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关于反激开关直流电源输出滤波电容的计算与经验

相关参数计算

反激式开关直流电源输出整流滤波直流电源电路原理上是最简单的。但是,由于反激式开关直流电源的能量传递必须通过变压器转换实现,并压器的初次级两侧的开关(MOSFET或整流二极管)均工作在直流电源电流断续状态。在相同输出功率条件下,反激式开关直流电源的开关流过的直流电源电流峰值和有效值大于正激式、桥式、推挽式开关直流电源。为了获得更低的输出直流电源电压尖峰,通常的反激式开关直流电源工作在电感直流电源电流(变压器储能)断续状态,这就进一步增加了开关元件的直流电源电流额定。

开关直流电源的直流电源电路拓扑对输出整流滤波电容器影响也是非常大的,由于反激式开关直流电源的输出直流电源电流断续性,其交流分量需要由输出整流滤波电容器吸收,当电感直流电源电流断续时输出整流滤波电容器的需要吸收的纹波直流电源电流相对最大。

对应的输出整流二极管的直流电源电流波形如图1,输出滤波电容器的直流电源电流波形如图2。

反激式开关直流电源的输出整流二极管的直流电源电流波形

图1 反激式开关直流电源的输出整流二极管的直流电源电流波形

输出滤波电容器的直流电源电流波形

图2 输出滤波电容器的直流电源电流波形

由图1可以得到流过输出整流二极管直流电源电流峰值与平均值、有效值的关系为如下。

流过输出整流器的峰值直流电源电流与平均值直流电源电流的关系:

   流过输出整流二极管直流电源电流峰值与平均值、有效值的关系(1)

流过输出整流器的有效值直流电源电流与峰值值直流电源电流的关系:

 流过输出整流二极管直流电源电流峰值与平均值、有效值的关系 (2)

流过整流器的有效值直流电源电流与平均值直流电源电流的关系:

   流过输出整流二极管直流电源电流峰值与平均值、有效值的关系(3)

式中:IrecM、Irecrms、IO、Dmax分别为流过输出整流器的峰值直流电源电流、有效值直流电源电流、平均值直流电源电流和输出整流二极管的最大导通占空比。

流过输出滤波电容器的直流电源电流有效值略小于流过输出整流器的有效值直流电源电流。

式(1)、(2)、(3)表明,随着输出整流器导通占空比的减小,相同输出直流电源电流平均值对应道德峰值直流电源电流、有效值直流电源电流随占空比的减小而增加。

在大多数情况下,反激式开关直流电源工作在变压器直流电源电流临界或断续状态。在变压器直流电源电流临界状态下,初级侧开关管导通占空比与输出整流器导通占空比相加为1。

在大多数情况下,反激式开关直流电源的输出整流器的最大导通占空比约为0.5。这样,流过输出整流器的直流电源电流峰值与输出平均值直流电源电流之间的关系为:

 直流电源电流峰值与输出平均值直流电源电流之间的关系(4)

有效值直流电源电流于输出直流电源电流平均值的关系为:

 直流电源电流峰值与输出平均值直流电源电流之间的关系 (5)

设计实例与分析

某反激式开关直流电源的技术参数为:直流电源电路图拓扑:反激式;输入直流电源电压:85Vac~264Vac工作频率:65kHz ;输出:12V/5A;纹波直流电源电压:50mV;CLC滤波。

(1)第一级滤波电容器的选择

对于输出直流电源电流5A对应的峰值直流电源电流为20A、有效值直流电源电流为14.14A,其中大部分流入滤波电容器。按最高温度的纹波直流电源电流2倍选用电容器,滤波电容器的纹波直流电源电流之和至少要7A。

25V/1000μF低ESR铝电解电容器的额定纹波直流电源电流约为1A,需要7只并联。如果非要5只并联甚至4只并联,也是可以运行的,但是不具有长期可靠性。

25℃温度下,25V/1000μF低ESR铝电解电容器的ESR约为0.09Ω。7只并联对应的ESR为129mΩ、5只并联为180mΩ、4只并联为225mΩ。由直流电源电流变化在ESR上产生的峰值直流电源电压分别为2.59V、3.60V、4.50V。除此之外,滤波电容器的ESL还会在整流二极管开通时由于直流电源电流的跃变而产生感生电势,这个感生电势同样会加到滤波电容器上,因此,滤波电容器上的峰值直流电源电压将不只是上述的2.59V、3.60V、4.50V。其直流电源电压波形如图3。

第一级滤波电容器的直流电源电压波形

图3 第一级滤波电容器的直流电源电压波形

很显然,2.59V、3.60V、4.50V是不能满足设计要求的,需要在第一级滤波电容器后面加上一级LC低通滤波器。

(2)第二极LC低通滤波器的设计与参数选择

第二级需要考虑的是如何将不能满足要求纹波直流电源电压经过LC滤波使其满足要求。通常滤波电感可以选择30~100μH,输出滤波电容器不仅要考虑输出纹波直流电源电压是否可以满足要求,还要考虑抑制负载直流电源电流的变化,在这里可以选择330~1000μF/25V。

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