not affect the dynamic |>rrforinance of the converter, so the design of the converter is optimized. Ilie correctness of theoretical ana

7、lysis and the feasibility of the pro|M)se<l mrthocl are verified by the experimental results.Keywords：filter inductor; cuiTiMit ripple ratio; optimal design#第44卷第5期2010年5月電力電子技術(shù)lbwer Elet tiunicsVol.44, No.5May, 2010#第44卷第5期2010年5月電力電子技術(shù)lbwer Elet tiunicsVol.44, No.5May, 2010/pkRLn b0rXrD01引言開關(guān)電源

8、中，輸出濾波電感具有儲能和平滑濾 波輸出電壓的重要作用，英大小不僅關(guān)系到開關(guān)管 的電流應(yīng)力.而且還會影響到變換器的動態(tài)性能C因 此，介理設(shè)計變換器的濾波電感顯得尤為覓耍。II 前，輸出濾波電感的設(shè)計方法一般都是以臨界電流 連續(xù)為依據(jù)，并根據(jù)經(jīng)驗選擇電感電流脈動量來確 定電感值叫該方法未嚴格考慮濾波電感上電流脈動 的影響，難以提供準(zhǔn)確的濾波電感感值和濾波電感、 電容上電流有效值的可靠設(shè)計數(shù)據(jù)，而這些數(shù)據(jù)會 直接影響輸出電壓的質(zhì)量、濾波電感的制作和變換 器1：作的町徐性c為解決電感設(shè)計方法的缺陷，深入 分析了電流紋波率的選取依據(jù)，并捉出了 一種優(yōu)化 設(shè)計方法。域后，以Buck變換器為例，推導(dǎo)出濾波

9、 電感優(yōu)化值的計算公式，分析了對變換器動態(tài)性能 的影響，并進行了實驗驗證。定稿日期：2009-11-02作者簡介：伍61(1985-), 9),江兩吉安人，碩士研究生，研 究方向為功率電子變換技術(shù)。2 Buck變換器電感電流的分析2.1電感電流各分量主要對Buck變換器的濾波電感Lr的設(shè)計進行 了分析.其思路可推廣至英他變換器°圖1示出Buck 變換器及Jt電感電流連續(xù)模式下主要的電流波形。 苴中,/”人，山，厶.，心.心為濾波電感電流的蜂峰值電 流、谷值電流、脈動量、血流電流、交流電流、峰值電流，fi,.=A/2=/K/2,人二人 +幾 °二a"2.D h T,

10、(a)Buck變換器(b)Buck變換盈卞要的電涼圖1 Buck變換器及梵主要電流波形在Buck變換器中.厶為電感電流的平均值等 于負載電流兀，即1曰曰°。2.2電流紋波率為將人和，兩個獨立的參暈聯(lián)系起來.定義了一個關(guān)鍵參數(shù)，即電流紋波率r,r=A/7/<b因此 人，人，可表示為：/|k=/(.( l+r/2 )，/tr=/o( 1-2 ) ,/,=/</ o 卩的值應(yīng)該在變換器設(shè)計前選定，因為它會影 響到其他參數(shù)的選擇。rd仏.中r值是在電感電流 連續(xù)模式(CCM)下定義的，It冇效范圍為02»、"| r= 0時，必然為零，電感方程表明此時電感量無窮

11、 大。顯然，實際中不可能出現(xiàn)廠=0的悄況；若匸2,則 變換器作于臨界連續(xù)模式(BCM)O如圖2所示。/k-/dv r=2/.c/dc=2圖2 BCM的丄作狀態(tài)2.3電流紋波率與電感量的關(guān)系山電感的慕本電壓方程U=Ldi/dt可得： Ai=U 仏 式中：/為伏秒積。對I作于CC1的Buck變換器，事為:I；<i(i 彳(1)(3)(2) 式中：如伉;1-)/工為開關(guān)頻率。聯(lián)立r=Ai/4,式(1).(2)可得電感值的公式:仃 -U當(dāng)時，計算lq關(guān)于um的取 值，文獻1 取最大值心，文獻2取最小值Uuwun，具 體取何值，下面將進行分析。氐關(guān)系到電感匸作時是否出現(xiàn)飽和現(xiàn)象。因此 可定義/池為

12、瑕人時，&為垃“惡劣”&，山此電壓來 設(shè)計電感。由/=/./,r=A/lk.和式(3河得：；_U2-D)十2"(4)假定LJUO為恒值，圖3示出宙以上計算式得 到的心，人丄.隨D的變化關(guān)系。增加時，在負反饋作用下降低.下降斜率 A/7/ur =UJL不變。此時D減小，心二(1-)7：增大,、嘰 不變，故d也增大，于是h隨&的增加而增加。而 Buck變換器中人二人，人.在變化時保持不變，故心 也隨增加而增加。心在叔/皿時達到最大，因此 式(3)中計算電感值厶時血應(yīng)取最大值喚" 2.4電流紋波率的最佳值廠的選擇瓦接影響到功率器件的電流應(yīng)力和損 耗，從而彩

13、響它們的選擇。通常，對于備種拓撲，無論 變換器的開關(guān)頻率及比應(yīng)川條件如何取r=0.30.5 較合適叫文獻認為A/：=30%/(1比較合適，此時對應(yīng) 的r=0.3o具體廠值取多少為最佳，可山變換器的各 應(yīng)力參數(shù)分析得到。由圖lb求得 I Lu, 'vs, 的冇效值分別為：心二21+尸/12 , /vs.n/oVll+r2/ )(一般認為，電感體積與其能量處理能力成正比。 為保證電感不飽和，電感磁芯的能業(yè)處理能力至少 要等F其需要存儲的能S E二LIJ/2將 企/J l+r/2 ) 代入E=LI/2并化簡得到：Z唏叫癢+1 (6)分別對 E人求相對于=0.4時 英值的標(biāo)幺值，并將計算結(jié)果繪

14、制成曲線如圖4。3圖4 Buck變換器各參數(shù)標(biāo)幺值隨r變化情況由圖4可得如下結(jié)論:能最曲線F隨門的增 大而減小，并在r=0.4附近出現(xiàn)一拐點;由于電感 磁芯體積正比于其所儲存的能量,則當(dāng)r值越小于 0.4時，所需電感體積越大;當(dāng)r>0.4后，繼續(xù)增人 r值并不能使電感磁芯體積顯著減小；隨著廠增加 到0.4以上,/(亠叫顯茗増加，電容內(nèi)部將發(fā)熱嚴重, 同時人工皿也增加，從而需選用具冇更低等效電阻的 電容和去容量的開關(guān)管，但若等效電阻值過低可能 導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。因此，綜合考慮變換器乞應(yīng)力參 數(shù)、電感體積及系統(tǒng)穩(wěn)定性的要求,c0.4為最佳值。 3濾波電感的優(yōu)化設(shè)計將r=0.4代入式(3)得到濾

15、波電感匚的優(yōu)化值：宀一 0.4式中:Um=U ；D=D4JUz/“的計算除了考慮變換器備器件的應(yīng)力參數(shù)和 紋波要求外,還應(yīng)考比變換器的動態(tài)特性。一般而 言，減小電感可以提高系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速度。然而當(dāng) 電感減小到某一值后，再繼續(xù)減小，動態(tài)響應(yīng)速度不 再有改善。該電感值被稱為臨界電感叫“嚴心min | Dz學(xué)，萍|(8)' "in式中:Dg為控制器能輸出的最大占空比；為負載跳變幅 值，負敦般在10%90%間跳變.也可在空找和満菽Z間跳 變;妙為變換益控制閉環(huán)的帶寬，股為00.3倍的幾最終人的取值需要在式(7),(8)的結(jié)果之間取 個折衷，其原則為在滿足變換器動態(tài)性能的詢提 下，使

16、人的取值盡量接近厶"70電流紋波率分析與輸出濾波電感的優(yōu)化設(shè)計4頭駛纟口果和分析制作了一臺輸入 11OV(9(A13OV)、輸出 48 V/5 A 的Buck變換器原理樣機。將給定參數(shù)代入式(7)求 得二151.4jjlH,山式(8)可得厶二440從H?？梢?< 人，不會影響到變換器的動態(tài)響應(yīng)。所以取此時的 為最終的電感值。圖5示出實驗波形。"(5 us/格)(a禍戟時AO=I5I.4 uH(連 J(養(yǎng) v TecvA 9.6)3/o(d/dr=2 A ;ips).(5期格)(b)満鞍 Hio=72.2ull"(2.5m 刖(25ms/格)(c俠加負我時人=

17、151.4 pH(d)突帥負我時Ao=72.2 pH圖5實驗波形圖5a,b為滿載工作條件下上。分別為151.4 jxH 和72.2|1H時的電感電流波形；圖5c,(I為突加負載, 即空載到滿載時輸出電壓動態(tài)響應(yīng)實驗波形?？梢? 當(dāng)厶d“時，其值大小只影響到電流紋波，而對變換 器的動態(tài)性能無太大的影響。由詢面分析可知,r= 0.4時，厶，二151.4 pH,此時電感的體積得到了減小， 有利于變換器功率密度的提島，并且心和仏亠的 電流應(yīng)力也保證在安全范闌Z內(nèi)。因此，綜合考慮變/(0.5 ms/m)(ar/ -'-I(上接第64貞)(養(yǎng) A os)、£"(05 ms/Wt

18、)(h)雋伐H態(tài)電爪電流/(0.5 ms/格)(C)滿技到空我槩變電壓電流"(05 ms/格)(d)空我到満我突變電壓電流圖6加入重復(fù)學(xué)習(xí)控制后的電壓電流由圖6“,b可見，電壓穩(wěn)態(tài)效果較理想，輸出電 壓的穩(wěn)定度較高；由圖6( .d nJ見，系統(tǒng)無論是從空 載到滿載還是從滿載到空載切換，在切換后兒個周 期內(nèi)電壓的幅值變化均不人.約4個周期電壓已完 全趨于穩(wěn)定.試驗表明系統(tǒng)的幼態(tài)調(diào)卩和反饋響應(yīng) 速度較快，電源的穩(wěn)定度效果較好。6結(jié)論提出一種用于400Hz逆變器的重復(fù)學(xué)習(xí)控制換器冬應(yīng)力參數(shù)、濾波電感的體積及變換器的動態(tài) 響應(yīng)后,r-0.4,可實現(xiàn)變換器濾波電感的優(yōu)化設(shè)il 5結(jié)論針對一般濾

19、波電感役計方法的缺陷，對電流紋 波率的選取理論依據(jù)進行了深入分析，并提出了 種濾波電感的優(yōu)化設(shè)計方法。該方法通過對電 感電流乞分最和電流紋波率的詳細分析計算，描 紋變換器乞參數(shù)戒力隨電流紋波率的變化曲 線。綜合考慮變換器的各參數(shù)應(yīng)力、濾波電感體積 和變換器的動態(tài)性能，最終確定了電流紋波率的 最t圭值約為0.4,由此計算的濾波電感值小于動態(tài) 臨界電感值保證了變換器的動態(tài)性能實現(xiàn)了變 換器的優(yōu)化設(shè)計。參考文獻1 張占松，蔡宣三.開關(guān)電源的原理與設(shè)計呵北京：電匸 業(yè)出版社,1999.|2| Douglas K Kokesh.開關(guān)模式電源電感器的選用J.今日電 f.2004.11(9):46-47.|3 Sanjaya Maniktala.開關(guān)電源設(shè)計與優(yōu)化|1.北京：電f I： 業(yè)出版社.2007.|4|當(dāng)敏恿，川功近，何希才.開關(guān)電源應(yīng)用、設(shè)計與維修M |_ 北京：科學(xué)技術(shù)文獻出版社，2000.5 Wong P I.Lec F C.Xu P.et al.Critical In(lu(*tan(*e in voltage Kegulator Modules|J.IEEE Trans, on Power Electron- ies