也談工頻整流電容濾波電路中的電容器選擇

1、也談工頻整流電容濾波電路中電容器選擇趙修科在小功率變換器中，為降低成本，采用交流輸入橋式整流電容濾波。只有在電源電壓大于電容電壓時整流管才導(dǎo)通，因此整流管電流波形如圖3-11脈沖電流，整流管導(dǎo)通時間與電容大小有關(guān)。假設(shè)交流電網(wǎng)的輸出電阻（包括整流器壓降）為零，在導(dǎo)通期間電容上電壓與輸入電網(wǎng)電壓完全相同，在達(dá)到交流電壓峰值時整流器電流為零。濾波輸出提供變換器電源，即使在最低輸入電壓Uimin，保證額定功率Po輸出。根據(jù)能量守恒定律，在半周期內(nèi)輸出能量Po/2f等于電容從谷點(diǎn)電壓Uv充電到電網(wǎng)峰值電壓Up存儲的能量Po12=C(UpUv2) 2f2C=PoPoPo(3-23) =22222f(Up

2、Uv)fUp(1k)Uimin式中f電網(wǎng)頻率（Hz），中國和歐洲為50Hz，美國為60Hz。C濾波電容量（F）。即式中k= Uv/Up谷峰比，Up=imin，因?yàn)榧词乖谧畹皖l率時，變換器還要輸出最大功率。=(3-24) 22f(1k)圖3-11 輸入濾波電容選擇 不同的k對應(yīng)的如表3-13所示。電容的交流分量有效值可從以下關(guān)系得到。假定電流脈沖為矩形波，電流脈沖在導(dǎo)通時間t內(nèi)給電容補(bǔ)充的電荷應(yīng)當(dāng)?shù)扔陔娙蓦妷簭姆逯礥p放電到最低電壓Uv失去的電荷量Icpt=C(UpUv) 脈沖寬度cos1kt= （3-25a）2f電流占空比tcos1kD=2ft= (3-25b)T/2電流脈沖峰值imin(1k

3、)=CUimin （3-26）t式中=k)。Icp=電容的交流電流有效值為Iac=I=CUimin=CUimin （3-27） 式中= 輸出直流電壓近似為 UoUp+Uv2=0.707(1+k)Ui=Ui式中=(1+k)50Hz和60Hz，以上式中，和如表3-13所示。在小功率變換器中，在最低輸入電壓下也要保證輸出功率，因此以最低輸入電壓選擇電容量。但是，選擇了電容以后，最高輸入電壓下，電流脈沖幅值增加，寬度減少，電容電流有效值增加，因此，要檢查高壓時電容電流的有效值。在以上討論中，忽略了交流電源的內(nèi)阻和電容ESR對輸出電壓波形的影響，忽略了輸入電路中限流電阻、保險絲和整流器壓降，實(shí)際輸出電壓

4、比計算值要低，尤其是當(dāng)由變壓器降壓小功率整流電路時，電源內(nèi)阻，整流器壓降不可不考慮。49表3-13 電容選擇系數(shù)表k （1/s） 為了說明以上關(guān)系的應(yīng)用，我們舉例予以說明：輸出功率為20W，變換器效率為85%，變換器由220V±20%/50Hz交流電源供電，經(jīng)橋式整流，電容濾波，給DC/DC變換器供電，變換器允許輸入紋波電壓峰峰值為35V，選擇輸入濾波電容。選擇電容量最小輸入電壓為220V×0.8=176V，變換器的輸入功率為Pi=Po/=20/0.85=23.5W。最低電壓峰值Upmin1.412×0.8×220=249V，k=(Up35)/Up=(2

5、4935)/249=0.86， k=0.85相近，從表3-13查得0.036，根據(jù)式（3-21）得到 C=PoUi2min=0.036×23.5=27×106F27F 2176電容承受最高電壓為Umax=1.2×220×1.414=373V，選擇450V。選擇30F /450V。如果負(fù)載是恒定輸出功率的變換器，當(dāng)最高輸入電壓時的電流有效值不會增大，仍可按表3-13參數(shù)計算。從表3-13看到0.0360，取45.8，電容電流有效值為Iac=CUimin=45.8×30×10×1760.242A由表查的k=0.85時1.31，直

6、流輸出電壓為UoUi=1.31×176=230V如果濾波電容后接斷續(xù)模式反激變換器，開關(guān)頻率50kHz，占空比Dmax0.3，初級電感為2mH，初級峰值電流為0.69A，交流分量有效值為0.192A。交流分量為電容充放電電流，電容器總的交流電流有效值為IAC=0.31A （3-28） 6檢查所選擇的30F/400V鋁電解電容交流紋波電流是否大于上式計算值。溫度是影響電解電容壽命的主要因素，最高溫度降低10,壽命增加1倍。有效值電流在ESR損耗導(dǎo)致電解電容溫升，如果電容上限溫度為105，壽命2000小時，環(huán)境溫度40，設(shè)計壽命5年，在最高平均溫度要降低45才能達(dá)到這個要求，即允許最高平均溫度60，電解電容的允許溫升為60-40=20，電解電容的對流系數(shù)為Dv0.93mW/cm2，熱導(dǎo)（熱阻倒數(shù)）GTDvAs(cm2)0.93As(mW/)，如果選定電容，外表面面積和ESR就已知，由允許溫升和熱導(dǎo)就可以求得允許的電容電流。電解電容允許高頻電流比低頻大，即式(3-28)根號中第二項(xiàng)應(yīng)除以一個大于1的系數(shù)。如果不考慮高頻效應(yīng)，計算是保守的。其次，隨著溫度升高，鋁電解電容ESR隨溫度升高而降低，即高溫允許更大的電流有效值，但應(yīng)注意實(shí)際允許溫升和溫度應(yīng)與ESR（電流有效值）相對