基于開關電源的整流濾波中超級電容器的理論分析

2017-06-19 by:CAE仿真在線來源:互聯網

本文將超級電容器用于整流濾波,并進行設計和具體實現,測試證明,超級電容器可以用于電源輸出端的整流濾波,而且其濾波效果俱佳。其與電解電容器相比,具有其很大的優勢。

濾波電容器在整流濾波電路中起著重要作用,電容量越大濾波效果越好。特別是在低壓整流(如5V、3.3V甚至更低的電壓)輸出時往往因為濾波電容器的電容量不夠大而產生較大的紋波電壓。通過測試表明,整流濾波電路輸出1A電流時,分別采用 1000、2200、3300、4700和10000微法的濾波電容器,紋波電壓的峰峰值分別為:6V、2.8V、1.9V、1.1V和0.6V。如果采用更大的濾波電容器,濾波效果將會更好。問題是大容量電容器體積大。怎樣解決這個問題呢?人們立刻想到能否將超級電容器用于整流濾波,本文將通過理論分析和試驗給予詳盡的分析和試驗結果。

整流濾波對于電容器的基本要求

在開關電源中,輸出整流濾波對于電容器而言有四點基本要求,它們分別是:有足夠的電容量、符合要求的額定電壓、符合要求的ESR(等效串聯電阻)和可以承受相應的紋波電流值。只有同時滿足這四點基本要求,超級電容器才可以用于開關電源的輸出整流濾波。

圖1 阻抗頻率特性

圖2 超級電容器作為整流濾波電容器

超級電容器作為整流濾波電容器的可能性

對于超級電容器而言,它可以輕而易舉的達到法拉級電容量,故超級電容器是有足夠的電容量作為整流濾波。以前超級電容器的額定電壓比較低,雖然可以通過多只串聯的方式解決,但是多只串聯后將導致ESR的增大,從而增加了ESR的問題。而超級電容器不能用于輸出端的整流濾波的主要原因是:在開關電源的輸出端整流濾波時,要求濾波電容器有盡可能低的ESR,而以前的超級電容器多只串聯后的ESR 很大,這使得超級電容器在用于輸出整流濾波時會發熱。例如:5個4.7F的超級電容器串聯使用時,其ESR大約為300mΩ,這時,若在超級電容器上流過 2A輸出電流時,功率為1.2W,這個功率將導致超級電容器嚴重發熱。不過現在的超級電容器已經達到了很高的水平,例如AVX公司生產了一系列 bestcap®超級電容器,它同時具有高額定電壓與低ESR的特點,如:一只90mF/12V的bestcap®超級電容器的ESR約為90mΩ,這與 300mΩ相比小很多?？梢?bestcap®超級電容器的ESR遠低于以前的超級電容器,從而可以同時解決額定電壓與ESR的問題;余下的問題就是能否通過相應的紋波電流是否符合要求。選擇適合的電容量時(例如選擇每安培負載電流1000~10000μF),鋁電解電容器基本上不存在不能承受紋波電流,而且其ESR比較低,所產生的效應基本上對鋁電解電容器幾乎沒有影響。bestcap®超級電容器的ESR與鋁電解電容器的差不多,而且其具有非常的好阻抗頻率特性,故bestcap®超級電容器可以承受相應的紋波電流值。圖1為bestcap®超級電容器的阻抗頻率特性圖。由此可見,bestcap®超級電容器適用于輸出整流濾波。

超級電容器用于整流濾波

現以90mF/12V的超級電容器為例,其相關參數為額定電壓12V,額定電容量90mF、ESR90mΩ、體積48×30×6.1mm,溫度范圍-40℃~ 70℃。

用超級電容器作為整流濾波電容器

與一般的整流濾波電路一樣,超級電容器用于整流濾波的電路和輸出電流、流過濾波電容器的電流波形如圖2,只不過濾波電容器換成了超級電容器。以前,由于超級電容器的額定電壓很低(僅2.7V),需要數只超級電容器串聯。對于9V輸出的穩壓電源(考慮市電電壓的變化,整流輸出電壓約為10~12V),但現在只采用一只90mF/12V bestcap®超級電容器就可以實現9V輸出的穩壓電源的濾波。

測試結果對比

通過對采用兩只插腳式16V/33000μF的鋁電解電容器并聯作為濾波電容器的整流濾波電路。在整流輸出電壓平均值為9V,負載電流2.2A時的整流輸出紋波電壓如圖3,所使用的示波器為F105B數字示波表,選擇A通道,AC耦合,時基5mS/div(每格 5mS),通道設置100mV/div(每格100mV)。從圖中可以看到紋波電壓的峰峰值(ΔY)為412mV,充電與放電(電壓波形的上升與下降)時間基本相同。通過工頻變壓器降壓后的整流電路,由于工頻變壓器的漏感作用(抑制電流變化),使濾波電容器幾乎工作在或者是充電、或者是放電的狀態,與市電直接整流的狀態不同。

測試結果表明整流輸出濾波電容器選擇10000μF/A(每安培輸出電流用1萬微法)的濾波電容時,輸出電壓的紋波電壓的峰峰值約為 510mV,與理論分析結果的600mV/A很接近。因此,對于低壓整流濾波電路,為了獲得低紋波電壓將不得不采用非常大的濾波電容器,不僅體積大而且價格很高。

圖3

現在采用一只AVX公司生產的90mF/12V bestcap®超級電容器作為整流濾波電容器,在與上面的例子相同的測試條件下,測得輸出電壓的紋波電壓峰峰值為312mV,如圖4所示。從紋波電壓峰峰值可以看出一只90mF /12V bestcap®超級電容器作為濾波電容器的紋波電壓峰峰值比兩只16V/33000μF的鋁電解電容器并聯作為濾波電容器的紋波電壓峰峰值少 100mV,即采用一只90mF /12V bestcap®超級電容器作為濾波電容器比采用兩只16V/33000μF的鋁電解電容器并聯作為濾波電容器的濾波效果好。

超級電容器作為整流濾波的效果并不像理想電容器那樣使輸出電壓接近一條直線,而是有一些波動,原因是超級電容器有相對一般電容器大的ESR。一只90mF/12V bestcap®超級電容器的ESR約為90mΩ,濾波電容器上的充、放電的電流差約為輸出電流平均值的2倍,因而在輸出端出現約310mV的由于ESR 的電壓波動,即使如此,還是可以得到很低的紋波電壓。

由此可見,一只90mF/12V bestcap®超級電容器的濾波效果相當于一只56000μF電解電容器。同時由上述的參數可知,超級電容器的體積比鋁電解電容器的體積小很多,故在低壓整流濾波的應用中超級電容器將具有很大的性能優勢、價格優勢和體積優勢。