第30卷第5期2009长春工业大学学报(自然科学版)JournalofChangehunUniversityofTeehonology(NaturalScieneeEdition)Vo!.30No.5Oet.200910月倍压整流电路电容参数的优化设计林志琦,郎永辉,王岩,杨东华30112)(长春工业大学电气与电子工程学院,吉林长春摘要:对两种常用倍压整流电路参数进行了优化\"基于MULTISIM的倍压电路仿真结果表明,电容的功能和对输出的影响是不同的,可通过降低某一特定电容值来达到节约成本的目的\"关健词:倍压整流;倍压电容;仿真;高电压;小电流中圈分类号:TM461文献标识码:A文章编号:1674一137452009)05一0551一05OPtimizeddesignofvoltagedoublingreetifiersLINZhi一qi,LANGYong一hui,WANGYan,YANGDong一hua(SehoolofEleetrieandEleerronieEngineering,ChangehunUniversityofTeehnology,Changehun130012,China)Abstraet:Theparametersoftwodifferentvoltagedoublingreetifiersareoptimized.BasedontheMULTISIMofthevoltagedoublingreetifiers,thesimulationresultsshowthatboththefunetionofdifferenteapaeitaneesandinflueneestotheoutPutaredifferent,50theeaPaeitaneevalueinflueneingtheoutPutmayberedueedtomeettheneedofeuttingeost.Keywords:voltagedoublingloweurrent.reetifier;voltagedoublingeapaeitor;simulation;highvoltage;0引言整流电路[l一8\"倍压整流电路由电压源!变压器!电容和整流二极管组成1-2\"下面以六倍压为例介绍两种常用的倍压整流电路工作原理及其参数的选择\"倍压整流电路的实质是电荷泵\"最初由于核技术发展需要更高的电压来模拟人工核反应,于是在1932年由Coeeroft和Walton提出了高压倍压电路,通常称为C一W倍压整流电路\"在一些需用高电压!小电流的地方,常常使用倍压整流电路\"倍压整流可以把较低的交流电压用耐压较低的整流二极管和电容器/整0出一个较高的直流电压\"倍压整流电路一般按输出电压是1倍压整流电路1倍压整流电路1如图1所示\"1.1工作原理这是一个6倍压升压电路,输出的电压为负电压,在不考虑500kn负载的情况下,输出电压等于6倍变压器次级线圈电压峰值\"在输人电压输人电压的多少倍,分为二倍压!三倍压与多倍压收稿日期:2009一06一15作者摘介:林志琦(1964一),男.汉族,吉林农安人,长春工业大学副教授.博士,主要从事光电检测!无线光通信!嵌入式系统应用方向研究,E一mail:linzhiqi@mail.eeut.edu.en.552长春工业大学学报(自然科学版)第30卷的正半周,极性上正下负,Dl和D:导通,Cl被充电至峰值,后面电路暂不分析\"在输入电压的负半周,极性下正上负,Dl和D:截止,D3和D;导电压负半周,D,,DZ,D\",D4,D:,D6截止,D7,DS导通,C;被充电至2倍峰值电压\"经过几个周期后,电容被充满电,电路中不再有电流,此时,除通,C,电压叠加上负半周输人电压给C:充电,此时CZ被充电至2倍Cl电压\"接着在输入电压的Cl电压等于峰值电压外,其它电容器上的电压都等于2倍峰值电压\"所以,输出电压等于C:电压下一个正半周,Dl,D:,D3,D4截止,D\",D\"导通,此时,C,,C:和输人电压叠加在一起为C3充电,由于此时C;和输人电压极性相反,导致相互抵消,所以,C3充电后的电压等于C:电压\"在输人加上C!电压加上C\"电压,即等于负6倍峰值电压\"需要说明的是,上述分析是在输出端不考虑负载情况下的理想分析\"如果接有负载,根据负载大小,输出电压会有所不同困\"犷D:jl7一rD,刁l7)rDgZrDZ_10pFF日玉\"\"犷D\"性C44刁10pFF瓜\":rD!\"1C66月C,二二吸040渔.LL,-o:1.111.._10pF!0pFRI500kQ10pFF图l倍压整流电路1原理图由于高阶倍压整流电路带载能力很差,输出耐压为1O00V,而电源峰值已超过1O00V,故选用2个IN4007串联进行分压);负载选用500ko电阻,仿真分析如图2所示\"15010.0一卜很小的功率就会导致输出电压的大幅度下降\"设输出电流为I,每个电容的容量相同为C,交流电源频率为f,电路阶数为N(二倍压为一阶),则电压下降和输出电压纹波困分别为:vU一斗--一亏二九一:-一;一弓-,卜#一:-I(4N3+3N,+ZN)9q自1.>6fC(N+1)Nl进0.50.户种州卿/分,0一介一万-一/一!一_-一于一一匀一5乃输出电压纹波4fC一!0.0一15.0可见输出电压与电源频率!电容值和负载有关\"通过增加电源频率!增加电容值!增大负载(可使I变小)来达到减小电压下降,从而提高输出电压和减小纹波的目的\"然而,电源频率通常是固定的,负载也不易改变,只能通过改变电容值来保证得到稳定的输出电压\"但是,过大的电容图2电容参数仿真图由图中可见,进人稳态快,纹波小\"输出电压为6.285kV,输出电流为13.242mA\"把C,的值改为1拌F,其它值不变,仿真分析如图3所示\"必将增加电路的成本和体积\"1.2实验方法是否每个电容在倍压电路中都保持很高的值才能使输出稳定,对此用MULTISIM川软件进行了仿真分析\"电路参见图1,电压源选用220V,50Hz;变月奋匀!~们记记绪绪矛钊~沪/叼.户州,沪!沪口口卜~!尸~rL,J!沪.内沪沪二二公义石-二J:-0//{-一压器放大电压5倍,即1100V;电容值先统一选图3电容参数仿真图2用1\"尽F;整流二极管选用IN4007(因整流二极管的反向耐压应为电源峰值的1.5倍,IN4o07反向第5期林志琦,等:倍压整流电路电容参数的优化设计553由图中可见,进人稳态慢,纹波小\"稳态后输出电压为6.286kV,输出电流为13.242mA\">巧.010.0.05将C,改回10oF,CZ改成1oF,其它参数不变,仿真分析如图4所示\"巧.010.05.0名匀>!0一5.0逻0匀一5.0一10.0一15.0200.0400.0600.0I/ms800.01000.0图7电容参数仿真图6一10.0一150匕上0200.0400.0600.0f/ms800.01000.0由图中可见,进人稳态快,纹波小\"输出电压为5.892kV,输出电流为12.733mA\"将G改回10拼F,G改成1拌F,其它参数不变,仿真分析如图8所示\"15.010.0>0.5图4电容参数仿真图3由图中可见,纹波很大\"稳态后输出电压为5.3kV,输出电流为11.354mA\"逻0将CZ改回10拌F,C\"改成1拌F,其它参数不变,仿真分析如图5所示\"巧.010.0>匀一5.0一10.0一15.0一一.,400.0600.0I/ms800.0!000.0芝5#0图8电容参数仿真图70厂州一一一匀一5.0一!0.0一15.00200.0由图中可见,进人稳态快,纹波小\"输出电压为6.244kV,输出电流为13.196mA\"400.0600.0t/ms80001000.0由以上仿真分析可见,Cl对输出电压和电流基本没有影响,但会延长进人稳态的时间;C:对输出电压和电流的影响都很大,而且会产生很大的纹波;C3对输出电压和电流的影响很大;C;对图5电容参数仿真图4由图中可见纹波小\"稳态后输出电压为5.423kV,输出电流为11.823mA\"输出电压和电流的影响不算大,但会产生比较大的纹波;CS对输出电压和电流的影响不大;C6对将C3改回10拼F,C;改成1拌F,其它参数不变,仿真分析如图6所示\"15.010.0国>匀!输出电压和电流的影响很小\"如将对输出影响较小的电容采用较小的电容值,而对输出影响较大的电容采用较大的电容值,就可以在保证对输出没有太大影响的前提下节约成本,减小电路体积\"将图l中的C,,CS,C\"改成l拼F,其它值不变,仿真分析如图9所示\"5.00一5.0~脚咖耐耐拍勺切了切叭和阿阿~J切切助的抓八伟几阳叼协协一10.0~15.00200.04000t/ms6000800.01000.0!5.010.0名淤匀!5.00一5.0图6电容参数仿真图5由图中可见纹波大\"稳态后输出电压为5.899kV,输出电流为12.303mA\"将C;改回10拜F,cs改成1拼F,其它参数不变,仿真分析如图7所示\"一10.0一150400.0t/ms600.0800.01000.0电容参数仿真图8554长春工业大学学报(自然科学版)第30卷由图中可见,进人稳态比较慢,纹波比较小\"输出稳态电压为5.841kV,对输出影响不大,输出电流为12.733mA,对输出电流影响不大\"1.3实验结果小对输出影响不大的电容值来达到节约成本和缩小电路体积的目的\"2倍压整流电路25信克尔倍压整流电路)18一1\"}倍压整流电路2如图10所示\"由以上分析可知,在这种倍压电路中并不是每个电容都对输出有很大的影响,由此可通过减Cl.C,CS去10oF6D10pF!0/FD-sn.UDZC/:,rf,主\",D7军D;c4几10pFR-10pF500kQ图10倍压整流电路2原理图2.1实验原理与方法将电容改为100nF,仿真分析如图13所示\"5-巧015lhUn1b此电路对后级的电容耐压性要求较高,C\"不超过6倍的变压器输出电压\"为了优化倍压电路的参数,对图10用召>匀!MULTISIM进行了仿真分析\"首先,把所有的电容都选取10拌F,仿真分析如图11所示\"5-巧015一10.0一15.0斗一二一蕊一二习0200.0400.0以减).0t/ms800.01峨X洲).0召争匀!.0,0一10.0一15.0一少二20)(0400.0)0.0(68().0X!()0.0X图13电容参数仿真图11由图中可见,电容取100nF后,输出电压明显减小,对此进行了比较,见表l\"衰l不同电容输出,傲比较输出电流/mA13.16312.855I/ms输出电压(底部值)/kV6.3766.198图11电容参数仿真图9将电容改为1拌F,仿真分析如图12所示\"Ono八kq5-05UO51-#######.:##,,卜####一卜#,,100nF2.5835.968匀\\洲淤扮叶寸士宁0200.0400.0600.0800.010)0.0(是否每个电容如图1电路一样会对倍压电路产生不同的影响1.-2,从而可以减小某个电容的值而不影响电路的总体特性,因而对每个电容逐次取100nF,其它电容则取值l拌F,用MULTISIM进行仿真,结果见表2\"一>0.0一150t/ms图12电容参数仿真图10由表2可见,此种倍压电路的电容值对输出都有明显的影响,不能通过减小部分电容值来达到减小电路体积!节约成本的目的\"从图n和图12可以看出,两种电容值对输出影响不大,但纹波很大\"第5期林志琦,等:倍压整流电路电容参数的优化设计表2不同电容翰出参数比较输出电压/kVS,106555得出以下结论:电容/100nFCJ输出电流/mA10.344(l)倍压电路中电容的取值可以不同(见图1),可通过减小某些对输出影响不大的电容来达到节约成本!减小电路体积的目的\"(2)倍压电路中的电容也不是取得一样或越CZC34.9485.0229.68710.162GC:5.0965.0579.93210.202大越好(见图10),通过参数的组合,能达到更好的效果\"参考文献:G5.50311.976此电路有个致命的缺点:输出纹波太大,有时能达到上百伏,这对输出的稳定有很大影响\"对此进行了大量的实验,终于找出了一种既可以不影响输出电压和电流,不大量增加成本,又可明显减小输出纹波的参数关系\"通过仿真实验发现,CS对纹波有关键作用,=12殷蔚,陈波.Multisim软件在模拟电路中的仿真应用7J2.岳阳职业技术学院学报,2007,2(3):86一90.12]王亚君,谭大刚.脉宽调制矩形波下倍压整流压降和纹波计算[Jj.高电压技术,2006,32(l):69一70#738银志军,赵扬,孙大维,等.倍压整流电路的仿真与分析[J2.光电技术应用,2006,21(5):71一75#742李会杰,林志琦,任立生.工程图学课与思维训练1J2.长春工业大学学报:高教研究版,2002,23(3):52一53,经过对各电容参数比较分析,取c\"为1拌F,其它的电容取值为10拌F,可取得理想的输出\"仿真波形如图14所示\"=5]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[J2.高电压技术,2005,31(10):64-66-洲>匀!J一尸矛尹一76]0200.0400.0600.0t/ms刘新泉,朱明光.三柱式倍压整流在高压电源中的应用=J].沈阳师范学院学报:自然科学版,2003,2(l):28一30.800.01000.0[7]李蜀川,杨忠孝,成友才.倍压整流电路的计算1J2.)11北教育学院学报,2002,12(l):51一54.图14电容参数仿真图12由图中可见,输出纹波得到了明显的减小\"输出电压为6.512kV,输出电流为13.054mA\"2.2实验结果[8]钱进,文英.倍压整流及其应用[J].长江职工大学学报,2002,19(1):63一64.[98李东仓,杨[108郝波,霍磊,丁光泽.高压倍压整流电路无功补龙.多倍压整流电路的PSPICE分析偿对策[Jj.电工技术杂志,2002(10):33一34#与研究[J8.电力学报,1996,11(2):8一11.通过改变C:参数的值,使输出纹波得到了明显的减小,而输出电压和电流并没有随之降低\"3结语1118曲振江.静电电源设备中倍压整流电路的特性分析1Jj.电力电子技术,1994(3):33一35#通过对以上两种倍压电路的参数仿真分析可