基于開(kāi)關(guān)電源的整流濾波中超級(jí)電容器的理論分析

本文將超級(jí)電容器用于整流濾波，并進(jìn)行設(shè)計(jì)和具體實(shí)現(xiàn)，測(cè)試證明，超級(jí)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(yōu)勢(shì)。

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(shí)往往因?yàn)闉V波電容器的電容量不夠大而產(chǎn)生較大的紋波電壓。通過(guò)測(cè)試表明，整流濾波電路輸出1A電流時(shí)，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(huì)更好。問(wèn)題是大容量電容器體積大。怎樣解決這個(gè)問(wèn)題呢？人們立刻想到能否將超級(jí)電容器用于整流濾波，本文將通過(guò)理論分析和試驗(yàn)給予詳盡的分析和試驗(yàn)結(jié)果。

整流濾波對(duì)于電容器的基本要求

在開(kāi)關(guān)電源中，輸出整流濾波對(duì)于電容器而言有四點(diǎn)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(lián)電阻）和可以承受相應(yīng)的紋波電流值。只有同時(shí)滿足這四點(diǎn)基本要求，超級(jí)電容器才可以用于開(kāi)關(guān)電源的輸出整流濾波。



圖1 阻抗頻率特性 圖2 超級(jí)電容器作為整流濾波電容器

超級(jí)電容器作為整流濾波電容器的可能性

對(duì)于超級(jí)電容器而言，它可以輕而易舉的達(dá)到法拉級(jí)電容量，故超級(jí)電容器是有足夠的電容量作為整流濾波。以前超級(jí)電容器的額定電壓比較低，雖然可以通過(guò)多只串聯(lián)的方式解決，但是多只串聯(lián)后將導(dǎo)致ESR的增大，從而增加了ESR的問(wèn)題。而超級(jí)電容器不能用于輸出端的整流濾波的主要原因是：在開(kāi)關(guān)電源的輸出端整流濾波時(shí)，要求濾波電容器有盡可能低的ESR，而以前的超級(jí)電容器多只串聯(lián)后的ESR很大，這使得超級(jí)電容器在用于輸出整流濾波時(shí)會(huì)發(fā)熱。例如：5個(gè)4.7F的超級(jí)電容器串聯(lián)使用時(shí)，其ESR大約為300mΩ，這時(shí)，若在超級(jí)電容器上流過(guò)2A輸出電流時(shí)，功率為1.2W，這個(gè)功率將導(dǎo)致超級(jí)電容器嚴(yán)重發(fā)熱。不過(guò)現(xiàn)在的超級(jí)電容器已經(jīng)達(dá)到了很高的水平，例如AVX公司生產(chǎn)了一系列bestcap？超級(jí)電容器，它同時(shí)具有高額定電壓與低ESR的特點(diǎn)，如：一只90mF/12V的bestcap？超級(jí)電容器的ESR約為90mΩ，這與300mΩ相比小很多?？梢?jiàn)，bestcap？超級(jí)電容器的ESR遠(yuǎn)低于以前的超級(jí)電容器，從而可以同時(shí)解決額定電壓與ESR的問(wèn)題；余下的問(wèn)題就是能否通過(guò)相應(yīng)的紋波電流是否符合要求。選擇適合的電容量時(shí)（例如選擇每安培負(fù)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(chǎn)生的效應(yīng)基本上對(duì)鋁電解電容器幾乎沒(méi)有影響。bestcap？超級(jí)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(jí)電容器可以承受相應(yīng)的紋波電流值。圖1為bestcap？超級(jí)電容器的阻抗頻率特性圖。由此可見(jiàn)，bestcap？超級(jí)電容器適用于輸出整流濾波。

超級(jí)電容器用于整流濾波

現(xiàn)以90mF/12V的超級(jí)電容器為例，其相關(guān)參數(shù)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(jí)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(jí)電容器用于整流濾波的電路和輸出電流、流過(guò)濾波電容器的電流波形如圖2，只不過(guò)濾波電容器換成了超級(jí)電容器。以前，由于超級(jí)電容器的額定電壓很低（僅2.7V），需要數(shù)只超級(jí)電容器串聯(lián)。對(duì)于9V輸出的穩(wěn)壓電源（考慮市電電壓的變化，整流輸出電壓約為10~12V），但現(xiàn)在只采用一只90mF/12V bestcap，超級(jí)電容器就可以實(shí)現(xiàn)9V輸出的穩(wěn)壓電源的濾波。

測(cè)試結(jié)果對(duì)比

通過(guò)對(duì)采用兩只插腳式16V/33000μF的鋁電解電容器并聯(lián)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(fù)載電流2.2A時(shí)的整流輸出紋波電壓如圖3，所使用的示波器為F105B數(shù)字示波表，選擇A通道，AC耦合，時(shí)基5mS/div（每格5mS），通道設(shè)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(shí)間基本相同。通過(guò)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(tài)，與市電直接整流的狀態(tài)不同。

測(cè)試結(jié)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(wàn)微法）的濾波電容時(shí)，輸出電壓的紋波電壓的峰峰值約為510mV，與理論分析結(jié)果的600mV/A很接近。因此，對(duì)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(jià)格很高。


圖3 兩只16V/3300 鋁電解電容器并聯(lián)的整流輸出

現(xiàn)在采用一只AVX公司生產(chǎn)的90mF/12V bestcap？超級(jí)電容器作為整流濾波電容器，在與上面的例子相同的測(cè)試條件下，測(cè)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(jí)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(lián)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(jí)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(lián)作為濾波電容器的濾波效果好。

超級(jí)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(dòng)，原因是超級(jí)電容器有相對(duì)一般電容器大的ESR.一只90mF/12V bestcap？超級(jí)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(xiàn)約310mV的由于ESR的電壓波動(dòng)，即使如此，還是可以得到很低的紋波電壓。

由此可見(jiàn)，一只90mF/12V bestcap超級(jí)電容器的濾波效果相當(dāng)于一只56000μF電解電容器。同時(shí)由上述的參數(shù)可知，超級(jí)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(yīng)用中超級(jí)電容器將具有很大的性能優(yōu)勢(shì)、價(jià)格優(yōu)勢(shì)和體積優(yōu)勢(shì)。


圖4 一只90mF/12V bestcap超級(jí)電容器的濾波效果

通過(guò)上述兩個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比可知，bestcap超級(jí)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(yōu)勢(shì)。同時(shí)bestcap？超級(jí)電容器具有額定電壓高、ESR低、阻抗頻率特性好的特點(diǎn)，在今后的研究中，可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步了解。