倍压整流电路参数分析与设计

倍压整流电路参数分析与设计
陈翔;王丛岭;杨平;廖理
【摘要】对倍压整流电路的原理进行了简要的介绍,通过Protel DXP自带的混合信号仿真器验证了电路中各个参数对输出电压大小以及纹波的影响,同时还分析了电路中不同电容取值的改变对输出的影响,为倍压整流电路的参数选择提供理论依据,并实际搭建电路,测试波形,验证仿真结果.%The principles of voltage doubling rectifier circuit are introduced, through the simulation of Protel DXP, the impact of various parameters in the circuit to the size of the output voltage and ripple are verified, at the same time the impact of the different capacitances' value change to the output are analyzed, the conclusion will provide a theoretical basis for the parameter selection of the voltage doubling rectifier circuit, and build the actual circuit, test waveforms, verify the simulation results.
【期刊名称】《科学技术与工程》
【年(卷),期】2012(012)029
【总页数】4页(P7732-7735)
【关键词】倍压整流;Protel仿真;参数分析
【作者】陈翔;王丛岭;杨平;廖理
【作者单位】四川省成都市电子科技大学机械电子工程学院,成都611731;四川省成都市电子科技大学机械电子工程学院,成都611731;四川省成都市电子科技大学
机械电子工程学院,成都611731;四川省成都市电子科技大学机械电子工程学院,成
都611731
【正文语种】中文
【中图分类】TM461.5
近年来，在电路设计的一些高电压小电流的场合，常常使用倍压整流电路。

倍压整流电路可以把较低的交流电压通过耐压较低的整流二极管和电容振荡后产生一个较高的直流电压［1］，但是对其参数的选取往往依靠经验，这样就为电路的设计增加了难度。

通过对倍压整流电路进行计算机仿真分析各参数对整个倍压整流电路的具体影响，从而为电路设计提供参考依据
1 倍压整流电路原理
如今，常用的倍压电路基本结构主要有两种:科克罗夫特—沃尔顿对称式倍压整流
电路和信克尔对称式倍压整流电路。

下面以沃尔顿电路为例介绍倍压整流电路的原理。

如图1所示为沃尔顿四倍压整流电路。

该电路主要由电容和二极管组成，电路原理如下:在交流电压正半周时，D1导通，C1被充电至峰值V1=-V，由于D1两端电压相等，C2不充电，第一个正半周充
电完成;当负半周时，由于D1反向，因此D1不导通，电路通过正向的D2向C2
充电，C2两端电压为电源电压与C1两端电压串联之和，为V2=-2V。

第一个负
半周充电完成。

在第二个电压正半周时，D2反向截止，由于此时电源与C1电压
大小相等，方向相反，因此D1仍不导通，电路通过D3向C3充电，C3充电完成后电压为V3=V2=-2 V;当负半周时，由前面可知，此时电源电压与C1向D2充电，D2两端电压为-2 V，而D4由D3向其充电，充满后D3两端电压也为-2 V，此时便可得到输出端电压为D1与D3电压之和，为-4 V，以此类推，便可得到六
倍压甚至更高倍压整流电路的振荡充电原理。

沃尔顿倍压整流电路中每个电容所承受电压都不会超过电源电压峰值的两倍，这是该类型电路的一大优点，所以在高倍压的电路设计中得到了广泛的应用［2］。

图1 沃尔顿四倍压整流电路
如图2所示为信克尔四倍压整流电路，该类型电路升压原理与之前介绍的沃尔顿
电路原理基本相同，但是由于其电容是以并联的方式接入电路，因此当充电完成后，C4所承受电压为电压峰值的四倍，从而在电压较高的电路设计中该类型电路对电
容的耐压值便提出了很高的要求［3］。

但同时等效电容也增加，在电路设计中便可减小电容，缩小电路体积，加快了充电速度，因此在体积小，输出电压不太高的场合使用信克尔倍压整流电路。

图2 信克尔四倍压整流电路
2 电路仿真及分析
Protel DXP是主要用来设计电路图的工具，其中混合信号仿真器可实现电子电路
的仿真［4］，现采用该软件对沃尔顿倍压整流电路进行仿真。

2.1 二倍压整流电路仿真与参数分析
在DXP中搭建好电路后，选取交流电源幅值为1 000 V，频率为 50 Hz，两个电
容统一为1 μf，负载为2 MΩ电阻，将在此参数设置下得到的仿真结果作为参照，用来与参数改变后的结果进行比较。

图3为仿真电路，图4为仿真后的电压输出
波形。

图3 二倍压仿真电路
图4 二倍压仿真波形
从倍压整流电路中可以看出，在交流电源幅值不变的情况下，可改变的参数主要有交流电源的频率，电容的容值以及负载的大小［5］，首先将交流电源的频率改为20 Hz，其他参数不变，图5为此时的仿真波形;再将频率改回50 Hz，将两个电
容的容值都改为0.1 μf，图6是电容为0.1 μf时的仿真波形;最后将电容容值改回
1 μf，将负载改为500 K，得到了如图7中的仿真波形，从上述三图中可以看出不同的参数的改变对倍压整流电路的输出具有不同的影响，在表1中列出了具体的
仿真结果。

图5 20 Hz输入仿真波形
图6 0.1 μf电容仿真波形
图7 500 K负载仿真波形
由以上仿真分析可以看出:频率降低不仅使输出电压下降，也使输出电压稳态时的
峰峰值增加，输出不稳定，同时也延长了输出进入稳态的时间;电容容值的降低虽
然缩小了电路体积，也缩短了进入稳态的时间，但是很大幅度地降低了输出电压的幅值;负载的降低在增大了输出电流的同时也使输出电压有了小幅度的下降，增加
了输出电压的峰峰值，缩短了输出进入稳态的时间。

表1 二倍压各参数仿真对照结果仿真参照频率/(20 Hz)电容/(0.1 μf)负载/(500 K)输出电压/V 1 976 1 928 1 764 1 942输出电流/μA 984 964 882 3 800峰峰值Vpp/V 18 446 152 31稳态时间/ms 175 400 155 160
2.2 六倍压整流电路仿真与各电容参数分析
在现实的电路设计中，电源的频率与负载的大小往往是固定的，并不容易改变，而由上面的分析可知为了保证输出电压的大小，通常就只能增大电压的容值，但这样会在一定程度上延迟进入稳态的时间，并且在多倍压的整流电路中，所有电容容值的增加也会导致整个电路体积的增大，因此，在电路设计中可以有选择性地增加电容容值来调整输出［6］。

以下对六倍压整流电路进行仿真，通过依次改变电路中各个电容的容值来观察不同位置的电容对输出的影响。

在六倍压的整流电路中，参数的选取沿用之前仿真设置的参数，交流电源1 000 V，50 Hz，电容1 μf，负载2 MΩ电阻，如图8所示为仿真波形。

图8 六倍压整流电路仿真波形
将此波形作为参照。

然后依次改变电容容值为10 μf，其余电容保持为1 μf进行仿真，表2 为仿真具体结果。

从表2中可以看出，电容1的改变增大了输出电压，并且可以有效地抑制电路由于电容的增大从而导致稳态时间增加;电容2的改变可以有效地减小输出稳态时的峰峰值，对稳态时间的增加也有抑制作用;电容3的改变增大了输出电压，对稳态时的峰峰值影响不大;电容4、5、6的改变对输出电压的影响较小，但都会延长进入稳态时间，其中电容4可以减小输出稳态时的峰峰值。

按照以上得到的结果在电路设计中便可以根据不同的优化目的对电容参数取值。

表2 六倍压各参数仿真对照结果输出电压/V 峰峰值Vpp/V 稳态时间/s参照5 546 123 1.4电容1 5 720 131 1.3电容2 5 675 72 1.6电容3 5 606 140 2.5电容4 5 576 92 3电容5 5 560 130 4电容6 5 489 125 3.5
如果需要在尽可能快地进入稳态的情况下增大输出电压，可以只改变前三个电容的容值，图9和图10分别是全部电容改变为10 μf后的仿真波形与只改变前三个电容后的仿真波形。

从图中得出改变全部电容容值的仿真结果输出电压为5 945 V，进入稳态时间大约为1.1 s;而只改变三个电容容值的仿真结果为电压5 898 V，进入稳态所需时间大约0.7 s。

通过上述结果可知，尽管前一种电容取值多了50 V，但却需要多花0.5倍的时间才能进入稳态，因此，仅改变三个电容的容值便可达到优化目标。

图9 六电容容值改变的波形
图10 三电容容值改变的波形
3 结论
通过Protel的仿真分别对二倍压与六倍压整流电路进行建模与仿真，得出了以下结论。

1)在倍压整流电路设计中，通过增加交流电源频率，增大电容，增加负载可以有效地增大输出电压，也可以减小纹波的大小，但是电容的增加会延长电路进入稳态的时间，输出电流主要由负载的取值来决定，需根据设计中不同的要求来优化参数。

2)在电路设计中，当只能对电容容值进行改动时，并不需要保证各电容容值一样，可以有选择性地进行取值达到优化目的。

图11和图12分别是在全部电容改变为10 μf与只改变前三个电容的条件下实际搭建电路测试的波形，采用了电阻分压的方法来测量最后的输出电压。

图11 六电容容值改变的实测波形
从图中可以看出，经分压后在两种条件下测得的波形平均值分别是428V与412V，差距并不大，并且图12中的波形进入稳态的时间要快一些，再考虑到整个测试过程中存在的不可避免的误差，可以判断出在实际电路若只改变三个电容是可以达到优化目标的，同时，也验证了对倍压整流电路的分析是具有实际意义的。

图12 三电容容值改变的实测波形
参考文献
【相关文献】
1 银志军，赵扬，孙大维.倍压整流电路的仿真与分析.光电技术应用，2006;21(5):71—75
2 曲振江，马文娟.高压静电设备中倍压整流电路的工作状态分析.高电压技术，2005;31(10):64—
66
3 施荣贵.高压直流电压倍压器的设计与制作.云光技术，1990;(4):15—23
4 李秀霞，郑春厚，等.Protel DXP 2004电路设计与仿真教程.北京:北京航空航天大学出版社，2010:167—183
5 李蜀川，杨忠孝，成友才.倍压整流电路的计算.川北教育学院学报，2002;12(1):51—54
6 曲振江.静电电源设备中倍压整流电路的特性分析.电力电子技术，1994;(3):33—35。