開(kāi)關(guān)電源原理與設(shè)計(jì)（連載四）串聯(lián)式開(kāi)關(guān)電源儲(chǔ)能濾波電容的計(jì)算

1-2-4.串聯(lián)式開(kāi)關(guān)電源儲(chǔ)能濾波電容的計(jì)算

我們同樣從流過(guò)儲(chǔ)能電感的電流為臨界連續(xù)電流狀態(tài)著手，對(duì)儲(chǔ)能濾波電容C的充、放電過(guò)程進(jìn)行分析，然后再對(duì)儲(chǔ)能濾波電容C的數(shù)值進(jìn)行計(jì)算。

圖1-6是串聯(lián)式開(kāi)關(guān)電源工作于臨界連續(xù)電流狀態(tài)時(shí)，串聯(lián)式開(kāi)關(guān)電源電路中各點(diǎn)電壓和電流的波形。圖1-6中，Ui為電源的輸入電壓，uo為控制開(kāi)關(guān)K的輸出電壓，Uo為電源濾波輸出電壓，iL為流過(guò)儲(chǔ)能濾波電感電流，Io為流過(guò)負(fù)載的電流。圖1-6-a)是控制開(kāi)關(guān)K輸出電壓的波形;圖1-6-b)是儲(chǔ)能濾波電容C的充、放電曲線圖;圖1-6-c)是流過(guò)儲(chǔ)能濾波電感電流iL的波形。當(dāng)串聯(lián)式開(kāi)關(guān)電源工作于臨界連續(xù)電流狀態(tài)時(shí)，控制開(kāi)關(guān)K的占空比D等于0.5，流過(guò)負(fù)載的電流Io等于流過(guò)儲(chǔ)能濾波電感最大電流iLm的二分之一。

在Ton期間，控制開(kāi)關(guān)K接通，輸入電壓Ui通過(guò)控制開(kāi)關(guān)K輸出電壓uo ，在輸出電壓uo的作用下，流過(guò)儲(chǔ)能濾波電感L的電流開(kāi)始增大。當(dāng)作用時(shí)間t大于二分之一Ton的時(shí)候，流過(guò)儲(chǔ)能濾波電感L的電流iL開(kāi)始大于流過(guò)負(fù)載的電流Io ，所以流過(guò)儲(chǔ)能濾波電感L的電流iL有一部分開(kāi)始對(duì)儲(chǔ)能濾波電容C進(jìn)行充電，儲(chǔ)能濾波電容C的兩端電壓開(kāi)始上升。

當(dāng)作用時(shí)間t等于Ton的時(shí)候，流過(guò)儲(chǔ)能濾波電感L的電流iL為最大，但儲(chǔ)能濾波電容C的兩端電壓并沒(méi)有達(dá)到最大值，此時(shí)，儲(chǔ)能濾波電容C的兩端電壓還在繼續(xù)上升，因?yàn)?，流過(guò)儲(chǔ)能濾波電感L的電流iL還大于流過(guò)負(fù)載的電流Io ;當(dāng)作用時(shí)間t等于二分之一Toff的時(shí)候，流過(guò)儲(chǔ)能濾波電感L的電流iL正好等于負(fù)載電流Io，儲(chǔ)能濾波電容C的兩端電壓達(dá)到最大值，電容停止充電，并開(kāi)始從充電轉(zhuǎn)為放電。

可以證明，儲(chǔ)能濾波電容進(jìn)行充電時(shí)，電容兩端的電壓是按正弦曲線的速率變化，而儲(chǔ)能濾波電容進(jìn)行放電時(shí)，電容兩端的電壓是按指數(shù)曲線的速率變化，這一點(diǎn)后面還要詳細(xì)說(shuō)明，請(qǐng)參考后面圖1-23、圖1-24、圖1-25的詳細(xì)分析。

圖1-6中，電容兩端的充放電曲線是有意把它的曲率放大了的，實(shí)際上它們的變化曲率并沒(méi)有那么大。因?yàn)閮?chǔ)能濾波電感L和儲(chǔ)能濾波電容構(gòu)成的時(shí)間常數(shù)相對(duì)于控制開(kāi)關(guān)的接通或關(guān)斷時(shí)間來(lái)說(shuō)非常大(正弦曲線的周期：

(1-17)和(1-18)式，就是計(jì)算串聯(lián)式開(kāi)關(guān)電源儲(chǔ)能濾波電容的公式(D = 0.5時(shí))。式中：Io是流過(guò)負(fù)載的電流，T為控制開(kāi)關(guān)K的工作周期，ΔUP-P為輸出電壓的波紋。電壓波紋ΔUP-P一般都取峰-峰值，所以電壓波紋正好等于電容器充電或放電時(shí)的電壓增量，即：ΔUP-P = 2ΔUc 。

順便說(shuō)明，由于人們習(xí)慣上都是以輸出電壓的平均值為水平線，把電壓紋波分成正負(fù)兩部分，所以這里遵照習(xí)慣也把電容器充電或放電時(shí)的電壓增量分成兩部分，即：2ΔUc。

同理，(1-17)和(1-18)式的計(jì)算結(jié)果，只給出了計(jì)算串聯(lián)式開(kāi)關(guān)電源儲(chǔ)能濾波電容C的中間值，或平均值，對(duì)于極端情況可以在平均值的計(jì)算結(jié)果上再乘以一個(gè)大于1的系數(shù)。

當(dāng)儲(chǔ)能濾波電容的值小于(1-17)式的值時(shí)，串聯(lián)式開(kāi)關(guān)電源濾波輸出電壓Uo的電壓紋波ΔUP-P會(huì)增大，并且當(dāng)開(kāi)關(guān)K工作的占空比D小于0.5時(shí)，由于流過(guò)儲(chǔ)能濾波電感L的電流iL出現(xiàn)不連續(xù)，電容器放電的時(shí)間大于電容器充電的時(shí)間，因此，開(kāi)關(guān)電源濾波輸出電壓Uo的電壓紋波ΔUP-P將顯著增大。因此，最好按(1-17)式計(jì)算結(jié)果的2倍以上來(lái)選取儲(chǔ)能濾波電容的參數(shù)