整流濾波電容的設計與選用方法研究

董振旗，趙巍輝，劉耀輝，劉鵬

（第二炮兵工程大學陜西西安710025）

整流濾波電路是直流穩壓電源設備原理電路的重要組成部分，具有把交流電壓轉換成直流電壓的功能作用。在整流濾波電路中有兩部分電路組成，如圖1所示：一是整流電路，其作用是把正弦波交流電壓（如市電220 V/50 Hz）轉變成單向的脈動電壓；二是濾波電路，是將單向脈動電壓通過濾波形成直流電壓[1]。整流濾波電路輸出的直流電壓，是直流穩壓電源設備實現穩壓輸出的前提。如果整流濾波電路輸出的直流電壓不能滿足穩壓電路輸出的要求，將導致直流穩壓電源設備不能穩壓輸出。所以，濾波電路的設計，特別是濾波電容的設計與選用顯得更加重要。

整流濾波用的電解電容的選取似乎早有定論。即應根據允許的紋波電壓來選取容值；對于有維持時間要求的系統，單相整流時一般取l～2 μF/W[2]。對于濾波電容C的選取，使用經驗公式RC≥（3:5）T/2，并認為濾波電容C越大越好[3]。實驗證明這些說法，對于直流穩壓電源設備中整流濾波電容的設計與選取是不科學的。因為，濾波電容的容量大小直接影響整流濾波電路輸出的紋波電壓，應根據對紋波電壓的要求及其直流穩壓電源設備輸出直流電壓指標進行具體的設計與選取。

在圖1的濾波電路中，濾波電容C，具有隔直流、通交流的作用，即濾波作用。把整流后的電壓中多次諧波濾除，輸出“純凈”的直流電壓。因此，電容C的設計選擇，直接關系到濾波電路輸出直流電壓的質量。文中結合穩壓電路的要求，針對整流濾波電路，就濾波電容C的設計與選取展開了分析與研究。

1 濾波電容的設計

整流濾波電路的原理如圖1所示，主要有D1～D4二極管、濾波電容C和負載電阻RFZ組成。如果負載電阻RFZ等效為電源設備的穩壓電路，就對濾波電路提出指標要求。在整流電路輸出電壓、功率保證的情況下，主要是對紋波電壓的要求。紋波電壓是指濾波電路、穩壓電路輸出直流電壓含有的波動電壓[4]，如圖2所示。如果濾波電路輸出的紋波電壓過大，將導致穩壓電路輸出紋波電壓增大，甚至難以穩壓。紋波電壓是由整流輸出的單相脈動電壓對濾波電容C的充電、放電過程產生的；在負載RFZ不變的條件下，電容C的大小決定著紋波電壓的高低。可見，電容C的設計，應依據紋波電壓的要求來設計。

1.1 濾波電容充電、放電過程

針對圖1濾波電路，用示波器測試的波形圖分析C的充電、放電過程更為直觀。當K斷開時，全波整流電路輸出的電壓波形，即為濾波電路的輸入電壓ui，如圖2所示，是把輸入的正弦波電壓Ui（有效值）圖2的①轉變成頻率為100 Hz的單向脈動電壓，如圖2的②。當K接通時，濾波電路輸出的直流電壓為U0，并疊加有紋波電壓ΔU，如圖2的③。如果圖2中的②和③重疊后，在示波器上就會出現圖2中的④波形圖。從圖2的④中就可分析出電容C的充電與放電過程。

圖1 整流濾波電路原理Fig.1 Principle of rectifier filter circuit

圖2 整流濾波形圖Fig.2 Rectifier filter graph

圖2的④，為圖1電路處于穩態時輸出的Uc電壓波形，ΔU是紋波電壓，其幅度決定于C和負載RFZ的大小。如圖2所示，當處在0～t1，U0=Uc＞ui，C處于放電過程，D1～D4均處于截止狀態；在t1～t2，ui≥U0=Uc，C處于充電過程，D2、D3處于導通狀態，D1、D4處于截止狀態；在t2～t3，ui≤U0=Uc，C隨ui規律放電，仍存在D2、D3處于導通狀態，D1、D4處于截止狀態；在t3～t4，ui＜U0=Uc，C處于放電過程，D1～D4處于截止狀態。從t4后開始，其過程同t1～t4。可以看出從t1～t3期間，是電容C充電過程，紋波電壓的變化規律和ui（ui=U0=Uc）相同；在t3～t4期間，Uc按指數規律下降，時間常數為τ=RFZC。

1.2 濾波電容的計算方法與模型

從電容C充放電過程可以看出，在t1～t2期間，是電容C充電過程，紋波電壓ΔU的變化規律和ui基本相同。在t3～t4期間，純粹是電容C放電過程。其計算模型為[5]：

結合圖1整流濾波電路，依據圖2的④濾波電容充電、

放電原理，運用（1）計算模型，對C的進行計算，其計算方法如下：

如圖2的④波形，在t1～t2過程中，ΔU的變化規律和ui基本相同，符合正弦變化規律，其電容C充電兩端的電壓為：

設紋波電壓幅度為，則t1為：

則充電時間為tc=t2-t1：

因為Ui經全波整流后，變成了單相脈沖，頻率為100 Hz，周期為T/2=0.01s（T=1/50）；如圖2的④波形，紋波電壓ΔU在t1～t4為一個波形周期，所以t1與t4時刻的Uc值相同。

從波形中分析出，在t2～t3期間內，對C的充電、放電過程同時進行，由于t3-t2小小于t4-t2，所以，可近似為t2～t4為放電過程，有模型（1）得到（5）：

則放電時間tf=t4-t2為：

由于f=50 Hz，由此知濾波電容C、負載RFZ、ΔU三者之間的變化關系為：

即濾波電容C的關系公式為：

1.3 濾波電容的仿真計算

設：Ui=15 V，f=50 Hz，ω=2πf。

運用Matlab運算工具[5-6]，對關系式（7）和（8）進行運算，得到圖3曲線。

當紋波電壓ΔU一定時，即選定ΔU分別為Uc10%、Uc20%、Uc30%時，在分別取RFZ為不同值，得到一系列濾波電容C值，如圖3①所示。

當濾波電容C一定時，即選定C分別為3500μF、3 000μF、2 500 μF，在分別取不同的，即不同的紋波電壓參數，得到一系列負載RFZ的值，如圖3②所示。

當負載功率一定時，即分別取RFZ為20 Ω、15 Ω、10 Ω，分別取不同的ΔU，即不同的紋波電壓參數，同樣得到一系列濾波電容C值，如圖3③所示。

通過圖3可以看出，在RFZ、C與ΔU之間，如果知道2個參數就可以查到第3個參數值。比如：ΔU為Uc的20%、RFZ為15 Ω時，從圖3①中就可以查到C為2 300 μF；如果RFZ為20 Ω、C為3 500 μF時，從圖3②中就可以查到ΔU為1.8 V；如果要求ΔU為1.5 V、選C為4 700 μF時，則RFZ在20 Ω左右。

圖3 濾波電容C、負載R FZ、ΔU三者關系曲線（注：eU=ΔU）Fig.3 The curve of filter capacitor C，resistance R FZ and ΔU（Note：eU=ΔU）

2 濾波電容設計計算的實驗驗證

結合圖1所示電路原理，按照圖3查出的相關參數進行實驗驗證，以證明所建立模型的正確性。實驗驗證數據如表1所示。

表1 實驗驗證數據Tab.1 Experiment validation data

可見，在選定的參數情況下，通過圖3查找曲線相應參數值，進行電路實驗驗證，所得出的數據與之相符，說明所建立的模型（8）與運算所繪出的濾波電容C、負載RFZ、ΔU三者關系曲線具有科學性性，能夠進行整流濾波電路中C的設計與選取。

3 結束語

在電源設備的整流濾波電路中，濾波電容C的選取，一般依據輸出直流電壓、負載RFZ大小及對紋波電壓ΔU的要求進行設計的。本文依據整流濾波電路原理和濾波電容的作用，分析了紋波電壓產生的過程，說明了紋波電壓ΔU與RFZ、C的關系，建立了Uc與RFZ、C和的模型，給出了相應關系曲線圖；在輸入電壓Ui一定的條件下，可以查出與RFZ、C的值，并通過仿真計算和實驗驗證，證明了上述建立的模型、仿真關系曲線的科學性，有利于在濾波電容C設計與選取。

[1] 金霞，張磊.整流濾波電路的計算機仿真[J].科技向導，2010（4）:10-11.JIN Xia，ZHANG Lei.Computer simulation on rectifier filter circuit[J].Science and Technology Guide，2010（4）:10-11.

[2] 徐立剛，陳乾.單相整流濾波電容紋波電流的數學模型與分析[J].電力電子技術，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，黃俊.電力電子技術[M].4版.北京:機械工業出版社，2004.

[4] 皇金鋒.單相橋式整流濾波電容的設計[J].電器開關，2007（3）:39-40.HUANG Jin-feng.Design of filter capacitor in single-phase bridge rectifier circuit[J].Electric Switchgear，2007（3）:39-40.

[5] 尹淑萍.基于MATLAB的單相整流濾波電路仿真與分析[J].河南科技，2010（10）:79-80.YIN Shu-ping.Simulation and analysis of single-phase rectifier filter circuit based on MATLAB[J].Henan Science and Technology，2010（10）:79-80.

[6] 張德豐.MATLAB神經網絡應用設計[M].北京:機械工業出版社，2009.