丘东元;刘玉飞;张波
【摘 要】在电力电子变换器中,滤波电容可以抑制电压脉动,消除谐波,其参数大小对变换器的性能有着重要影响。本文首先分析滤波电容器的特性,得出影响电容器滤波效果的各个因素,然后介绍了几种常用的滤波电容器参数设计方法,最后通过一个全桥变换器进行了仿真验证,有助于学生更好地掌握滤波电容器的参数设计。%In the power electronic converters, the main function of filter capacitor is to restrain voltage ripple and reduce the harmonics. The capacitance of filter capacitor has a significant impact to the converter performance. This paper firstly analyzes the characteristics of filter capacitor, and obtains the various factors which affected the effect of the filter. Then some design methods of filter capacitor are introduced and verified by simulation results of a full-bridge converter, which is helpful for the students to understand how to design the filter capacitors. 【期刊名称】《电气电子教学学报》
【年(卷),期】2012(034)003
微孔抛光镜面加工【总页数】4页(P57-60)
【关键词】电力电子变换器;电容;滤波
【作 者】丘东元;刘玉飞;张波
【作者单位】华南理工大学电力学院,广东广州510640;华南理工大学电力学院,广东广州510640;华南理工大学电力学院,广东广州510640
【正文语种】中 文
【中图分类】TM46;G642
在电力电子变换器中，滤波电容的大小直接影响了电力电子变换器的工作特性，电容的类型则在一定程度上决定了电力电子变换器的寿命[1]。然而，常用的“电力电子技术”课程的教材很少涉及滤波电容的参数计算。而设计手册和相关文献往往只给出计算滤波电容的经验公式，不仅缺乏相关公式的应用场合说明，而且公式中的附加系数取值常常不统一，给学生带来困惑[2-6]。
为此，本文结合工程实践经验，分析了滤波电容分布参数对滤波效果的影响，阐明滤波电容的选择原则;讨论了对几种常用的滤波电容计算方法;最后给出了实例计算和仿真验证。这可帮助学生全面掌握“电力电子技术”课程的电力电子变换器中滤波电容的选择和计算方法。
1 滤波电容的分布参数
1.1 等效串联电感
实际电容器C因其存在寄生参数，其等效串联电路中存在等效串联电阻RES和等效串联电感LES，等效容抗可表示为
由此可得电容器阻抗—频率特性，如图1所示。于是有电容器的固有谐振频率可见，当电容器工作频率f低于f0时，电容器的总阻抗ZC与工作频率f成反比，呈现电容特性;当f大于f0时，ZC随着f的增加而增大，呈现电感特性[1]。
图1 电容器阻抗—频率特性
常规通信逆变电源的工作频率均为50kHz左右，要求f0≥100kHz。在实际应用中，应尽量选择等效串联电感值LES较小的滤波电容，以确保电源的工作频率远低于滤波电容的固有谐振频率f0，以提高电容器对电源谐波的滤除效果。
1.2 等效串联电阻
电容器的温升主要是由纹波电流流过其等效串联电阻RES引起的。当电容器的工作温度大于其额定温度时，RES会随着温度升高而增大，而RES的增大又会导致电容器发热更加严重，进一步促进电容器温度的升高。由阿雷尼厄斯法则知，电容器的工作温度每超过额定工作温度10oC，其寿命将下降一半。因此，在实际应用中，应尽量选择RES较小的滤波电容，以减少电容器发热。
温泉浴片另外，在工作频率比较高的场合，通常认为RES占电容器总阻抗的2/3。也就是说，RES越小，意味着电容电压纹波越小。因此，选用RES小的滤波电容还有利于改善电容器高频滤波效果，提高输出电压质量[7]。
2 滤波电容的计算方法
2.1 根据负载阻值计算
如果滤波电容直接与负载电阻并联，我们可以根据负载阻值的大小决定滤波电容的取值。以单相桥式不控整流电路为例，其输出电压波形如图2。
图2 单相不控整流电路输出电压波形
由于电容器C的充电时间与整流电路的内阻大小相关，电容器的放电时间与负载电阻R的大小相关。而整流电路内阻相对负载电阻很小，因此电容器充电时间tr相对较短。忽略电容器充电时间后可得
式中，Umax和Umin分别为滤波电容电压的最大值和最小值，fC为电源电压的纹波频率。
设电容电压纹波百分比为
由式(4)可知，当整流电路的负载R一定时，滤波电容C的大小决定了电容电压纹波的大小。当电容电压纹波为10% ～20%时，可知
上式得到的滤波电容与文献[2]和[7]中的经验公式是一致的。
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2.2 根据电路输出功率计算
若滤波电容不直接与负载并联，且后级电路的输出负载不能确定时，根据负载阻值计算电容会遇到困难，这时可以根据输出功率进行计算。
以整流电路输出滤波电容的计算为例，电容器一个充放电周期内存储的能量为
式中，P0为整流电路的平均输出功率，fC为电源的纹波频率。其中单相全桥整流电路的fC=100Hz，三相全桥整流电路的fC=300Hz。
由式(6)可得
若采用电压纹波ΔUC百分比表示，则电容为
2.3 根据电网电压缺失时间计算
对于一些对供电可靠性要求较高的设备，如计算机电源等，要求在电网出现短时电压缺失时，电源能够继续保持可靠供电，此时可通过增加滤波电容的储能来实现。现以单相不控整流电路为例，当电网电压u2在t1时刻发生一个电源周期的缺失时，电容电压uc的波形如
图3所示，其中td为电容放电的时间。
图3 电网电压短时缺失示意图
为保证电源正常工作，滤波电容需提供的能量与电源输出功率P0之间的关系可表示为
故电容C的大小为
式中，Umax为滤波电容电压峰值;UCd为电源维持正常工作所需要的最低电压值;η为电源效率。
2.4 根据滤波电感电流纹波计算
对于LC滤波电路，可以按照滤波电感电流的纹波计算滤波电容值的大小。高频时纹波电压△UC可近似表示为[7]
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1-甲基环戊醇式中，△IL为滤波电感上的纹波电流值，一般设为电感平均电流的20%～30%。
在实际应用中，通常认为ωC占电容总阻抗的1/3，可得滤波电容的大小为
3 应用实例
为了更清楚地阐述电力电子变换器中滤波电容的计算方法，现以图4所示的全桥电路为例进行说明。其中滤波电容C1用于不控整流电路后的稳压滤波，C2用于整个电路的输出滤波。
图4 全桥电路拓扑结构图
假设该电路输入为交流220V/50Hz，额定输出为直流12V/40A，高频逆变部分的工作频率为50kHz，电路的工作效率为85%。要求直流输出电压纹波小于5%，逆变部分的输入电压至少需要200V，要求交流输入缺失一个电源周期时该电路仍能工作。
滤波电容C1可采用如下三种计算方法。
(1)根据负载阻值计算滤波电容
由于C1未与负载电阻直接并联，因此需要进行阻抗折合。已知变压器的匝比为15:1，电容电压的纹波频率fC为100Hz。根据题设得负载电阻值为12V/40A=0.3Ω，折合到变压器一次侧的负载阻值为152×0.3≈67.5Ω。由逆变部分输入电压最低为200V可知，电容 C1上纹波电压约为 ΔUC1%≈20%，由式(5)可得，C1=3/(100 ×67.5)≈444μF。
(2)根据电路输出功率计算滤波电容
由题设条件知，电容C1电压峰值220=331V，忽略不控整流电路的损耗，则不控整流电路的输出功率为P1=12×40/0.85=565W。同样考虑 ΔUC1为20%，可由式(8)得 C1≈210μF。
(3)根据电网电压缺失时间计算滤波电容
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