整流滤波电容的设计与选用方法研究

董振旗，赵巍辉，刘耀辉，刘鹏

（第二炮兵工程大学陕西西安710025）

整流滤波电路是直流稳压电源设备原理电路的重要组成部分，具有把交流电压转换成直流电压的功能作用。在整流滤波电路中有两部分电路组成，如图1所示：一是整流电路，其作用是把正弦波交流电压（如市电220 V/50 Hz）转变成单向的脉动电压；二是滤波电路，是将单向脉动电压通过滤波形成直流电压[1]。整流滤波电路输出的直流电压，是直流稳压电源设备实现稳压输出的前提。如果整流滤波电路输出的直流电压不能满足稳压电路输出的要求，将导致直流稳压电源设备不能稳压输出。所以，滤波电路的设计，特别是滤波电容的设计与选用显得更加重要。

整流滤波用的电解电容的选取似乎早有定论。即应根据允许的纹波电压来选取容值；对于有维持时间要求的系统，单相整流时一般取l～2 μF/W[2]。对于滤波电容C的选取，使用经验公式RC≥（3:5）T/2，并认为滤波电容C越大越好[3]。实验证明这些说法，对于直流稳压电源设备中整流滤波电容的设计与选取是不科学的。因为，滤波电容的容量大小直接影响整流滤波电路输出的纹波电压，应根据对纹波电压的要求及其直流稳压电源设备输出直流电压指标进行具体的设计与选取。

在图1的滤波电路中，滤波电容C，具有隔直流、通交流的作用，即滤波作用。把整流后的电压中多次谐波滤除，输出“纯净”的直流电压。因此，电容C的设计选择，直接关系到滤波电路输出直流电压的质量。文中结合稳压电路的要求，针对整流滤波电路，就滤波电容C的设计与选取展开了分析与研究。

1 滤波电容的设计

整流滤波电路的原理如图1所示，主要有D1～D4二极管、滤波电容C和负载电阻RFZ组成。如果负载电阻RFZ等效为电源设备的稳压电路，就对滤波电路提出指标要求。在整流电路输出电压、功率保证的情况下，主要是对纹波电压的要求。纹波电压是指滤波电路、稳压电路输出直流电压含有的波动电压[4]，如图2所示。如果滤波电路输出的纹波电压过大，将导致稳压电路输出纹波电压增大，甚至难以稳压。纹波电压是由整流输出的单相脉动电压对滤波电容C的充电、放电过程产生的；在负载RFZ不变的条件下，电容C的大小决定着纹波电压的高低。可见，电容C的设计，应依据纹波电压的要求来设计。

1.1 滤波电容充电、放电过程

针对图1滤波电路，用示波器测试的波形图分析C的充电、放电过程更为直观。当K断开时，全波整流电路输出的电压波形，即为滤波电路的输入电压ui，如图2所示，是把输入的正弦波电压Ui（有效值）图2的①转变成频率为100 Hz的单向脉动电压，如图2的②。当K接通时，滤波电路输出的直流电压为U0，并叠加有纹波电压ΔU，如图2的③。如果图2中的②和③重叠后，在示波器上就会出现图2中的④波形图。从图2的④中就可分析出电容C的充电与放电过程。

图1 整流滤波电路原理Fig.1 Principle of rectifier filter circuit

图2 整流滤波形图Fig.2 Rectifier filter graph

图2的④，为图1电路处于稳态时输出的Uc电压波形，ΔU是纹波电压，其幅度决定于C和负载RFZ的大小。如图2所示，当处在0～t1，U0=Uc＞ui，C处于放电过程，D1～D4均处于截止状态；在t1～t2，ui≥U0=Uc，C处于充电过程，D2、D3处于导通状态，D1、D4处于截止状态；在t2～t3，ui≤U0=Uc，C随ui规律放电，仍存在D2、D3处于导通状态，D1、D4处于截止状态；在t3～t4，ui＜U0=Uc，C处于放电过程，D1～D4处于截止状态。从t4后开始，其过程同t1～t4。可以看出从t1～t3期间，是电容C充电过程，纹波电压的变化规律和ui（ui=U0=Uc）相同；在t3～t4期间，Uc按指数规律下降，时间常数为τ=RFZC。

1.2 滤波电容的计算方法与模型

从电容C充放电过程可以看出，在t1～t2期间，是电容C充电过程，纹波电压ΔU的变化规律和ui基本相同。在t3～t4期间，纯粹是电容C放电过程。其计算模型为[5]：

结合图1整流滤波电路，依据图2的④滤波电容充电、

放电原理，运用（1）计算模型，对C的进行计算，其计算方法如下：

如图2的④波形，在t1～t2过程中，ΔU的变化规律和ui基本相同，符合正弦变化规律，其电容C充电两端的电压为：

设纹波电压幅度为，则t1为：

则充电时间为tc=t2-t1：

因为Ui经全波整流后，变成了单相脉冲，频率为100 Hz，周期为T/2=0.01s（T=1/50）；如图2的④波形，纹波电压ΔU在t1～t4为一个波形周期，所以t1与t4时刻的Uc值相同。

从波形中分析出，在t2～t3期间内，对C的充电、放电过程同时进行，由于t3-t2小小于t4-t2，所以，可近似为t2～t4为放电过程，有模型（1）得到（5）：

则放电时间tf=t4-t2为：

由于f=50 Hz，由此知滤波电容C、负载RFZ、ΔU三者之间的变化关系为：

即滤波电容C的关系公式为：

1.3 滤波电容的仿真计算

设：Ui=15 V，f=50 Hz，ω=2πf。

运用Matlab运算工具[5-6]，对关系式（7）和（8）进行运算，得到图3曲线。

当纹波电压ΔU一定时，即选定ΔU分别为Uc10%、Uc20%、Uc30%时，在分别取RFZ为不同值，得到一系列滤波电容C值，如图3①所示。

当滤波电容C一定时，即选定C分别为3500μF、3 000μF、2 500 μF，在分别取不同的，即不同的纹波电压参数，得到一系列负载RFZ的值，如图3②所示。

当负载功率一定时，即分别取RFZ为20 Ω、15 Ω、10 Ω，分别取不同的ΔU，即不同的纹波电压参数，同样得到一系列滤波电容C值，如图3③所示。

通过图3可以看出，在RFZ、C与ΔU之间，如果知道2个参数就可以查到第3个参数值。比如：ΔU为Uc的20%、RFZ为15 Ω时，从图3①中就可以查到C为2 300 μF；如果RFZ为20 Ω、C为3 500 μF时，从图3②中就可以查到ΔU为1.8 V；如果要求ΔU为1.5 V、选C为4 700 μF时，则RFZ在20 Ω左右。

图3 滤波电容C、负载R FZ、ΔU三者关系曲线（注：eU=ΔU）Fig.3 The curve of filter capacitor C，resistance R FZ and ΔU（Note：eU=ΔU）

2 滤波电容设计计算的实验验证

结合图1所示电路原理，按照图3查出的相关参数进行实验验证，以证明所建立模型的正确性。实验验证数据如表1所示。

表1 实验验证数据Tab.1 Experiment validation data

可见，在选定的参数情况下，通过图3查找曲线相应参数值，进行电路实验验证，所得出的数据与之相符，说明所建立的模型（8）与运算所绘出的滤波电容C、负载RFZ、ΔU三者关系曲线具有科学性性，能够进行整流滤波电路中C的设计与选取。

3 结束语

在电源设备的整流滤波电路中，滤波电容C的选取，一般依据输出直流电压、负载RFZ大小及对纹波电压ΔU的要求进行设计的。本文依据整流滤波电路原理和滤波电容的作用，分析了纹波电压产生的过程，说明了纹波电压ΔU与RFZ、C的关系，建立了Uc与RFZ、C和的模型，给出了相应关系曲线图；在输入电压Ui一定的条件下，可以查出与RFZ、C的值，并通过仿真计算和实验验证，证明了上述建立的模型、仿真关系曲线的科学性，有利于在滤波电容C设计与选取。

[1] 金霞，张磊.整流滤波电路的计算机仿真[J].科技向导，2010（4）:10-11.JIN Xia，ZHANG Lei.Computer simulation on rectifier filter circuit[J].Science and Technology Guide，2010（4）:10-11.

[2] 徐立刚，陈乾.单相整流滤波电容纹波电流的数学模型与分析[J].电力电子技术，2009（3）:52-53.XU Li-gang，CHEN Qian.Modeling and analysis of singlephase rectifier capacitor ripple current[J].Power Electronics，2009（3）:52-53.

[3] 王兆安，黄俊.电力电子技术[M].4版.北京:机械工业出版社，2004.

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