220V直接整流的濾波電容器的選擇

　　前言

　　交流市電直接整流是帶有開關(guān)電源的電氣電子裝置獲得電源的最簡單的方法，由于這種方案在電路上簡單實用，大大的簡化了電源電路，同時也降低了電源電路的成本，隨之而來的問題就是需要正確選擇整流電路拓撲、整流器件和濾波電容器。單相電容輸入式濾波電路簡單，成本低的優(yōu)點而得到普遍的應用，由于單相整流電路需要濾除比較高幅值的紋波電壓，因此需要濾波電容器的電容量很大，為了獲得如此大的電容量同時又要盡可能的減小電容器的體積和成本，鋁電解電容器成為單相整流濾波電容器的"唯一"選擇。因此，有必要分析鋁電解電容器的特性，以正確選擇濾波電容器的參數(shù)。

　　1．鋁電解電容器的特性

　　1.1 高壓鋁電解電容器的應用電壓與壽命的關(guān)系

　　在交流市電直接整流的應用中需要400V~450V的高壓鋁電解電容器。

　　EPCOS額定電壓為450V、105℃、3000小時壽命的B43697電子鎮(zhèn)流器用鋁電解電容器在不同的電壓與溫度條件下的器壽命的關(guān)系如表1：

表1 EPCOS的B43697鋁電解電容器在不同的電壓與溫度條件下的壽命的關(guān)系

　　表中：U_R、I_~R、I_~Rmax、I_~R，105分別為鋁電解電容器的額定電壓、額定紋波電流、最大紋波電流、105℃的額定紋波電流。

　　從表1可以清楚地看到，在常溫條件下，額定電壓和降額使用的壽命小時數(shù)相同，而在額定溫度和額定紋波電流條件下，工作電壓降額到額定電壓的93%時的壽命為額定電壓時的近三倍。

　　很顯然，在高溫下鋁電解電容器的壽命受工作電壓影響很大，其根本原因是隨著溫度的上升漏電流大幅度的上升，從常溫到85℃漏電流幾乎上升一個數(shù)量級。而鋁電解電容器的壽命取決于漏電流的大小。

　　圖1為CDE的450V/4700μF/85℃鋁電解電容器的漏電流與環(huán)境溫度的關(guān)系。

圖1 CDE的450V/4700μF/85℃鋁電解電容器的漏電流與環(huán)境溫度的關(guān)系

　　從圖1可以看到在額定電壓條件下的漏電流約為90%額定電壓條件下的漏電流的5倍甚至更高。

　　1.2 紋波電流、溫度對壽命的影響

　　影響鋁電解電容器壽命的第二個決定因素是流過鋁電解電容器的紋波電流，隨著紋波電流的增加鋁電解電容器的壽命縮短，而且允許的最高工作溫度減少。圖2為EPCOS的B43697鋁電解電容器的紋波電流與壽命的關(guān)系。

圖2 EPCOS的B43697鋁電解電容器的紋波電流與壽命的關(guān)系

　　2．濾波電容器額定電壓的選擇

　　綜上所述，在選擇高壓鋁電解電容器的參數(shù)時工作電壓需要降額使用，一般需要降額90~93%。

　　對于工頻電網(wǎng)注解整流電路的濾波電容器，在輸入電壓220V±20%或輸入電壓85V~265V（110V－20%~220V＋20%）時的最高整流輸出電壓可以達到370V。因此應選擇額定電壓為400V的電解電容器或選擇兩只額定電壓為200V（也可以是250V）的電解電容器串聯(lián)使用。需要注意的是，盡管電解電容器的額定電壓有10%左右富裕量，在上述應用場合下，從產(chǎn)品的安全角度和使用壽命角度考慮是不允許使用額定電壓為300V或350V的電解電容器。其原因是：高壓鋁電解電容器的漏電流在額定電壓下與降額使用時會相差近10倍，壽命也會出現(xiàn)很大的差異。

　　對于帶有功率因數(shù)校正的整流濾波電路，當功率因數(shù)校正電路輸出電壓為380V時可以選擇額定電壓400V電解電容器，而功率因數(shù)校正電路輸出電壓高于380V時則只能選擇額定電壓為450V的電解電容器。

　　3．濾波電容器電容量的選擇

　　濾波電容器，為限制整流濾波輸出電壓紋波，正確選擇電容量是非常重要的。通常濾波電容器的電容量在輸入電壓220V±20%時按輸出功率選擇為：不低于每瓦1μF（即：≥1μF/W），輸入電壓85V~265V（110V－20%~220V＋20%）輸入時按輸出功率選擇為：不低于每瓦（3~4）μF（即：≥（3~4）μF/W）。濾波電容器電容量的取值依據(jù)為：在220V±20%交流輸入及85V~265V交流輸入的最低值時，整流輸出電壓最低值分別不低于200V和90V，在同一輸入電壓下的整流濾波輸出電壓分別約為：240V和115V，電壓差分別為：40V和25V。每半個電源周波（10mS），整流器導電時間約2mS，其余8mS為濾波電容器放電時間，承擔向負載提供全部電流，即：

　　（1）

　　220V±20%交流輸入時：

　（2）

　　（3）

　　（4）

　　（5）

　　即：1μF/W

　　85V~265V交流輸入時：

　　（6）

　　（7）

　　（8）

　?。?）

　　即：3.6μF/W

　　每半個電源周波（10mS），整流器導電時間約3mS，其余7mS為濾波電容器放電時間，承擔向負載提供全部電流，則：濾波電容器容量為：0.88μF/W和3.15μF/W。

　　以上是從濾波后的紋波電壓角度考慮如何選擇，如果從電解電容器的額定電流和壽命考慮則需要清楚濾波電解電容器所能承受的紋波電流和預計電容器的壽命。

　　4．一般鋁電解電容器可以承受的紋波電流和可能出現(xiàn)的實際紋波電流

　　鋁電解電容器可以承受的紋波電流如表2和表3。

表2 國產(chǎn)CD110型鋁電解電容器的紋波電流

表3某型號國產(chǎn)插腳式鋁電解電容的紋波電流

　　對于220V整流電容輸入式濾波電路，對應的輸出功率與輸入電流間的關(guān)系為：

　　（10）

　　通常，在沒有功率因數(shù)校正是整流器的功率因數(shù)約為0.6，考慮整機效率0.8，在最低輸入電壓（220V-20%，即176V整流輸出約為200V）時的輸出功率與輸入電流間的關(guān)系為：

　　（11）

　　這時對應的整流輸出電流平均值與輸出功率的關(guān)系為：

　　（12）

　　其輸出有效值大約是輸出電流平均值近兩倍。由表4.1可以看到僅有額定電壓為400V的引線式CD110型鋁電解電容器的額定紋波電流在10W以下可以滿足1μF/W的應用條件，其他容量、規(guī)格的電解電容器則需要（2~3）μF/W才能滿足，因此，在耗電功率為150W的電視機中通常選用105℃、470μf/400V的電解電容器。更大功率的則需要（4~5）μF/W。如果不想選擇大的電容量又想獲得大的額定紋波電流，可以選用多只電解電容器并聯(lián)的方案，如一只100μF/400V電解電容器的額定紋波電流大約為0.53A，兩支并聯(lián)可以達到1.06A，相當于單只330μF/400V的額定紋波電流。

　　如輸入電壓為全電壓范圍（AC85~264V適用于全世界各國的市電電壓等級）時，對應的輸出功率與輸入電流間的關(guān)系為：

?。?3）

　　當選擇3μF/W時，僅有額定電壓為400V的引線式CD110型鋁電解電容器的額定紋波電流在10W以下可以滿足3μF/W的應用條件，其他容量、規(guī)格的電解電容器則需要（5~7）μF/W才能滿足。

　　當然也可以選用不大于電解電容器3.5倍額定紋波電流的應用條件，以盡可能減小電解電容器的容量，所付出的代價是電解電容器的壽命明顯縮短，對于適應壽命短的電子裝置（如實際工作壽命短于一年）可以參用這樣的選擇方式。

　　如果整流器與濾波電容器之間接一個濾波電