开关稳压器输入整流滤波电路的设计 admin    18/09/08



一.输入整流滤波器的选择与设计曲线

1.输入整流滤波器的选择

    使用开关稳压器时需要配输入电源,主要包括工频变压器、整流器和滤波器,下面 介绍整流滤波电路的设计。图3-4-1示出常见的3种整流方式:半波整流滤波器、全波 整流滤波器、桥式整流(专指全桥整流,下同)滤波器。当电流较小时可采用半波整流; 当电流较大时,若输入电压较低,可采用全波整流,输入电压较高时可采用桥式整流。

图3-4-1  整流滤波电路

2.输入整流滤波器的设计曲线

    利用图解法可完成输入整流滤波器的优化设计。图3-4-2~图3-4-5示出的各种 曲线,可为设计半波、全波及桥式整流电路提供所有必要的信息。图3-4-2、图3-4-3 分别为半波整流、全波和桥式整流电路中输入滤波电容器的输出直流电压与最大空载 电压的特性曲线。图3-4-4为通过每只整流管的电流有效值、峰值与平均值的比例特 的比例特性曲线。图3-4-5为输入滤波电容器的脉动系数曲线

图3-4-2  半波整流电路中输入滤波电容器的输出直流电压与最大空载电压的持性曲线

图3-4-3  全波和桥式整流电路中输入滤波电容器的输出直流电压与最大空载电压的特性曲线

    图3-4-2一图3-4-5中各物理量的意义如下:

    UC(DC)——输入滤波电容器的满载平均直流输出电压;

    UR(P-P)——最大空载脉动电压的峰—峰值;

    UM——最大空载电压;

    RI——输入串联电阻(单位是Ω),包括工频变压器二次绕组的直流电阻、整流二 极管的导通电阻和引线电阻,它等于整流滤波器的总串联电阻值,但不含输入滤波电容 器的等效串联电阻(ESR);

    RL——负载电阻(单位是Ω);

    C——滤波电容器(单位是F)

    γ一脉动系数,γ等于脉动电压的有效值与直流输出电压的百分比

    ω——角频率,ω=2πf,f为交流电频率(单位是Hz);

    IF(AVG)——整流电流的平均值;

    IF(RMS)——整流电流的有效值;

    IF(PK)——整流电流的峰值。

    由图3-4-3可见,对每条UC(DC)/UM曲线而言,如要求其相对变化量小于10%, 就必须使ωCRL ≥ 10,如要求相对变化量小于2.0%,必须使ωCRL ≥40。

    由于工频变压器的漏感很小,因此允许在输入滤波电容出现较大的纹波电流。最大 纹波电流约等于UM/RI,电容量随时间常数t≈RIC而变化。但只要最大纹波电流小于 二极管的正向不重复浪涌电流IFSM的额定值,且t<3ms,就不会损坏二极管。因此, 适当增大RI值,可降低纹波电流,使整流滤波器的输出更接近于直流。有时为减小通 电时产生的尖峰电流,还可在每只整流二极管上串联一只限流电阻。

二.输入整流滤波器的设计步骤

1.确定输入滤波电容器的最小容量

    (1)计算纹波系数γ纹波系数由下式确定

γ = UR(P-P)/(2UC(DC))0.5/2        (3-4-1)

    根据γ值,可从图3-4-5所示曲线中查到ωCRL

    (2)根据UC(DC),和ωCRL值,从图3-4-2所示半波整流电路或图3-4-3所示全波和 桥式整流电路中,可确定RI/RL值。若在第(1)步查出ωCRL>10,即可从图3-4-2 或图3-4-3中由ωCRL的最小值来确定RI/RL值。对于给定的γ和UC(DC)/UM值,有时 需要反复查阅图3-4-2和图3-4-5(或图3-4-3和图3-4-5),才能找到RI/RL的准 确值。

图3-4-4  整流电流有效值、峰值与平均值的比例特性曲线

图3-4-5  输入滤波电容器的脉动系数曲线

    (3)计算滤波电容器的容量。计算公式为

C = ωCRL/(2πfUC(DC)/ICO)        (3-4-2)

2.计算整流滤波器参数

    (1)流过整流二极管的电流平均值(IF(AVG))。令滤波器的满载输出电流为ICO,对 于半波整流电路,IF(AVG) = ICO;对于全波整流电路,IF(AVG) = ICO/2。

    (2)额定整流电流的有效值(IF(RMS))和峰值(IF(PK))。利用图3-4-4(a)确定(IF(RMS))和(IF(PK))。

    (3)半波或全波整流二极管的反向峰值电压URM。半波或全波整流二极管的反向峰 值电压额定值为2UM,全桥整流器为UM。考虑到线路中可能出现瞬间脉冲,UM应再留 出20%~50%的余量。

    (4)最大脉动电流IR(max)。计算最大脉动电流的公式为

IR(max) = UM/(RI + RESR)    (3-4-3)

    式中:RESR为输入滤波电容器的最小等效串联电阻。

3.计算工频变压器参数

    (1)计算二次侧的电压有效值US。计算公式为

US = 0.707 x (UM + nUF)   (3-4-4)

式中:UUF为每只整流二极管的导通压降,计算时可取UF=lV;n为比例系数,对于半 波整流和全波整流电路,n=1;对桥式整流电路而言,n=2。

    (2)计算等效输入电阻RI。首先从图3-4-2或图3-4-3、图3-4-4中查出RI/RL 的百分比,再根据已知的RL求出RI值。

    (3)计算二次侧电流的有效值。若令整流器的电流有效值为IRMS,则半波或全波整 流电路为IRMS,桥式整流电路为√2IRMS

    (4)计算工频变压器的额定功率。设工频变压器的额定功率为P(单位是VA), 对半波整流电路,P = USIRMS;对全波整流电路,P = 2USIRMS;对桥式整流电路, P = √2US(RMS)IRMS,US(RMS)为二次侧电压的有效值

三.输入整流滤波器的设计实例

    已知输入滤波器的满载平均直流输出电压口UC(DC)=16V,最大空载脉动电压的峰-峰 值UR(P-P)=3.0V,最大空载电压UM=25V,滤波器的满载输出电流为ICO=1.0A,交流 电频率f=50Hz。拟采用桥式整流电路,试确定输入滤波电容的容量、二次侧电压及电 流的有效值。

    (1)根据式(3-4-1)得到

γ = UR(P-P)/(2UC(DC))0.5/2 =  3.0>/(2 x 16)0.5/2 = 6.6% 

    从图3-4-5所示的曲线族中不难查出,ωCRL ≈ 7~15

    (2)计算RI

UC(DC)/UM =  16/25 = 64% 

    取ωCRL=10时,从图3-4-3中查到RI/RL=20%,进而得到

RI = 0.2RL = 0.2UC(DC)/ICO = 0.2 X 16/1.0= 3.2(Ω)

    (3)代入式(3-4-2)中,滤波电容器的容量为

C = ωCRL/(2πfUC(DC)/ICO) = 10/(2x3.14x50x16/1.0) = 1990uF

    实际可选2200uF的标称容量。

    (4)计算整流滤波器的参数。JIF(AVG) = ICO/2 = 1.0A/2 = 0.5A。采用桥式整流电路 时图3-4-4(a)、(b)中的比例系数n=2。ωCRL=10时,2ωCRL=20;利用前面求 出的RI/RL=20%,得到2RI/RL=40%。根据2ωCRL=20、2RI/RL=40%, 从图3-4-4(a)中很容易查出IF(RMS)/IF(AVG) = 2,由此得到IF(RMS)=2IF(AVG)= 2×0.5A=1.0A。再 根据2ωCRL=20、2RI/RL=40%,从图3-4-4(b)中查出IF(PK)/IF(AVG)=5.2,因此 IF(PK) = 5.2IF(AVG) = 5.2 x 0.5A = 2.6A。

    对于桥式整流电路,URM=UM=25V,留出一倍的余量后实际取UM=50V。若忽 略RESR,则利用式(3-4-3)可计算出,IR(max) ≈ UM/RI = 25V/3.2A = 7.8A。

    (5)计算工频变压器的参数。二次侧的电压有效值为

US(RMS) = 0.707 x (UM + nUF) = 0.707 x (25 + 2 x 1.0) = 19(V) 

    额定的二次侧电流有效值为IS(RMS)=√2IRMS=√2×1.0A=1.4A。工频变压器的额定 功率为P = √2US(RMS)IRMS=√2×19V×1.4A=27VA。

    最后需要说明的是,在实际设计输入整流滤波器时允许输入电压变化+l0%~-15%, 输入滤波电容器的允许误差为+75%~-10%。



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