PFC 电解电容的选型

为理想条件下获得袁 故可认为计算结果与实验数
据基本相符遥
3.2 一种电子镇流器的 PFC 电解电容选型
PFC 输出功率约 263 W袁输出电压 DC 400 V遥 要求产品寿命达到 50 000 h遥 工程上为了使产品达 到一定的使用寿命袁 必须要保证产品中所有器件
横院4 ms/div 纵院2 V/div 图 3 PFC 输出纹波
都达到这一寿命遥 本例采用 NIPPON CHEMI-CON
公司的电解电容遥 电解电容寿命 l 估算为
l=Lb伊f(T)伊f(I) 式中院Lb 为基本寿命曰
f(T)为环境温度加速因子曰
渊10冤
f(I)为纹波电流加速因子遥
3.2.1 环境温度加速因子f(T)
Tmax -Ta
f(T)=2 10
(Ta逸40益)
率下遥
姨蓸 蔀 蓸 蔀 2
2
I=
Ilf corrlf
+
Ihf corrhf
渊15冤
式中院Ilf 为低频电流曰
corrlf 为低频转换系数曰
Ihf 为高频电流曰
corrhf 为高频转换系数遥
表 2 给出了部分电容的频率转换系数遥
表 2 频率转换系数
频率 120 Hz 1 kHz 10 kHz 100 kHz
6.8~82(滋F) 1.0 1.75 2.25 2.50
100~330(滋F) 1.0 1.67 1.75 2.25
3.2.3 实验数据与计算
采用电解电容 KXG 100 滋F/450 V遥 测试得到
如下实验数据遥
Tc =84.5益 袁驻Tj0 =5益 袁琢 =1.2袁Ilf =435 mA袁Ihf = 1 260 mA袁corrlf=1袁corrhf=2.25袁Io =800 mA袁这样由 式渊11冤~式渊13冤得到院
满足
2
Io 2棕Co
<8 V
代 入 棕 =2仔f =100仔rad/s袁Io =1 400 W/400 V =
3.5 A袁得到
Co>1 393 滋F 取电解电容为 3 个 470 滋F/400 V 并联遥
图ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ3 为 PFC 输出电压纹波袁频率为 100 Hz袁峰
峰值约 8.2 V袁满足了设计要求遥 考虑到计算公式
绎 元器件与材料 要 要要 PFC 电解电容的选型 要要 要
PFC 的输出电压纹波有高频和低频成分遥 高 频纹波的主要成分为开关纹波袁 其幅值相对小于 低频纹波袁这里主要考虑低频纹波遥
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假设渊1冤院设 PF=1袁输入电压和输入电流为同 频率同相位的无畸变的正弦波袁即院
中图分类号院TM46 文献标识码院A 文章编号院0219-2713渊2006冤05-0046-04
0 引言
电力电子装置的输入级采用整流桥和大电解 电容滤波的结构袁 这样会使输入电流为短时的周 期性尖峰袁并对电网产生谐波和无功功率污染遥 为 了解决这一问题袁功率因数校正渊PFC冤技术得到发 展和广泛应用[1]遥 一般在整流桥后采用 DC/DC 拓 扑得到一个稳定的直流电压袁 同时使输入电流跟 踪输入电压波形袁使其 THD 很小袁功率因数接近 1遥 本文分析了 PFC 输出电解电容需要考虑的电 压纹波袁 并针对电路几种不同应用要求给出了相 应的选型方案遥
1 PFC 电解电容的选型要点
图1 为 Boost 拓扑的 PFC袁它的基本原理是从 整流桥取样正弦半波电压袁 从输出采样电压经过
收稿日期院2005-11-23
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补偿网络袁两者相乘作为输入电流的基准遥
图 1 Boost 拓扑的 PFC
PFC 输出电解电容有耐压值尧容量尧等效电阻 渊ESR冤等重要参数袁其中容量与电路原理有最直 接的关系袁它的选择是电路设计中最关心的问题遥 本文将重点讨论电解电容容量的选择遥 电解电容 容量与输出电压纹波尧电流纹波尧储能等几个参数 有关[2]袁下面分别讨论其关系遥 1.1 PFC 的输出纹波
设流过负载电阻R 上的电流为 Io袁 根据PF越1 的理想模型袁由式渊6冤计算输出低频纹波电压为
uo(t)=
-Io sin2棕t 2棕Co
渊7冤
由以上推导可知袁理想情况下袁单级 PFC 的输
出纹波电压不依赖于电路采用的拓扑形式[3][4]遥 在
输入功率因数等于 1 的情况下袁PFC 变换器输出
含有频率二倍于输入电压频率的低频纹波袁 其振
式中院Tmax 为最大工作温度曰
Ta 为实际环境温度遥
当 Ta 难以测量时袁可以通过下式计算
渊11冤
蓸 蔀2
Ta=Tc-
驻Tj0 琢
伊
I Io
渊12冤
式中院Tc 为电容的表面温度曰 驻Tj0 为当最大允许纹波电流流过电容时袁电 容的内部温升曰
琢 为内部温升和表面温升的比值袁表 1 列出
了 琢 与电容线径之间的关系曰
Selection of Electrolytic Capacitor of PFC
SONG Jia, CAO Feng-wen
(Department of Computer and Electrical, Suzhou Vocational College, Suzhou Jiangsu 215011, China)
I 为实际纹波电流曰
Io 为最大允许纹波电流遥
表 1 琢 的相关数据
线径
琢
5~8
1.0
10~12.5
1.1
16~18
1.2
20~22
1.3
25
1.4
30
1.5
35
1.6
3.2.2
纹波电流加速因子 f(I)
2
蓸 蔀 驻Tj0 f(I)=2 10-0.25伊驻Tj0
驻Tj0 伊
-
A
I Io
渊13冤
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ui(t)=Uinsin棕t
渊1冤
ii(t)=Iinsin棕t
渊2冤
式中院棕 为输入电压的角频率曰
Uin尧Iin 为输入电压和输入电流的振幅遥
假设渊2冤院输出电压直流分量 Uo 远远大于纹
波量袁即院
uo(t)=Uo+驻uo(t)
Uo>>驻uo(t)
渊3冤
假设渊3冤院电压参考信号 V ref 为一个无脉动的
棕t (t)
抑
Uin
Iin sin Uo
棕t
=Io-Iocos2棕t(t)=Io-io2(t)
渊6冤
式中院Io=
Uin Iin 2Uo
曰
io2(t)=Iocos2棕t遥 式渊6冤说明输出电流中含有直流分量和二次
谐波分量遥 根据式渊6冤建立输出低频纹波电压的等
效电路图如图 2 所示遥
图 2 输出低频纹波电压的等效电路图
3.1 一种精密电源的 PFC 电解电容选型
该电源 PFC 工作在电流连续模式下袁 要求输
出低频纹波峰峰值不超过 8.5 V遥 其中院
输入电压
220 V/50 Hz
输出功率
Po=1 400 W
输出直流电压 Uo=400 V
根据式渊7冤袁考虑设计裕量袁低频纹波峰峰值
不应超过 8 V遥
那么通过式渊7冤估算袁低频纹波分量峰峰值要
某些电源对电路纹波要求很严格袁 需要控制 在一定范围之内遥 如某些精密电源袁为了抑制最后 的输出低频纹波袁 必须将 PFC 的低频纹波降低遥 通常用式渊7冤估算遥
2.2 对寿命有要求的 PFC 电路
很多开关电源对 PFC 的纹波无特殊要求袁只 要满足一定时间的寿命遥 如电子镇流器袁这种情况 下 PFC 的电容不需要选择很大袁为了降低成本袁往 往在满足寿命的情况下选择小容量的电解电容遥
绎 元器件与材料 要 要要 PFC 电解电容的选型 要要 要
幅正比于变换器的输出电流袁 反比于输入电压频 率和输出平滑电容的大小袁 其初始相位与输入电 压的初始相位相差 180毅遥
1.2 储能
PFC 电解电容 Co 间接为后面串联电路提供 能量袁其存储能量为院
P=
1 2
CoUo2
渊8冤
存储能量越大袁 那么电路断电以后对后级电
Abstract: The ripple of PFC忆s output voltage is analyzed. The selection guideline of the electrolytic capacitor is given ac鄄 cording to different key targets such as voltage ripple, capacitor忆s life time and power supply hold-up time. Some prod鄄 ucts忆design examples with experiments illuminate the design progress. Keywords: ripple; life time; hold-up time
下面给出了 3 种设计实例袁 其中对于纹波和 掉电维持时间有要求的两个例子暂且没有考虑寿 命的计算遥
3 设计实例与验证
Boost拓扑成为目前 PFC 电路的主流拓扑遥 这 里以几种不同产品中基于 Boost 拓扑的 PFC 为例 给出了 PFC 电解电容的选型方法袁 并以实验波形 和数据验证了其正确性遥
Vol.9 No.5 May 2006
说袁首先考虑产品寿命的要求袁然后考虑满足纹波 和掉电维持时间的限制遥 电解电容的实际运行寿 命很难用理论推出准确结果袁 因为电参数可以比 较准确估算袁 但是温度参数与环境和散热条件等 因素关系密切遥 一般产品设计选择一种电解电容 后袁 需要测量最恶劣使用条件下的温度等数据才 能比较准确地推算出对应的实际使用寿命遥 如果 不能达到寿命指标袁再考虑更换遥
路持续供电时间越长遥
2 PFC 电解电容的选型原则
PFC 输出电解电容 Co 容量的选择与 PFC 应 用的不同场合有关遥 一般有下面 3 种应用遥
渊1冤要求输出纹波很小的精密电源; 渊2冤长寿命的开关电源; 渊3冤要求掉电维持时间(hold-up time)较长的 开关电源遥
2.1 要求纹波很小的 PFC 电路
第 9 卷第 5 期 2006 年 5 月
POWER SUPPLY TECHNOLOGIES AND APPLICATIONS
Vol.9 No.5 May 2006
PFC 电解电容的选型
宋 佳袁 曹丰文
渊苏州职业大学计算机电子系袁 江苏 苏州 215011冤
摘 要院分析了电力电子装置中功率因数校正电路输出纹波产生的原因袁并给出了理论计算遥 根据 电路的不同用途袁分别从纹波尧寿命尧掉电维持时间等方面给出了电解电容的选型方法袁并用产品 实例作了详细说明遥 关键词院纹波曰 寿命曰 掉电维持时间
当 驻Tj0<20 时袁
蓸 蔀2
A =10-0.25伊驻Tj0伊
I Io
渊14冤
当 驻Tj0>20 时袁A =5 当纹波电流流过电容时袁电容发热与 ESR渊等
效串联电阻冤有关遥 ESR 又同频率有关遥 额定纹波
电流 Io 在某频率正弦纹波电流有效值中被规定袁 其他频率下纹波电流要用频率系数来等效到该频
f(T)=5.19袁 f(I)=1.1
又因为
Lb=10 000 h 则通过式渊10冤解出 l院
l=57.97 kh
因此可使用
57970 24伊365
抑6.6
(年)
3.3 一种掉电维持时间有具体要求的 PFC 电解 电容的选择
某种 PFC 输出 400 V袁输出功率 75 W袁要求掉 电后 PFC 输出从 400V 跌落到 300V 时间为150 ms 那么根据式渊9冤得到
直流电压遥
假设渊4冤院电路内部无损耗袁且电路工作在不
连续或者临界连续导电模式袁 则有输入功率和输
出功率相等袁即院
pin(t)=po(t)
渊4冤
由上面假设得
ui(t)ii(t)=uo(t)io(t)
渊5冤
将式渊1冤和式渊2冤代入式渊5冤得
2
2
io(t)=
p in uo
(t) (t)
=
Uin Iin sin Uo +驻uo
实际设计时袁往往不能单纯考虑一种要求遥 如
纹波的大小也会影响到电解电容的寿命遥 一般来
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第 9 卷第 5 期 2006 年 5 月
POWER SUPPLY TECHNOLOGIES AND APPLICATIONS
2.3 要求掉电维持时间较长
许多开关电源袁 由于设计要求掉电后要持续
工作一段时间袁 电解电容的选型就要从储能的角
度考虑遥 Co 的大小可根据式渊9冤选择遥
Co=
2Po thole
U -U 2 o_min
op_min
2
渊9冤
式中院Uo_min 为 PFC 最小输出电压值曰 Uop_min 为掉电后负载仍能正常工作所允许的 最低电压遥