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文檔簡介
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通,因此整流管電流波形如圖3-11脈沖電流,整流管導通時間與電容大小有關。假設交流電網的輸出電阻(包括整流器壓降)為零,在導通期間電容上電壓與輸入電網電壓完全相同,在達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。根據能量守恒定律,在半周期內輸出能量Po/2f等于電容從谷點電壓Uv充電到電網峰值電壓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,因為即使在最低頻率時,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對應的如表3-13所示。電容的交流分量有效值可從以下關系得到。假定電流脈沖為矩形波,電流脈沖在導通時間t內給電容補充的電荷應當等于電容電壓從峰值Up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,實際輸出電壓
4、比計算值要低,尤其是當由變壓器降壓小功率整流電路時,電源內阻,整流器壓降不可不考慮。49表3-13 電容選擇系數表k (1/s) 為了說明以上關系的應用,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。如果負載是恒定輸出功率的變換器,當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,設計壽命5年,在最高平均溫度要降低45才能達到這個要求,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為Dv0.93mW/cm2,熱導(熱阻倒數)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)根號中第二項應除以一個大于1的系數。如果不考慮高頻效應,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,但應注意實際允許溫升和溫度應與ESR(電流有效值)相對
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