隔离型DC/DC变换器的嵌入式滤波设计

李方正，王全东，罗宏浩，孟宪波

(装甲兵工程学院控制工程系，北京100072)

DC/DC变换器有隔离型和非隔离型2种形式。隔离型变换器以其输出端与输入端隔离、可多路输出、电压调节范围大等诸多优点，在计算机、办公自动化、工业仪器仪表等设备和军事、航天、通讯等领域得到了广泛的应用。但是，隔离型DC/DC变换器输入电流是脉动且断续的，会引起谐波污染、电磁干扰等诸多问题［1］。一般的解决方法是在变换器输入端增加一个LC低通滤波器［2］，该方法在一定条件下可以实现电流的连续，但会显著降低系统的功率密度，变换器的成本和设计难度也随之增加。一种更为有效的方法是利用隔离变压器的漏感［3-4］，将该漏感与在电路中合适位置加入的电容构成输入滤波器，从而实现输入电流的嵌入式滤波。该方法不但可以在不需要输入电感的情况下保证变换器输入电流的连续，而且可以将变压器漏感中的能量加以利用，进一步简化了拓扑，同时提高了变换器的效率和功率密度。

近年来，基于嵌入式滤波的隔离型DC/DC变换器的全桥［5］、正激［6-7］、推挽［8］等拓扑相继被提出，都取得了比较好的效果。但是，现有的研究大部分是针对特定电路拓扑的分析，没有涉及到嵌入式滤波器的一般设计方法，限制了嵌入式滤波变换器的工程应用。本文对嵌入式滤波的原理进行了分析，提出了此类变换器中隔离变压器和耦合电容的参数设计方法，为嵌入式滤波电路设计提供了参考。

1 嵌入式滤波原理

嵌入式滤波全桥变换器电路拓扑如图1所示［5］。与传统的变压器隔离全桥变换器的主要区别在于:隔离变压器的原边设计为Lp1-1、Lp1-2、Lp2-1、Lp2-2四个绕组;另外，为了配合嵌入式滤波功能的实现，电路中加入了Cr1、Cr2两个交叉耦合电容和Dv1、Dv2两个钳位二极管。

图1 嵌入式滤波全桥变换器电路拓扑

当 S1、S2处于导通状态，S3、S4处于关断状态时，除了Vin-Lp1-1-S1-S2-Lp1-2的主电流通路外，还存在Cr1-S1-S2-Lp1-2-Lp2-2和Cr2-Lp2-1-Lp1-1-S1-S2两条由交叉耦合电容通过开关管与变压器绕组形成的回路，如图2所示，将交叉耦合电容存储的能量向负载传递。此时，4个绕组上的电压都为Vin/2，显然，2个交叉耦合电容 Cr1、Cr2以及开关管S3、S4的寄生电容C3、C4上的电压都为直流侧电压Vin，极性如图2所示。

图2 S1、S2导通稳态的电路

嵌入式滤波全桥采用双极性控制时的主要工作波形如图3所示，其中:VGS为开关驱动信号;VLp为绕组电压，取变压器绕组同名端为电压正方向;VCr为交叉耦合电压;VDS为开关管端电压;iin为输入电流。

图3 嵌入式滤波全桥变换器输入电流波形

S1、S2在 t1时刻关断，使得流过 D1的电流减小，为了维持Lf的电流，t1时刻D2开始导通，此时，D1、D2同时导通，将变压器原副边电压钳位为零。变压器原边漏感与交叉耦合电容Cr1、Cr2构成了LC滤波器，如图4所示。该嵌入式滤波器可以在开关管全部关断的情况下，仍维持变换器有输入电流，这是嵌入式滤波变换器实现输入电流连续的根本原因。

图4 嵌入式滤波回路

2 嵌入式滤波拓扑设计

嵌入式滤波变换器主电路拓扑设计的关键是确定隔离变压器和交叉耦合电容在拓扑中的位置。结合嵌入式滤波半桥变换器的主电路拓扑的设计，传统隔离型DC/DC变换器进行嵌入式滤波改造的方法如下。

1)确定变换器的正、反向励磁回路。嵌入式滤波的核心思想就是利用变压器的电感及漏感，因此，首先要找出励磁回路及漏感分布，半桥变换器的正、反向励磁回路如图5所示，为简单起见，仅给出了变换器的原边回路。

图5 半桥变换器正、反向励磁回路

2)拆分变压器原边为4个绕组，按非同名端相连的方式接入正、反向励磁回路中，将开关管置于两绕组之间。需要注意的是，正、反向励磁的绕组同名端是相反的。半桥变换器的绕组分配和开关管位置如图6(a)、(b)所示。

3)连接交叉耦合电容。为了与变压器电感及漏感构成回路，尤其是在开关管关断的情况下构成回路，一个交叉耦合电容应接在正向励磁回路中连接正母线绕组的下端与反向励磁回路连接负母线绕组的上端之间;另一个交叉耦合电容则接在正向励磁回路中另一绕组的上端与反向励磁回路中另一绕组的下端之间。半桥变换器的交叉耦合电容位置如图6(c)所示。

4)对电路进行相应的简化和优化。例如，全桥电路中加入了钳位二极管Dv1，2，如图1所示，其目的在于均衡同一桥臂开关管电压，避免分压不均造成的开关管过压。对于半桥电路，从图6(c)可以看出:由于电容Cr2并联与2个同名端相连的耦合绕组，其上的电压始终为0 V，无法与漏感组成滤波回路，因此该电容可以省略。显而易见，此时的Lp1-2和Lp2-1绕组可以简化，最终的带嵌入式滤波半桥变换器的拓扑如图6(d)所示。

图6 嵌入式滤波半桥变换器拓扑设计

3 隔离变压器和交叉耦合电容参数设计

隔离变压器和交叉耦合电容的参数设计是关系到嵌入式滤波实现的关键。由于隔离变压器的漏感无法精确控制，所以在参数设计时需先对隔离变压器进行设计和绕制，根据实测的漏感值计算所需的耦合电容大小。

3．1 隔离变压器变比设计

滤波型变换器隔离变压器的设计与传统隔离型变换器的主要区别在于变压器原副边的绕组数和变比。

变压器副边电压的最小值为

式中:Vo(max)为输出电压最大值;VD为二极管导通压降;VLf为滤波电感压降;Dsec(max)为隔离变压器副边电压整流后最大占空比。

变压器变比为

对于原边四绕组、副边两绕组的变压器，原副边绕组匝数分别为 NP、NS，则有

式中:V'Cr为耦合电容电压峰值;

假设交叉耦合电容电压波动为0．5%，为了保证输入电流的连续，必须满足

对于原副边均为两绕组的变压器，则有

由此可求出Cr的最大值，而输入电流纹波随Cr的增加而减小，所以交叉耦合电容取此最大值即可。

按照变换器功率初选磁芯，由磁芯手册可以确定最高工作磁感应强度Bm，副边匝数为［9］

4 试验验证及分析

式中:Ae为磁芯的有效导磁截面积;fs为开关频率。

变压器磁芯、导线线径、每匝股数的计算与传统的隔离型DC/DC变换器变压器的设计方法是一致的。

为了验证上述拓扑，基于PSIM软件对嵌入式滤波半桥变换器进行了仿真分析。参数设置及仿真模型分别如表1和图8所示。

3．2 交叉耦合电容设计

输入电流的纹波大小与隔离变压器的漏感及交叉耦合电容密切相关，本文以嵌入式滤波半桥拓扑为例进行设计。

当滤波电感Lf电流连续时，有

表1 仿真参数设置

式中:D为开关管占空比。输入电流的有效值为

在S1、S2关断期间，变压器原边漏感和耦合电容形成如图7所示的等效滤波回路，其中Lp1漏、Lp2漏为原边绕组漏感。

图7 等效滤波回路

图8 嵌入式滤波半桥变换器仿真电路

0-时刻，Vin、iin的稳态值为 Vin(0-)=Vin，iin(0-)=Iinrms，VCr(0-)=Vin。

0时刻形成如图7所示的二阶回路，输入电流iin在有效值附近上下波动，经计算，其最小值为

其工作原理与嵌入式滤波全桥变换器类似，仿真波形如图9所示。

由仿真结果可知:耦合电容Cr电压在Vin附近小范围波动，其与变压器的漏感构成了嵌入式LC滤波器，使得变换器的输入电流连续。

为了进一步验证半桥拓扑的可行性，搭建了如图10所示的原理样机试验平台。

图9 嵌入式滤波半桥变换器仿真波形

图10 嵌入式输入滤波半桥变换器试验平台

开关管驱动信号、整流后副边电压(Vrect)、输入电流及开关管耐压波形如图11、12所示，输入电流连续，在有效值附近小范围波动，与传统半桥变换器断续且呈脉冲型的输入电流相比，在电磁兼容、变换器损耗等方面有显著优势。

图11 满载条件下驱动及输入电流波形

5 结论

图12 开关管驱动及漏源极电压波形

本文阐述了将传统隔离型直流变换器进行嵌入式滤波设计的方法，提出了一种输入电流连续的新型半桥变换器拓扑，该电路的仿真结果和原理样机试验波形表明变换器实现了输入电流的连续，设计方法及拓扑的可行性得到了有效验证。研究结果为嵌入式滤波电路的设计提供了参考。

［1］ 陆治国，林贤贞，胡红琼，等．零纹波输入电流Buck-Boost变换器［J］．低压电器，2008，38(9):39-42．

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［6］ Leu CS，Hwang JB．A Novel Forward Configuration for DC-DC Application:Built-in Input Filter Forward Converter(BIFFC)［C］∥IEEE Power Electronics Conference．1995:43-49．

［7］ Leu C S．A Novel Forward Configuration for Off-line Applications:Two-switch Built-in Input Filter Forward Converter(2SBIFFC)［C］∥IEEE Power Electronics Conference．Dallas，TX:IEEE，1996:1305-1340．

［8］ Peng X，Mao Y，Lee F C．Single Magnetic Push-pull Forward Converter Featuring Built-in Input Filter and Coupled-inductor Current Doublers for 48V VRM［C］∥IEEE Applied Power Electronics Conference．Dallas，TX:IEEE，2002:843-849．

［9］ 阮新波，严仰光．脉宽调制DC/DC全桥变换器的软开关技术［M］．北京:科学出版社，1999:76-78．