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大功率直流电源半桥隔直电容计算方法

工程师都知道实际的大功率直流电源半桥拓扑都有一个隔直电容,其实在原理拓扑中是没有这个电容的。

这个电容的存在一定是有它的道理的,该如何理解,又该如何计算它的容量?

大功率直流电源半桥隔直电容计算方法

图1

半桥基本工作原理

首先忽略小容量阻断电容Cb,则Np下端可近似地看作连接到C1和C2的连接点。若C1、C2的容量基本相等,则连接处的电压近似为整流输出电压的一半,约为168V。通常的做法是在C1、C2的两端各并接等值放电电阻来均衡两者的电压。图1中的开关Q1和Q2轮流导通半个周期。Q1导通Q2关断时,Np的同名端(有点端)电压为+168V,Q2承受电压为336V;同理,Q2导通Q1关断时,Q1承受电压为336V,此时Np同名端电压为-168V。

Cb的作用

从原理上讲Cb是可以不要的,但原理终归是原理是纯理想化的东西,但大功率直流电源电路设计工程师是工程师大功率直流电源电路设计工程师要设计产品一定要联系实际。原理成立的前提是C1和C2上的电压是完全相等的,但在实际的半桥电源中一定不会相等,为什么呢?比如C1和C2两个电容虽然选的是同一型号同一容量但总会存在误差,从而使C1、C2两端的电压不相等。大功率直流电源电路设计工程师假设C1两端的电压170V,C2两端的电压为166V,半桥拓扑上管下管的导通时间是相同的,根据伏秒平衡一个周期下来就会4V×D是多出来的复不了位打破了平衡(多出来的这4V也可以理解成直流分量),经过多个周期后磁芯就饱和了。

大功率直流电源电路设计工程师再来分析一下,还是C1为170V,C2为166V,如果有Cb的存在上管导通时,正向加在绕组两端的电压就会被Cb分掉一些(左负右正)不会达到170V,下管导通时,由于Cb上存在左负右正的少量电压,Cb的这个电压会叠加在C2的166V之上,一起加在绕组两端(方向跟上面的相反)绕组上的电压就会超过166V,从而调整了磁通不平衡,使系统收敛。

注意一下,电路系统中存在着其他很多不确定的因素,Cb电容不一定是左正右负,也有可能右正左负,无论是正向充电还是反向充电Cb电容都在不断的在做着维护平衡的工作。

上面的分析只有一个大概的思路,有很多地方不严谨还请谅解,有兴趣的朋友可以自己更进一步的精确分析。

隔直电容Cb是如何计算的?

大功率直流电源半桥隔直电容计算方法

图2

设允许的下降量为dV,产生该压降的等效平顶脉冲电流为Ipft,而流通该电流的时间为0.8T/2(假设),所需的阻断电容值可用下式得到

大功率直流电源半桥隔直电容计算方法

Ipft的计算很简单

设效率为80%,则

大功率直流电源半桥隔直电容计算方法

 大功率直流电源输入电压最低时,输入功率等于初级电压最小值与对应的初级电流平均的乘积。即 1.25Po=(Vdc/2)(Ipft)(0.8T/T)

大功率直流电源半桥隔直电容计算方法

其中Vdc(下方加一横)为最低输入直流电压。

实际举例计算隔直电容Cb的容量

一个功率为150W的半桥大功率直流电源,额定直流输入电压为320V,频率为100kHz,设有15%的网压波动,最小输入电压为272V,则初级电压应为±272/2= ±136V。

初级平顶脉冲电压的允许下降量约为10%,即约为14V,又已知功率为150W,Vdc=272V,Ipft=3.13×150/272=1.73A,

由公式

大功率直流电源半桥隔直电容计算方法

可得

大功率直流电源半桥隔直电容计算方法

另外值得注意的是,Cb电容一定要选择无极性电容。

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