【導(dǎo)讀】本篇文章以輸出濾波、輸入濾波、逆變輸出濾波三個(gè)設(shè)計(jì)為例，對(duì)其進(jìn)行了非常全面的分析和總結(jié)。用實(shí)例化的方式講解了開(kāi)關(guān)電源中變壓器濾波仿真的知識(shí)，希望大家在閱讀過(guò)本篇文章之后，能對(duì)這方面的知識(shí)有進(jìn)一步的了解。
之前小編為大家整理了開(kāi)關(guān)電源中變壓器的濾波仿真設(shè)計(jì)，其主要對(duì)理論方面進(jìn)行了介紹，在本篇文章當(dāng)中，將對(duì)濾波設(shè)計(jì)進(jìn)行實(shí)際的舉例，并對(duì)每種方法添加小結(jié)，方便初學(xué)者學(xué)習(xí)。
舉例一：（典型）輸出濾波
以50KHz、100W（120W）反激電源為例，當(dāng)前紋波指標(biāo)為30mV。
圖1
要求：達(dá)到2mV的紋波精度。
方法一：加大輸出濾波電容
將現(xiàn)用濾波電容C2的2200uF增加15倍，即33mF，輸出紋波則對(duì)應(yīng)降低15倍（沒(méi)考慮ESR），即等于2mV。如果覺(jué)得33mF25V的海量電解不好找，或者不合算，那么可使用第二種方法。
方法二：增加一級(jí)LC濾波
圖2
當(dāng)Co1=Co2=470uF時(shí)，配合一個(gè)5A1.3uH的電感，輸出（與PWM同頻的）紋波即可下降到1.6mV以下。或者，當(dāng)Co1=Co2=330uF時(shí)，配合一個(gè)5A2.2uH的電感，輸出紋波即可下降到2.0mV左右。
可見(jiàn)，即使增加一點(diǎn)點(diǎn)LC濾波。對(duì)輸出紋波、成本、體積的改善都是非常顯著的。
圖3
再來(lái)看濾波電感的工況，電流的直流成分5.0A，交流成分0.1A左右，大約只占2%。
也就是說(shuō)，這個(gè)電感基本上就是個(gè)直流偏電感，交流成分甚微。這意味著可以不必使用高級(jí)材料，也不考慮集膚效應(yīng)，用普通鐵粉芯磁環(huán)單股繞制即可。
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下面是這個(gè)電感的設(shè)計(jì)參數(shù)：
圖4
小結(jié)
在輸出端增加LC濾波網(wǎng)絡(luò)是很簡(jiǎn)單的事情，只要將濾波電容一分為二、（隨便）插入一個(gè)電感就能使（不插入電感等效于原電路）濾波效果顯著提升，而且效果總是比單電容濾波效果好。因此這里有三個(gè)需要注意的地方。
第一、工程師應(yīng)該隨時(shí)想到：“我那個(gè)濾波電容是不是應(yīng)該分成二個(gè)，中間插個(gè)小工字?”而且不用算，肯定比單電容好。
第二、此法在同等情況下提高濾波效果，或者在同等濾波效果下降低成本、縮小體積，甚至縮小PCB面積。
第三、既然不增加成本（甚至降低成本）就能夠?qū)崿F(xiàn)，因此在拓?fù)淅锩妫ǖ碾姼猩匣蛘呖刂颇Ｊ缴希┤ゴ蛑饕鉁p少紋波就是一件既費(fèi)力又不討好的事情，什么“某某拓?fù)?、某某模式紋波大”的問(wèn)題也不再應(yīng)是問(wèn)題。
舉例二：逆變輸出濾波
逆變電源輸出濾波的特殊性在于：逆變電源總希望一個(gè)最小的Cout。如果Cout太大，在輕載或者空載狀態(tài)很難保證輸出波形的正確。因此，逆變器的輸出濾波問(wèn)題歸結(jié)為：如何用一個(gè)最小的Cout獲得最好的濾波效果。
現(xiàn)在就按照HolyFaith提出的5KW單相逆變器（載波20K、輸出220VAC、50Hz）為例，設(shè)計(jì)這個(gè)濾波。為簡(jiǎn)化問(wèn)題就不去做SPWM驅(qū)動(dòng)了，大致擬訂一個(gè)全橋逆變的運(yùn)行參數(shù)，仿真電路如下：
圖5
輸入電壓400VDC。輸出220VDC5KW，負(fù)載電阻Rz=9.68Ω，給出正確的驅(qū)動(dòng)邏輯（正半周關(guān)閉Q2、Q3），調(diào)整占空直到輸出峰值電壓311V。可得到輸出紋波參數(shù)。
電路中有2個(gè)電感，l1是拓?fù)鋬?chǔ)能電感，l2是濾波電感，兩電感雖然工況不同，但是都工作在大直流偏置狀態(tài)，偏置電流基本相當(dāng)。因此，可以先采用相等的電感量進(jìn)行仿真，這樣2個(gè)電感的磁、銅量大致相當(dāng)。
C1、C2是濾波電容，其大小影響調(diào)節(jié)性能，不能太大，暫時(shí)擬訂一個(gè)值、且相等。
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不同的LC對(duì)應(yīng)不同的濾波效果，以紋波指標(biāo)Vpp<1V（大致與10位AD匹配）為例，可得到l1=l2=400uH、C1=C2=3.3uF這一組配合。
圖6
如圖6所示，輸出總電容=6.6uF，輸出紋波0.85V，l1峰值電流37A，l2峰值電流32A。
電感設(shè)計(jì)
環(huán)數(shù)為11的話，盡量采用鐵硅鋁，因?yàn)椴蝗菀罪柡?，成本也不高。?jīng)過(guò)仿真和計(jì)算配合運(yùn)算，得到如下中間設(shè)計(jì)成果：l1環(huán)可以用導(dǎo)磁率為26、型號(hào)為77191的鐵硅鋁環(huán)2~6只制作，有關(guān)參數(shù)如圖7。
l2環(huán)可以考慮與l1同樣尺寸的鐵粉芯磁環(huán)制作。即外徑57.2mm、型號(hào)T225-52的藍(lán)綠環(huán)2~6只。這里，“同樣尺寸”不是設(shè)計(jì)優(yōu)化需要，而是一種心理的、感官的合理性，或許暗藏成本、效率的合理性，如果濾波電感比主電感還大，感覺(jué)就喧賓奪主了。
圖7
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電容的設(shè)計(jì)
電感設(shè)計(jì)是以逆變輸出的峰值電壓為設(shè)計(jì)工況，因?yàn)檫@個(gè)工況產(chǎn)生最大的電流峰值，決定了電感的極限特征。然而，由于逆變輸出峰值電壓時(shí)占空比最大，不一定是紋波最大，因此，電容的設(shè)計(jì)應(yīng)該以紋波最大的工況為設(shè)計(jì)依據(jù)。
以三只磁環(huán)疊繞的電感為例，仿真找出輸出紋波最大值大約發(fā)生在占空比=0.8時(shí)。
不同的磁性材料、電路和電感參數(shù)，最大紋波發(fā)生的占空是不同的。更重要的是，不同的電感需要不同的電容配合才能達(dá)到需要的紋波。
下面是滿足1V紋波指標(biāo)上述4種電感需要的電容配合：
圖8
舉例三：輸入濾波網(wǎng)絡(luò)
圖9
這里輸入端的情況與輸出端有所不同。如果輸入是電流源，Cin的存在是電壓型拓?fù)浔仨毜模珻in可理解為單純的二端電壓濾波網(wǎng)絡(luò)，更復(fù)雜的三端或者四端濾波也可以就此展開(kāi)。
而一般情況下，輸入是電壓源（而且不是理想的電壓源，有內(nèi)阻），這就引發(fā)了以下問(wèn)題。
1、電壓源與電壓型拓?fù)涫窍噙m應(yīng)的，Cin似乎是多余的，依靠Cin針對(duì)紋波電壓的濾波的必要性就成了問(wèn)題。
2、電壓源與Cin是沖突的，因?yàn)镃in也可以看成是電壓源，而兩個(gè)電壓源的并聯(lián)是不允許的。就是說(shuō)，Cin不能太大。
3、對(duì)于AC/DC變換，必須用很大的Cin才能獲得穩(wěn)定的母線電壓，這時(shí)就要軟啟動(dòng)。
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因此，針對(duì)電壓型拓?fù)漭斎攵说臑V波更多的是對(duì)于紋波電流（而不是電壓）的濾波，而且與電壓源直接并聯(lián)的Cin的大小受到了限制。
然而，輸入端濾波的任務(wù)卻是很繁重的，輸入濾波的重要性不僅體現(xiàn)在它必須給電源變換器提供一個(gè)穩(wěn)定的母線電壓，而且（或者是更重要的）它必須盡可能地減少電源變換器對(duì)一次電源的（紋波電流的）沖擊和干擾。
這種干擾隨著拓?fù)涞牟煌黠@區(qū)分為共模干擾和差模干擾，一般情況是：
不隔離電路以差模干擾為主，共模干擾較少或者沒(méi)有，沒(méi)有的辦法也很簡(jiǎn)單，全部接地（包括外殼和散熱器）。隔離電路除了同樣程度的差模干擾外，還有可觀的共模干擾存在，必須共模濾波。
關(guān)于差模干擾和共模干擾的研究文獻(xiàn)很多，這里不多說(shuō)，主要強(qiáng)調(diào)一下基本的應(yīng)對(duì)思路：
1、可以不采取（或者少采?。┎钅V波的情況是：上級(jí)電源輸出是個(gè)濾波電容（或者電池）；自身電源有一個(gè)大的輸入濾波電容（比如直接整流的AC/DC變換的直流母線濾波電容）；
2、除以上情況之外，均應(yīng)采取差模濾波措施。
3、共模濾波必須在盡可能采取其他減少共模干擾的措施基礎(chǔ)上實(shí)施。不要只靠共模濾波來(lái)解決問(wèn)題。
4、由于共模濾波和差模濾波的工況完全不一樣，應(yīng)嚴(yán)格區(qū)分、分別處理，反對(duì)混為一談的處理方式。
5、一般的方式是：共模濾波在前、差模濾波在后。即：
圖10
