整流橋電容和濾波電容的選取與計算

2020-06-09 13:12:27 admin 2012

輸入整流橋的選擇】

1)整流橋的導通時間與選通特性

50Hz交流電壓經過全波整流後變成脈動直流電壓u1,再通過輸入濾波電容得到直流高壓U1。在理想情況下,整流橋的導通角本應為180°(導通範圍是從0°~180°),但由於濾波電容器C的作用,僅在接近交流峰值電壓處的很短時間內,才有輸入電流流經過整流橋對C充電。

 

50Hz交流電的半週期為10ms,整流橋的導通時間tC≈3ms,其導通角僅為54°(導通範圍是36°~90°)。因此,整流橋實際通過的是窄脈衝電流。橋式整流濾波電路的原理如圖1(a)所示,整流濾波電壓及整流電流的波形分別如圖l(b)和(c)所示。

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總結幾點:

(1)整流橋的上述特性可等效成對應於輸入電壓頻率的占空比大約為30%。

(2)整流二極體的一次導通過程,可視為一個“選通脈衝”,其脈衝重複頻率就等於交流電網的頻率(50Hz)。

(3)為降低開關電源中500kHz以下的傳導雜訊,有時用兩隻普通矽整流管(例如1N4007)與兩隻快恢復二極體(如FR106)組成整流橋,FRl06的反向恢復時間trr≈250ns。

 

2)整流橋的參數選擇

隔離式開關電源一般採用由整流管構成的整流橋,亦可直接選用成品整流橋,完成橋式整流。全波橋式整流器簡稱矽整流橋,它是將四隻矽整流管接成橋路形式,再用塑膠封裝而成的半導體器件。它具有體積小、使用方便、各整流管的參數一致性好等優點,可廣泛用於開關電源的整流電路。矽整流橋有4個引出端,其中交流輸入端、直流輸出端各兩個。

矽整流橋的最大整流電流平均值分0.5~40A等多種規格,最高反向工作電壓有50~1000V等多種規格。小功率矽整流橋可直接焊在印刷板上,大、中功率矽整流橋則要用螺釘固定,並且需安裝合適的散熱器。

整流橋的主要參數有反向峰值電壓URM(V),正向壓降UF(V),平均整流電流Id(A),正向峰值浪湧電流IFSM(A),最大反向漏電流IR(μA)。整流橋的反向擊穿電壓URR應滿足下式要求:

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舉例說明,當交流輸入電壓範圍是85~132V時,umax=132V,由式(1)計算出UBR=233.3V,可選耐壓400V的成品整流橋。對於寬範圍輸入交流電壓,umax=265V,同理求得UBR=468.4V,應選耐壓600V的成品整流橋。需要指出,假如用4只矽整流管來構成整流橋,整流管的耐壓值還應進一步提高。辟如可選1N4007(1A/1000V)、1N5408(3A/1000V)型塑封整流管。這是因為此類管子的價格低廉,且按照耐壓值“甯高勿低”的原則,能提高整流橋的安全性與可靠性。

 

設輸入有效值電流為IRMS,整流橋額定的有效值電流為IBR,應當使IBR≥2IRMS。計算IRMS的公式如下:

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式中,PO為開關電源的輸出功率,η為電源效率,umin為交流輸入電壓的最小值,cosφ為開關電源的功率因數,允許cosφ=0.5~0.7。由於整流橋實際通過的不是正弦波電流,而是窄脈衝電流(參見圖1),因此整流橋的平均整流電流Id<IRMS,一般可按Id=(0.6~0.7)IRMS來計算IAVG值。

 

例如,設計一個7.5V/2A(15W)開關電源,交流輸入電壓範圍是85~265V,要求η=80%。將Po=15W、η=80%、umin=85V、cosψ=0.7一併代入(2)式得到,IRMS=0.32A,進而求出Id=0.65×IRMS=0.21A。實際選用1A/600V的整流橋,以留出一定餘量。


【輸入濾波電容器的選擇】

1)輸入濾波電容器容量的選擇

為降低整流濾波器的輸出紋波,輸入濾波電容器的容量CI必須選的合適。令每單位輸出功率(W)所需輸入濾波電容器容量(μF)的比例係數為k,當交流電壓u=85~265V時,應取k=(2~3)μF/W;當交流電壓u=230V(1±15%)時,應取k=1μF/W。輸入濾波電容器容量的選擇方法詳見附表1,Po為開關電源的輸出功率。

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2)準確計算輸入濾波電容器容量的方法

輸入濾波電容的容量是開關電源的一個重要參數。CI值選得過低,會使UImin值大大降低,而輸入脈動電壓UR卻升高。但CI值取得過高,會增加電容器成本,而且對於提高UImin值和降低脈動電壓的效果並不明顯。下面介紹計算CI準確值的方法。

 

設交流電壓u的最小值為umin。u經過橋式整流和CI濾波,在u=umin情況下的輸入電壓波形如圖2所示。該圖是在Po=POM,f=50Hz、整流橋的導通時間tC=3ms、η=80%的情況下繪出的。由圖可見,在直流高壓的最小值UImin上還疊加一個幅度為UR的一次側脈動電壓,這是CI在充放電過程中形成的。欲獲得CI的準確值,可按下式進行計算:

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舉例說明,在寬範圍電壓輸入時,umin=85V。取UImin=90V,f=50Hz,tC=3ms,假定Po=30W,η=80%,一併帶入(3)式中求出CI=84.2μF,比例係數CI/PO=84.2μF/30W=2.8μF/W,這恰好在(2~3)μF/W允許的範圍之內。

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開關電源決定一次側濾波電容,主要影響電源的性能參數為輸出低頻交流紋波與保持時間。濾波電容越大,電容器上的Vin(min)越高,可以輸出較大功率的電源,但相對價格也提高了。 

 

3)輸入電解電容計算方法(舉例說明):

A. 因輸出電壓12V輸出電流2A,故輸出功率:

Pout=Vo*Io=12.0V*2A=24W

 

B. 設定變壓器的轉換效率約為80%,則輸出功率為24W的電源其輸入功率:

Pin=Pout/效率= 24W/80%=30W

 

C. 因輸入最小交流電壓為90VAC,則其直流輸出電

壓為: Vin=90* √2=127Vdc 

 

故負載直流電流為:

I=Pin/Vin=30W/127VDC=0.236A

 

若電源的等級要求較高時,可考慮如下參數進行推算;因輸入最小交流電壓為90VAC,則其最低輸出直流電壓為:

Vin(min)=90*√2 -30(直流紋波電壓)=97Vdc

 

故最大負載直流電流為:

IMAX=Pin/Vin(min)=30W/97VAC=0.309A

 

D. 設計允許30VPP的直流紋波電壓 ,並且電容要維持電壓的時間為半週期t,即半週期的工頻率交流電壓在約是8ms,

T=1/f=1/60=0.0167S=16.7 ms

則:

C=I*t/V=(0.236*8*10^3)/30≈62uF

 

62uF在常用電容47-82uF之間,因考慮成本問題,故實際選擇電容量47uF。

E. 因最大輸入交流電壓為264Vac,則最高直流電壓為:

V=264*√2=373VDC

 

實際選用通用型耐壓400Vdc的電解電容,此電壓等級,電容有95%的裕度。

 

F. 電容器的承受的紋波電流值決定電容器的溫升,進而決定電容器的壽命。(電容器的最大紋波電流值與其體積,材質有關。體積越大散熱越好耐受紋波電流值越高)故在選用電容器要考慮實際紋波電流值<電容器的最大紋波電流值。

 

G. 開關源元器件溫升一般較高,通常選用105℃電容器,在特殊情況無法克服溫升時可選用125℃電容器。

故選用47uF,400v,105℃電解電容器可以滿足要求(在實際使用時還考慮安裝機構尺寸,體種大小,散熱環境好壞等)。