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指南:在Graetz桥式整流器上并联添加电容器

2023-04-21 14:11:09 Giovanni Di Maria 阅读:
在Graetz桥式整流器上增加电容器可以降低高频噪声并在冷启动期间保护二极管。

本文将研究桥式整流器(也称为Graetz桥)中与四个二极管并联连接的电容器的用途和功能。它们负责减少由二极管活动引起的干扰,减轻可能影响EMC法规合规性的电磁干扰,总的来说,它们提高了二极管电桥的效率,并实现了低噪音电源。Ty7ednc

在桥式整流器上并联添加电容器如何提高性能

通常,电源包含一个电源变压器,然后是传统的桥式整流器,由四个以特定配置连接在一起的二极管组成(见图1)。这些元器件会产生电噪声,使用电容器后,电噪声会大大衰减。电压互感器作为非理想元件,存在漏感和寄生电容。当桥式整流器的四个二极管不导通时,由于有反向电流流过它们,“非理想”元件会形成一个高频振荡的谐振电路。换句话说,当二极管导通然后将其状态切换到反向电流状态时,它会继续导通一小段时间,但紧接着再次处于反向电流状态时,它几乎立即停止导通。这种情况发生得相当快,并且会引起电感和寄生电容的谐振。Ty7ednc

干扰取决于结点中断反向流动的速度。这种振荡及其相关的高频信号设法穿过整个电路,造成各种干扰。由于频率高,这些干扰也设法散布到环境中。缓解这种不便的方法之一就是使用与二极管并联的电容器。它们不会消除振荡,但可以将其减少一个重要的百分比。这是一种不常见的方法,因为传统方案几乎从未考虑过这种替代方法。图1分别显示了传统方案(顶部)和使用与每个二极管并联的电容器的方案(底部)。Ty7ednc

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图1:添加与二极管并联的电容器是降低电气噪声的非常有用的选择Ty7ednc

当交流电转换为直流电时,使用四个二极管组成的电桥,一次有两个二极管导通,另外两个二极管阻塞。导通二极管和阻塞二极管之间的转换不可避免地会产生非线性信号变化。低电容电容器的存在有助于消除信号中的这种缺陷,同时减少振荡产生的噪声。其结果是一个更干净的连续信号。Ty7ednc

不完美的信号不仅是由二极管引起的,而且是由变压器的电感开关引起的。在任何情况下,如图2所示,这些电容器都具有衰减(或降低频率)由二极管产生的50Hz谐波的功能,否则会扩展到HF(高频)频率(甚至在MHz范围内)。可以看出,电容器的存在会在信号中产生一个小的时间延迟。通常,10nF的值是可以接受的,尽管几百pF的值肯定也没问题。Ty7ednc

二极管的行为因制造商和相关批次而异,因此另一种解决方案是表征和测试不同的二极管模型。从理论上讲,噪声和寄生信号应该由下一个稳压器和大滤波电容器来处理,可是谐波虽然功率不高但是在射频中,会在到达稳压器之前就分散于大气中。事实上,它们可能会对附近的射频设备造成干扰。在理论仿真中,几乎不可能检测到这种差异,但在真实电路中,在优质的示波器和频谱分析仪的帮助下,用户可以掌握这种差异。并联电容器成功地大大降低了由二极管反向恢复引起的寄生振荡。干扰(即使是轻微干扰)可能会以非常窄的电流尖峰形式出现,实际上会产生一个谐振电路,其中包含二极管的寄生电容以及元件端子和电气连接的寄生电感。正确的设计需要精心选择电子元件以避免电磁干扰问题。为了衰减干扰,有必要计算出谐振频率并仔细选择元件,以便滤波器在该频率下将信号衰减一定数量的分贝。通常情况下,电阻为100Ω,电容的值也要相应计算。对于使用二极管整流50Hz或60Hz电压的电路,解决方案非常简单。Ty7ednc

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图2:使用电容对反向电流的衰减(红色曲线为添加电容后)Ty7ednc

结论

二极管噪声不仅存在于桥式整流器中,而且存在于所有受振荡和信号切换影响的电路中。有时插入一个与每个二极管串联的小电感也可能有用。请记住,噪声与流过负载的电流成正比,因此非常强的负载对应于更大的干扰。另一种解决方案可能是采用速度极快的整流二极管。然而,如果选择使用慢速二极管,预计会出现高频残留也是很正常的,甚至超过300kHz。使用快速二极管会产生相当干净的信号,理论上无需使用任何额外的缓冲网络或其他电解电容器。Ty7ednc

连接到二极管的电容器还用于保护它们免受过电流的影响。当设备在一天中第一次冷启动时,滤波器的电容器会放电。在这种情况下,该元件类似于短路,实际上,它将电源的输出置于短路状态。在运行的最初时刻,大电流流过桥式二极管,具有潜在的损坏危险。使用电容器可以避免这种危险,尤其是在使用陶瓷型号时。最后,建议使用至少能承受400V电压的电容器,甚至更好的是650V。Ty7ednc

(原文刊登于EDN姊妹网站Power Electronics News,参考链接:Tutorial: Adding Capacitors in parallel on a Graetz bridge rectifier,由Ricardo Xie编译。)Ty7ednc

责编:Ricardo
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