无源阻尼滤波器分析

图! !"# 型阻尼滤波器
图" ""!##!型阻尼滤波器
""!##!型阻尼滤波器空载传递函数为 $$（%）& ’$（%）／’%&（%）
&%)"’"(#(%%(（""’’!(#"((）%(（"!’("(）(! （*） 式中，’%&为滤波输入电压；’$ 为滤波输出 电压；"’、"( 为滤波电感；# 为滤波电容； ! 为阻尼电阻。
开 关 频 率 为 ’*+12的 电 力 逆 变 器 为 例， 当 取
# 3!4’#，!!35**$1，!’3’**$1，" 3 (*$6，其 空 载 时 波 特 图、 根 轨 迹 图 分 别 如 图 7%、&所示。满载时电阻 # 上消耗的最大功率
为’4’(8。
这种滤波器同样需绕制两个电感，且电感
!’ 和 !! 流经的电流几乎一样大，成本有所
滤除干净将严重影响滤波器的性能，特别是滤
波器对开关频率处的高频谐波的滤除效果很
差。
以一台!"#$%&’’(# ／$&))*#+*(,-，
开关频率为’(",-电力逆变器为例，当取 !
.(5*!，".8((",，#.!("1时，此时电阻 ! 的 功 耗$! .(5687，阻 尼 比 #.(5)’’*。 空载时波特图、根轨迹图如图83所示。
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!!串联组合取代传统 !" 滤波器的电感!。
图" !!##" !型阻尼滤波器
!!##"!型阻尼滤波器空载传递函数为 $$（%）& ’$（%）／’%&（%）
&%(!!!’"(%’（!%!!’((!#’）#"(%!’(# （)） 式中，’%&为滤波输入电压；’$ 为滤波输出
— ,+ —
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!" # "!%$#!"／!!&!!·"
（#!）
式中，!为工频角频率。
电容 &# 滤除高频分量，电阻 " 与&! 串
联抑制振荡且可使电阻 " 损耗大为减小。&!
性能有着极高的优越性被广泛关注，其中有多种电路拓扑可供选择，对其分析比较了解各种拓扑
的各自特点。综合技术与成本考虑，!(""# 型阻尼滤波器更为优越。 关键词 滤波器 阻尼 分析
! 引言
输出滤波器的优劣严重影响功率变换器的
式中，)23为滤波输入电压；)1 为滤波输出 电压；! 为滤波电感；" 为滤波电容；# 为 阻尼电阻。
值应尽量小，以减小电阻 " 上的损耗，一般
约为 （&#$&!）的#／%"#／!；电阻 " 一般取
几欧姆至几十欧姆，与 &! 的容抗比较，原则
上要求 " 远小于&! 容抗，同时适当取大而使
其损耗较小，可以通过计算与仿真来选择，最
终通过试验调整、确定。
仍 以 一 台 %&’( )* !!+’ ／(* ##,’ -
此 滤 波 器 有 明 显 不 足， 为 获 得 较 大 阻 尼
比，! 须取较小值，一旦 ! 取值较小则高频 电压分量不能滤除干净，这时需通过增大电感
"，也就大大增加了成本，而且 ! 与电感" 并联决定了"!! 高频时最大阻抗仅为!，使 整个滤波器抑制高频电压分量的能力大大降
低。相反，加大 ! 则使滤波器的阻尼作用下 降，如减小电容#，也只能在一定范围之内有 所改善，并以牺牲高频电流抑制能力为代价。
电阻 ! 上消耗的功率为
)!
&
!("(’*(! ［!(（"’("(）((!(］’+(
（+）
式中，"为工频角频率；* 为输出复功率。
电阻 ! 的值应大于"( 在滤波器谐振频率
的阻抗，但不应过大，使它能有一定的阻尼作
用。! 的值还应远大于"’ 工频时的阻抗，工
图5 ""!##9型阻尼滤波器
这种滤波器需绕制两个电感，且电感值较
此种滤波器性能也不理想，为了获得较大
的阻尼比，! 需取较大值，此时滤波器滤除 高频电流分量的能力大大降低，高频电流分量
流入负载，而且负载越大进入负载的高频电流
分量也越大。相反，如减小 ! 的值则滤波器 的阻尼作用又将显著下降。
!"% ""!&# 型阻尼滤波器 ’5!5) ""!+#$型阻尼滤波器
""!+#$ 型阻尼滤波器电路如图 * 所 示，它用电感 "’ 与电阻 ! 串联之后与电感 ") 并联组合取代传统 "# 滤波器的电感" 。
令其有一定的阻尼。另外，它的传递函数还引
入一个零点，将有助于系统稳定。工程实际应
用中，不仅希望滤波器结构简单、成本低廉， 还要求体积较小［0］、便于安装。
" 阻尼输出滤波器
"#! !#"$# 型阻尼滤波器 !##(" 阻尼滤波器电路如图!所示，用
电阻# 与电感! 并联之后与电容" 串联构成。 !##(" 型阻尼滤波器空载传递函数为 ’1（(）% )1（(）／)23（(）
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频电流主要从"’ 流过以使 ! 的损耗较低。电 感 "( 与电阻 ! 串联再与电感"’ 并联取代传 统 "# 滤波器的电感将使该支路的高频阻抗下 降，高频电压抑制能力同时下降，因而有必要
%("!#("!**(!#*#
（!）
图! !##(" 型阻尼滤波器电路
由式 （!）可知，其阻尼比为
! % "! ／" ／（"#）
（"）
故可将电阻 # 的值适当取小以使系统具
有一定的阻尼比。然而一旦电阻 # 太小，其
上的功耗较大，更严重的是高频电压分量更易
进入负载，故电阻 # 的取值需综合考虑，如 有必要可以通过增大电感 ! 并在满足滤除高 频电流 分 量 的 条 件 下 适 当 减 小 电 容" 的 值， 以得到较为满意的阻尼比。一般说来，空载阻
,+./，开关频率为!+&./的电力逆变器为例，
取 " 0#+#，’ 0,++$.，&#0!+$1，&!0 #+$1，其 空 载 时 波 特 图、 根 轨 迹 图 分 别 如 图 #+2、3所示。电阻 " 上消耗的功率与负载无
频电流分量的能力并没有如后者有所下降；与
’"-& 阻尼滤波器相比，其抑制高频电压分 量的能力也没有下降；与 ’’"-&%、& 型 相比，它的成本增加较有限，只是增加一个便
要求有一定的高频电压抑制能力，要求 !! 较 大，也即抑制高频电压分量的任务主要由它来
ห้องสมุดไป่ตู้
完成。由于成本原因，!’ 的值尽量小些，又 为使 # 起到一定的阻尼作用，# 的阻值与!’ 在谐振频率时的值相比不能太大。选择滤波器
各参数可通过计算与计算机仿真综合比较确
定。
以一台(+,-./’’*, ／-/!!0,#0*12，
传统 "# 滤波器的还要加大，成本有所增加， 设计稍嫌复杂，另外由于"(、! 支路的引入， 使滤波器抑制高频电压分量的能力减弱。
(7)7( ""!##%型阻尼滤波器 ""!##% 型阻尼滤波器电路如图 * 所
示，它用电感 "( 与电阻 ! 并联之后与电感
— -, —
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无源阻尼滤波器分析
宜的电阻。综上所述，’-&&" 型阻尼滤波 器在技术性能上，成本优势上都极具竞争力。
以下以一种 %&’( )*!!+’ ／(*##,’,+./，开关 频 率 为 !+&./的 电 力 逆 变 器 为 例 说明。传统 ’& 无阻尼滤波器输出电感值为’ 0,++$.，输出电容值为 &0%+$1，空载输出 波形如图##所示。取阻尼滤波器中的阻尼 ’ -&&" 型输出滤波器为例，并取 "0#+#，’ 0,++$.，&#0!+$1，&!0#+$1， 空 载 输 出 波形如图#!所示。
图’3、<所示。
图! !"# 型阻尼滤波器电路
!"# 型阻尼滤波器空载传递函数为 %=（&）’ (=（&）／(3<（&）
’&’#"&!#!)&)#)! ))
（8）
式中，(3<为滤波输入电压；(= 为滤波输出
电压；" 为滤波电感；# 为滤波电容；! 为
阻尼电阻。
此滤波器阻尼比为
图’ "!!+# 型阻尼滤波器
· 电力电子·
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无源阻尼滤波器分析
刘 珺! 邵 亮"
（!#江西理工大学南昌校区 $$%%!$ "#江苏省无锡供电公司 "!&%’!）
摘 要 目前输出滤波器多采用传统的 !" 无阻尼滤波，这种滤波方式在输出特别是空载或 轻载时极易产生振荡，严重影响整个系统性能并产生电磁干扰问题。近年来新型的阻尼滤波因其
加大 "’、"( 的值。由于 "( 流经的电流很小， 出于成本考虑，可将其值适当取大。电感 "’、 "( 的选择需综合考虑成本与体积并与电阻 !
相配合。参数的具体选择可以通过计算与仿真
确定。
以),-. /0((1- ／.0’’"-#"123，开 关频率为(1,23的电力逆变器为例，取 !4 ’"#，"’4511$2，"(4’111$2，#4)1$6， 其空载时波特图、根轨迹图分别如图5%所示。 满载时电阻 ! 上消耗的最大功率为’75’8。
增加，设计稍复杂。由于 !’、#、!! 的选择 与滤波器的阻尼作用以及体积、成本有直接联
系，具体电路的设计应综合考虑。
图7 !!##" !型阻尼滤波器
!"# !$""# 型阻尼滤波器 !#""# 型阻尼滤波器电路如图)所示，
它用电容 "’ 与电阻 # 串联之后与电容"! 并 联组合取代传统 !" 滤波器的电感"。
— .- —
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率 应 用 场 合。 以 一 台 !"#$ %& ’’(# ／$& ))*#+*(,-，开 关 频 率 为 ’(",-的 电 力 逆 变 器为例，当 !.’/!，".0((",，#.’("1， 此时在滤波器额定输出时电阻 ! 的功耗最大 为$!234.(56(7，!.(5)()8。利用 93:;3< 仿真［6］其 空 载 时 的 波 特 图、 根 轨 迹 图 分 别 如
动态输出特性。不过长期以来沿用的都是传统
的 !" 输出滤波器［!($］。它是一个无阻尼或极 低阻尼二阶系统，它没有零点只有两个位于虚
轴的共模极点，空载时，系统将处于近似无阻
尼状 态 ! !%， 故 谐 振 峰 值 $) % !／"!
"!&!" ! *［&］。此时，若滤波器前端出现
扰动输 入， 则 滤 波 器 的 输 出 极 易 产 生 振 荡 分
量，并使得 !" 输出滤波器前端电压波形中出 现频率在输出滤波器谐振频率附近的扰动谐波 分量［+］，并产生一些 ,-.问题［’］。无源滤波 器的电路结构相对简单，成本低廉，为此使用
有抑制振荡功能的无源阻尼 !" 输出滤波器将 是很 好 的 选 择［/］。 阻 尼 滤 波 器 不 同 于 传 统 的
滤波器，它将滤波器的极点向虚轴左方移动，
电压；!!、!’ 为滤波电感；" 为滤波电容；
# 为阻尼电阻。
电阻 # 上消耗的功率为
)#
!
!’!’’*’# （!’!’’(#’）’’$
（!*）
式中，"为工频角频率；* 为滤波器输出复功
率。
在工频时，电阻 # 基本不流经电流，以 保证它的损耗较小，即电感 !’ 和 !! 流经的 电流几乎一样大，故它们的体积均较大。由于
!"! !"# 型阻尼滤波器［#$］ !"# 型阻尼滤波器电路如图!所示，电
感 " 与电阻! 串联电容# 构成的支路串联而 成。
— ,+ —
!
’
) ’
"!#
／"
（*）
电阻 ! 上消耗的功率为
$! ’!’)()*’／"’#’·! 式中，" 为工频角频率。
（0）
电阻 ! 应尽量大，以满足适当的阻尼比，
但如过大则损耗加大，同时高频电流分量不能
图) !#""# 型阻尼滤波器
!#""# 型阻尼滤波器传递函数为 $$（%）& ’$（%）／’%&（%）
&%(#"!"’!
%#"’(! (%’（"!("’）!(%#"’(!
（!!）
式中，’%&为滤波输入电压；’$ 为滤波输出
电压；! 为滤波电感；"!、"’ 为滤波电容；
# 为阻尼电阻。
电阻 # 上的损耗
尼比不一定要太大，否则往往要以过高的成本
为代价。并且负载的阻尼作用可使其带载的阻
尼性能远好于空载。如不考虑电容 " 的电流， 并假定输出复功率为 +，可得电阻 # 上消耗 的功率为
,# % （#""*""!""!+""）)"1·#
（$）
式中，!为工频角频率；+ 为滤波器输出复功
率。
电阻 # 上的损耗是随负载的大小变化而 变化的，一般说来，这种滤波器不适用于大功