220V直接整流的滤波电容器的选择

　　前言

　　交流市电直接整流是带有开关电源的电气电子装置获得电源的最简单的方法，由于这种方案在电路上简单实用，大大的简化了电源电路，同时也降低了电源电路的成本，随之而来的问题就是需要正确选择整流电路拓扑、整流器件和滤波电容器。单相电容输入式滤波电路简单，成本低的优点而得到普遍的应用，由于单相整流电路需要滤除比较高幅值的纹波电压，因此需要滤波电容器的电容量很大，为了获得如此大的电容量同时又要尽可能的减小电容器的体积和成本，铝电解电容器成为单相整流滤波电容器的"唯一"选择。因此，有必要分析铝电解电容器的特性，以正确选择滤波电容器的参数。

　　1．铝电解电容器的特性

　　1.1 高压铝电解电容器的应用电压与寿命的关系

　　在交流市电直接整流的应用中需要400V~450V的高压铝电解电容器。

　　EPCOS额定电压为450V、105℃、3000小时寿命的B43697电子镇流器用铝电解电容器在不同的电压与温度条件下的器寿命的关系如表1：

表1 EPCOS的B43697铝电解电容器在不同的电压与温度条件下的寿命的关系

　　表中：U

、I、I、I，105分别为铝电解电容器的额定电压、额定纹波电流、最大纹波电流、105℃的额定纹波电流。

　　从表1可以清楚地看到，在常温条件下，额定电压和降额使用的寿命小时数相同，而在额定温度和额定纹波电流条件下，工作电压降额到额定电压的93%时的寿命为额定电压时的近三倍。

　　很显然，在高温下铝电解电容器的寿命受工作电压影响很大，其根本原因是随着温度的上升漏电流大幅度的上升，从常温到85℃漏电流几乎上升一个数量级。而铝电解电容器的寿命取决于漏电流的大小。

　　图1为CDE的450V/4700μF/85℃铝电解电容器的漏电流与环境温度的关系。

图1  CDE的450V/4700μF/85℃铝电解电容器的漏电流与环境温度的关系

　　从图1可以看到在额定电压条件下的漏电流约为90%额定电压条件下的漏电流的5倍甚至更高。

　　1.2 纹波电流、温度对寿命的影响

　　影响铝电解电容器寿命的第二个决定因素是流过铝电解电容器的纹波电流，随着纹波电流的增加铝电解电容器的寿命缩短，而且允许的最高工作温度减少。图2为EPCOS的B43697铝电解电容器的纹波电流与寿命的关系。

图2  EPCOS的B43697铝电解电容器的纹波电流与寿命的关系

　　2．滤波电容器额定电压的选择

　　综上所述，在选择高压铝电解电容器的参数时工作电压需要降额使用，一般需要降额90~93%。

　　对于工频电网注解整流电路的滤波电容器，在输入电压220V±20%或输入电压85V~265V（110V－20%~220V＋20%）时的最高整流输出电压可以达到370V。因此应选择额定电压为400V的电解电容器或选择两只额定电压为200V（也可以是250V）的电解电容器串联使用。需要注意的是，尽管电解电容器的额定电压有10%左右富裕量，在上述应用场合下，从产品的安全角度和使用寿命角度考虑是不允许使用额定电压为300V或350V的电解电容器。其原因是：高压铝电解电容器的漏电流在额定电压下与降额使用时会相差近10倍，寿命也会出现很大的差异。

　　对于带有功率因数校正的整流滤波电路，当功率因数校正电路输出电压为380V时可以选择额定电压400V电解电容器，而功率因数校正电路输出电压高于380V时则只能选择额定电压为450V的电解电容器。

　　3．滤波电容器电容量的选择

　　滤波电容器，为限制整流滤波输出电压纹波，正确选择电容量是非常重要的。通常滤波电容器的电容量在输入电压220V±20%时按输出功率选择为：不低于每瓦1μF（即：≥1μF/W），输入电压85V~265V（110V－20%~220V＋20%）输入时按输出功率选择为：不低于每瓦（3~4）μF（即：≥（3~4）μF/W）。滤波电容器电容量的取值依据为：在220V±20%交流输入及85V~265V交流输入的最低值时，整流输出电压最低值分别不低于200V和90V，在同一输入电压下的整流滤波输出电压分别约为：240V和115V，电压差分别为：40V和25V。每半个电源周波（10mS），整流器导电时间约2mS，其余8mS为滤波电容器放电时间，承担向负载提供全部电流，即：

　　（1）

　　220V±20%交流输入时：

　（2）

　　（3）

　　（4）

　　（5）

　　即：1μF/W

　　85V~265V交流输入时：

　　（6）

　　（7）

　　（8）

　　（9）

　　即：3.6μF/W

　　每半个电源周波（10mS），整流器导电时间约3mS，其余7mS为滤波电容器放电时间，承担向负载提供全部电流，则：滤波电容器容量为：0.88μF/W和3.15μF/W。

　　以上是从滤波后的纹波电压角度考虑如何选择，如果从电解电容器的额定电流和寿命考虑则需要清楚滤波电解电容器所能承受的纹波电流和预计电容器的寿命。

　　4．一般铝电解电容器可以承受的纹波电流和可能出现的实际纹波电流

　　铝电解电容器可以承受的纹波电流如表2和表3。

表2 国产CD110型铝电解电容器的纹波电流

表3某型号国产插脚式铝电解电容的纹波电流

　　对于220V整流电容输入式滤波电路，对应的输出功率与输入电流间的关系为：

　　（10）

　　通常，在没有功率因数校正是整流器的功率因数约为0.6，考虑整机效率0.8，在最低输入电压（220V-20%，即176V整流输出约为200V）时的输出功率与输入电流间的关系为：

　　（11）

　　这时对应的整流输出电流平均值与输出功率的关系为：

　　（12）

　　其输出有效值大约是输出电流平均值近两倍。由表4.1可以看到仅有额定电压为400V的引线式CD110型铝电解电容器的额定纹波电流在10W以下可以满足1μF/W的应用条件，其他容量、规格的电解电容器则需要（2~3）μF/W才能满足，因此，在耗电功率为150W的电视机中通常选用105℃、470μf/400V的电解电容器。更大功率的则需要（4~5）μF/W。如果不想选择大的电容量又想获得大的额定纹波电流，可以选用多只电解电容器并联的方案，如一只100μF/400V电解电容器的额定纹波电流大约为0.53A，两支并联可以达到1.06A，相当于单只330μF/400V的额定纹波电流。

　　如输入电压为全电压范围（AC85~264V适用于全世界各国的市电电压等级）时，对应的输出功率与输入电流间的关系为：

　（13）

　　当选择3μF/W时，仅有额定电压为400V的引线式CD110型铝电解电容器的额定纹波电流在10W以下可以满足3μF/W的应用条件，其他容量、规格的电解电容器则需要（5~7）μF/W才能满足。

　　当然也可以选用不大于电解电容器3.5倍额定纹波电流的应用条件，以尽可能减小电解电容器的容量，所付出的代价是电解电容器的寿命明显缩短，对于适应寿命短的电子装置（如实际工作寿命短于一年）可以参用这样的选择方式。

　　如果整流器与滤波电容器之间接一个滤波电感。电感可以起到平滑电流的作用，可以降低流过滤波电容器的纹波电流，当滤波电感趋于无穷大时，流过滤波电容器的纹波电流为零。所以在整流器与滤波电容器间接入容量适当的电感，不仅可以明显减小流过滤波电容器的纹波电流改善滤波电容器的使用状态，还有利于提高功率因数。