陈永真：开关电源中的电解电容器

输入整理滤波电解电容器不仅要流过工频整流纹波电流，还要流过来自后级逆变器产生的开关频率的纹波电流。由于后级逆变器产生的纹波电流流入输入整流滤波电解电容器，使得电解电容器的工作状态不再是传统观念上的工作状态，按传统参数选择电解电容器电容量会出现电解电容器过热现象，导致电解电容器早期失效。

为了给工程师们提供优质的电子工程知识，电源网有幸邀请国内权威运算放大器应用专家陈永真为大家讲授运算放大器的相关知识。陈永真，辽宁工业大学教授，长期从事电力电子技术的教学、科研工作。他所研制的“铁路客车荧光灯逆变器”唯一通过铁道部标准“TB/T2219-81”的全部测试，参加 过“十五”期间的国家“863”计划电动汽车重大专项“解放牌混合动力城市客车用超级电容器”项目，并出版电容和通用集成电路等相关领域的专著。下面请大家认真听陈永真教授的精彩课程吧！

1、反激式开关电源中的电解电容器

1.1 反激式开关电源产生的纹波电流

反激式开关电源一般工作在变压器激磁电感电流断续状态。在最不利的状态是最低输入电压并且是最大输出功率状态下。在这种状态下，开关管最大占空比在0.3~0.4之间。

如果反激式开关电源交流输入电压范围在（220V1±20%），也就是交流输入电压176V~264V范围。反激式开关电源的最大占空比必定工作在176V状态下，对应整流输出电压谷底约200V。

反激式变换器在电流断续状态下的主要波形如图1。

图1 反激式变换器电流断续状态的主要波形

图1（b）波形与降压型变换器的开关管电流波形、DC-Link电容器电流波形相同，不同的是，DC-Link电容器电流没有直流成分。

直流母线平均值电流与为：

母线平均值电流与母线峰值电流的关系为：

母线电流峰值与输出功率及母线电压的关系为：

变换器的输入电流有效值为：

将母线电流平均值与输出功率级母线电压的关系整理上式得：

以上诸式中：PO、UBUS、IBUSav、IM、η分别为降压型变换器输出功率、直流直流母线电压、直流电源输出平均电流、降压型变换器输入峰值电流、变换器效率；D为开关管导通占空比，为：

D=t1/T（7）

根据有效值原理，DC-Link电容器的电流为：

可以看到：在电源输入电流平均值不变得条件下，DC-Link电容器的有效值电流随着占空比的减小而单调增加。

最大占空比为0.4状态下：DC-Link电容器的有效值电流是直流母线电流平均值的1.732倍；

最大占空比为0.3状态下：DC-Link电容器的有效值电流是直流母线电流平均值的2.208倍；

最大占空比选择不当，最大占空比0.2状态下：DC-Link电容器的有效值电流是直流母线电流平均值的2.517倍；

如果最大占空比仅仅为0.1的状态下：DC-Link电容器的有效值电流是直流母线电流平均值的3.606倍；

如果反激式开关电源交流输入电压范围在（220V1±20%），也就是交流输入电压176V~264V范围。反激式开关电源的最大占空比必定工作在176V状态下，对应整流输出电压谷底约200V。考虑85%的电源效率

最大占空比为0.4状态下，开关管峰值电流与输出功率之间的关系为：34W/A。

最大占空比为0.3状态下，开关管峰值电流与输出功率之间的关系为：25.5W/A。

最大占空比选择不当，最大占空比0.2状态下，开关管峰值电流与输出功率之间的关系为：17W/A。

如果最大占空比仅仅为0.1，开关管峰值电流与输出功率之间的关系为：8.5W/A。

如果需要满足国际通用电源电压供电条件，交流85V对应的最低电压整流输出谷点电压约100V。考虑85%的电源效率

最大占空比为0.4状态下，开关管峰值电流与输出功率之间的关系为：17W/A。有效值/峰值比为0.365

最大占空比为0.3状态下，开关管峰值电流与输出功率之间的关系为：12.75W/A。有效值/峰值比为0.316

最大占空比选择不当，最大占空比0.2状态下，开关管峰值电流与输出功率之间的关系为：8.5W/A。有效值/峰值比为0.258

如果最大占空比仅仅为0.1，开关管峰值电流与输出功率之间的关系为：4.25W/A。有效值/峰值比为0.183

由此可见，在相同的输出功率条件下。具有比较高的直流母线电压可以获得较低的开关管峰值电流，较低的流入整流滤波电容器的电流。

不同对大占空比和不同的交流电源电压状态下，单位功率下流过电解电容器开关频率的纹波电流有效值如下

220V（1±20%）状态下对应整流输出谷点电压200V。

最大占空比0.4状态下，对应单位功率的流过电解电容器纹波电流有效值为10.5mA/W。

最大占空比0.3状态下，对应单位功率的流过电解电容器纹波电流有效值为12.4mA/W。

最大占空比0.2状态下，对应单位功率的流过电解电容器纹波电流有效值为14.8mA/W。

最大占空比0.1状态下，对应单位功率的流过电解电容器纹波电流有效值为21mA/W。

85V~265V全球通用电压状态下对应整流输出谷点电压100V

最大占空比0.4状态下，对应单位功率的流过电解电容器纹波电流有效值为21mA/W。

最大占空比0.3状态下，对应单位功率的流过电解电容器纹波电流有效值为24.8mA/W。

最大占空比0.2状态下，对应单位功率的流过电解电容器纹波电流有效值为29.6mA/W。

最大占空比0.1状态下，对应单位功率的流过电解电容器纹波电流有效值为42mA/W。

1.2 输入整流滤波电解电容器实际流过的电流有效值

整流滤波电容器流过的有效值电流约为整流输出电流平均值的1.5倍。

单位功率下，对应220V交流电压流过电解电容器的整流滤波纹波电流为：8.8mA/W。这个数值与反激式开关电源的DC/DC变换器产生的纹波电流取均方根值为实际流过电解电容器的有效值电流

最大占空比0.4状态下为：13.7mA/W。100W输出功率状态下，电解电容器将流过1.37A有效值电流。

最大占空比0.3状态下为：15.29mA/W。100W输出功率状态下，电解电容器将流过1.54A有效值电流。

最大占空比0.2状态下为：17.22mA/W。100W输出功率状态下，电解电容器将流过1.722A有效值电流。

最大占空比0.1状态下为：22.77mA/W。100W输出功率状态下，电解电容器将流过2.77A有效值电流。

如果按1μF/W的传统计算方法，上述电流令100μF电解电容器无法承受，因此在实际上需要选择甚至5μF/W的单位功率电容量。

单位功率下，对应85V~265V交流电压流过电解电容器的整流滤波纹波电流为：17.6mA/W。

流过电解电容器的实际纹波电流值为：

最大占空比0.4状态下为：27.4mA/W，电解电容器将流过2.74A有效值电流。

最大占空比0.3状态下为：30.58mA/W，电解电容器将流过3.06A有效值电流。

最大占空比0.2状态下为：34.44mA/W，电解电容器将流过3.44A有效值电流。

最大占空比0.1状态下为：45.54mA/W，电解电容器将流过4.55A有效值电流。

需要选择甚至5μF/W的单位功率电容量。

这个结论是无法令人接受的。

1.3 考虑频率折算系数后等效120Hz的纹波电流

在实际应用中，高频纹波电流可以考虑频率折算系数1.5，对应的：

220V（1±20%）状态下对应整流输出谷点电压200V。对应的120Hz的有效值电流为：

最大占空比0.4状态下，对应单位功率的流过电解电容器纹波电流有效值为7mA/W。

最大占空比0.3状态下，对应单位功率的流过电解电容器纹波电流有效值为8.3 mA/W。

最大占空比0.2状态下，对应单位功率的流过电解电容器纹波电流有效值为10mA/W。

最大占空比0.1状态下，对应单位功率的流过电解电容器纹波电流有效值为14mA/W。

85V~265V全球通用电压状态下对应整流输出谷点电压100V。对应的120Hz的有效值电流为：

最大占空比0.4状态下，对应单位功率的流过电解电容器纹波电流有效值为14mA/W。

最大占空比0.3状态下，对应单位功率的流过电解电容器纹波电流有效值为16.6mA/W。

最大占空比0.2状态下，对应单位功率的流过电解电容器纹波电流有效值为20mA/W。

最大占空比0.1状态下，对应单位功率的流过电解电容器纹波电流有效值为28mA/W。

最终的，在220V交流电压下，流过电解电容器的整流滤波纹波电流为：8.8mA/W。这个数值与反激式开关电源的DC/DC变换器产生的纹波电流取均方根值为实际流过电解电容器的有效值电流

最大占空比0.4状态下为：11.24mA/W。100W输出功率状态下，电解电容器将流过1.124A有效值电流。

最大占空比0.3状态下为：12.16mA/W。100W输出功率状态下，电解电容器将流过1.216A有效值电流。

最大占空比0.2状态下为：13.32mA/W。100W输出功率状态下，电解电容器将流过1.332A有效值电流。

最大占空比0.1状态下为：16.54mA/W。100W输出功率状态下，电解电容器将流过1.654A有效值电流。

如果按1μF/W的传统计算方法，上述电流令100μF电解电容器在长期工作下还是无法承受，因此在实际上需要选择甚至3μF/W的单位功率电容量。

单位功率下，对应85V~265V交流电压流过电解电容器的整流滤波纹波电流为：17.6mA/W。

流过电解电容器的实际纹波电流值为：

最大占空比0.4状态下为：22.48mA/W，电解电容器将流过2.25A有效值电流。

最大占空比0.3状态下为：24.32mA/W，电解电容器将流过2.432A有效值电流。

最大占空比0.2状态下为：26.64mA/W，电解电容器将流过2.664A有效值电流。

最大占空比0.1状态下为：31.1mA/W，电解电容器将流过3.11A有效值电流。