倍壓整流電路的分析和仿真

閆 良，閆英敏，楊鳳彪

（軍械工程學院 車輛與電氣工程系，河北 石家莊 050003）

倍壓整流電路的分析和仿真

閆 良，閆英敏，楊鳳彪

（軍械工程學院 車輛與電氣工程系，河北 石家莊 050003）

倍壓整流電路廣泛應用于高壓電源中，其輸出脈動電壓幅值和壓降的大小影響著電源的性能。本文針對高壓電源的倍壓整流電路，推導了沃爾頓倍壓整流電路和改進的倍壓整流電路脈動電壓幅值和輸出壓降公式，并采用matlab進行建模與仿真，驗證了公式的正確性，與沃爾頓倍壓整流電路相比，改進的倍壓整流電路的脈動電壓幅值與輸出壓降大大減小。

沃爾頓倍壓整流電路；改進的倍壓整流電路；脈動電壓幅值；輸出壓降

倍壓整流電路是由二極管和電容器串并聯(lián)組成的，利用耐壓較低的二極管和電容，可以將電壓幅值較低的交流整流成高壓直流。其廣泛應用在高壓直流電源中，一方面可以減小變壓器的砸比，降低變壓器設計難度，另一方面電路結構簡單。倍壓整流電路[1]輸出壓降，即無負載時理論輸出電壓值與有負載時輸出最大電壓之差；脈動電壓幅值是有負載時輸出電壓最大值與最小值之差的一半。但目前廣泛應用的沃爾頓倍壓整流電路輸出電壓脈動電壓幅值和壓降較大，限制了直流高壓電源的發(fā)展[2-3]。

1 倍壓整流電路的分析

1.1 沃爾頓倍壓整流電路

沃爾頓倍壓整流電路的拓撲結構[4]如圖1所示，其工作過程為：當變壓器次級繞組電壓極性為上負下正時，二極管D1導通，將電容充電至電壓U，當U為上正下負時，二極管D1截止，D2導通，U和電容共同給C1充電，電容C1充電至2U，隨著變壓器次級繞組極性的變化，二極管依次導通，依次充電至，因此加到負載兩端的直流電壓為2nU。本拓撲結構的優(yōu)點是每個電容上的電壓不超過變壓器次級繞組峰值電壓的2倍。

圖1 沃爾頓倍壓整流電路

為分析方便，文中的電路參數(shù)皆如下設定：假定所有電容都為C，流經(jīng)負載的電流為I，交流電源的頻率為f。下面把圖1中電容在每周期內(nèi)充放電過程分為以下4個過程：1）在t0時間段內(nèi)，上柱電容經(jīng)二極管D2、D4…D2n向下柱電容和負載放電；2）在t1時間段內(nèi)，下柱電容向負載放電；3）在t2時間段內(nèi)，下柱電容經(jīng)二極管D3、D5…D2n-1向上柱電容和負載放電，由交流電源經(jīng)D1充電；4）在t3時間段內(nèi)，下柱電容向負載放電。充電時間t0和t2極短，沃爾頓倍壓電路輸出波形如圖2所示[5]。

圖2 沃爾頓倍壓整流電路輸出波形

在圖2中，下柱電容在t1+t2+t3時間段向負載及上柱電容輸出電荷，在t0時間段內(nèi)由上柱電容向其補充電荷，由電荷守恒定律知，二者相等。同理，上柱電容在tADB時間段內(nèi)失去的電荷等于由時間段內(nèi)下柱電容向其補充得到的電荷。

假設一個周期內(nèi)流經(jīng)負載的電荷為Q1，下柱電容向負載輸入的電荷為Q2，上柱電容向負載輸入的電荷為ΔQ，則Q1=Q2+ΔQ且。

在t1+t2+t3時間段內(nèi)，下柱電容向負載輸出電荷，每個電容都失去電荷Q2，在t0時間段內(nèi)，上柱電容向下柱電容補充其失去的電荷Q2，并向負載輸出電荷ΔQ，共失去電荷Q1。為了補充下柱電容失去的電荷，在t2時間段內(nèi)下柱電容（除電容Cn外）經(jīng)D1、D3…D2n-1向上柱電容補充電荷Q1，此時下柱電容（除電容Cn外）又都失去電荷Q1。為了補充下柱電容（除電容Cn外）的損失，在t0時間段內(nèi)上柱電容（除電容外）經(jīng)D2、D4…D2n-2向下柱電容（除電容Cn外）補充電荷Q1，此時上柱電容（除電容外）失去電荷Q1。為補充上柱電容（除電容外）失去的電荷，下柱電容（除電容Cn-1和Cn外）經(jīng)過D1、D3…D2n-3向上柱電容（除電容外）補充電荷Q1。以此類推下去，不難發(fā)現(xiàn)，圖1中每個電容在一個周期內(nèi)的電荷的收支情況是不一樣的，電容Cn在一個周期內(nèi)電荷收支為Q1，電容Cn-1在一個周期內(nèi)電荷收支為Q1+Q2。則電容Ck在充電時得到電荷（n-k）Q1+Q2，在放電時失去電荷（n-k）Q1+Q2，故電容Ck的脈動電壓為：

輸出電壓的總脈動電壓為電容C1、C2、…Cn上脈動電壓之和，則

則輸出電壓脈動電壓幅值為：

在t0時間段內(nèi)，電容向C1及負載傳輸電荷nQ1，故電容C1能充電至。在t2時間段內(nèi)電容C1向及負載傳輸電荷，電容能充電至2U-，以此類推，則電容Ck上的壓降為：

輸出電壓的壓降為電容C1、C2…Cn上壓降之和，則壓降ΔU為

1.2 改進的倍壓整流電路

高壓電源性能指標越高，要求輸出電壓脈動電壓和壓降越低，由公式（3）和（6）知，沃爾頓倍壓整流電路輸出波形的紋波電壓和電壓降都較大，并不適于精度高的電源設計中。為此，本文提出一種改進的倍壓整流電路[6-8]，其拓撲結構如圖3所示。

假定變壓器T的兩個次級繞組匝數(shù)相同，次級繞組交流電壓幅值都為U，并且同名端都在上端。其工作過程為：當變壓器次級繞組電壓極性為上負下正時，Da1、Db1導通，De1、Df1截止，次級繞組電壓給電容和充電至電壓。當變壓器次級繞組電壓極性為上正下負時，De1、Df1、Dc1、Dd1導通，Da1、Db1截止，次級繞組電壓U和Ca1、Cc1共同給電容Cb1充電，將其電壓升至2U，同時次級繞組電壓U將電容Cd1、Cf1充至電壓U，隨后二極管依次導通，將電容 Cb1、Cb1…Cbp充至電壓2U，極性為左負右正，并將電容Ce1、Ce2…Ceq充至電壓2U，極性為左正右負。

圖3 改進的倍壓整流電路

改進的倍壓整流電路是由對稱式沃爾頓倍壓電路演變來的，可以看做是對稱式沃爾頓相串聯(lián)起來的[9-11]。要分析改進倍壓整流電路的脈動電壓和壓降，須先分析對稱式沃爾頓倍壓電路，其拓撲結構如圖4所示。

圖4 對稱式沃爾頓倍壓整流電路

在圖4中，當變壓器次級繞組輸出電壓為上正下負時，上柱給中柱及負載放電，同時中柱給下柱放電，所以此時中柱上的電壓上升速度會明顯減小，輸出電壓的脈動會得到改善。對稱式沃爾頓倍壓電路中柱電容每半個周期就會被充電一次，而向負載放電不到半周期，該電路上柱給中柱充電時間僅僅是圖1電路中的一半。由于中柱充電時間很短，可以忽略上柱和下柱向負載放的電荷，而認為負載的電荷僅是由中柱供給的，設為Q1。

由上述的分析可知，上柱向中柱放電時，中柱電容脈動電壓為：

中柱要向下柱放電，中柱電容脈動電壓為（下式中負號表示脈動電壓變化為負）：

則由公式（7）和（8）知，中柱總的脈動電壓 δUΣ和脈動電壓δU幅值為：

在中柱被充電的時間段內(nèi)，中柱電容C1被充電至，中柱電容Ck被充電至，以此類推中柱電容被充電至。則中柱輸出電壓壓降ΔU為：

由公式（11）和（12）得，改進倍壓整流電路的脈動電壓幅值和電壓降分別如下：

2 兩種倍壓整流電路的仿真分析

2.1 仿真模型的搭建

在matlab中搭建沃爾頓4倍壓整流電路和改進的 4倍壓整流電路的仿真模型[12-15]，其模型分別如圖5和圖6所示。在圖5中的模型，選取交流電壓幅值為220 V，頻率為25 kHz，變壓器變比為220∶1 050，電容皆為 1 μF，負載為15 kΩ。在圖6模型中，變壓器變比為220∶1 050∶1 050，其余參數(shù)與圖5皆相同。

圖5 沃爾頓4倍壓整流電路仿真模型

圖6 改進4倍壓整流電路仿真模型

2.2 仿真結果分析

圖5與圖6電路輸出電壓波形分別如圖7和圖8所示。不難發(fā)現(xiàn)，沃爾頓4倍壓整流電路的脈動電壓值約為20 V，輸出電壓降約為80 V，而改進4倍壓整流電路脈動電壓值約為5 V，輸出電壓降約為18 V。沃爾頓倍壓4倍壓整流電路的脈動電壓幅值和電壓降值都遠遠大于改進4倍壓整流電路，通過改進拓撲結構可以減小脈動電壓和電壓降值。

圖7 沃爾頓4倍壓整流電路輸出電壓波形

圖8 改進的4倍壓整流電路輸出電壓波形

3 結 論

通過對沃爾頓倍壓電路和改進倍壓電路的脈動電壓幅值和輸出壓降的公式推導及仿真分析，得出以下結論。

1）脈動電壓幅值和輸出壓降值與電源頻率和整流電容值成反比，與負載電流大小成正比；

2）與沃爾頓倍壓整流電路相比，改進倍壓整流電路可以大大減小脈動電壓幅值和輸出壓降值。

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Analysis and simulation of voltage doubling rectifier circuit

YAN Liang，YAN Ying-min，YANG Feng-biao
（Department of Vehicle and Electrical Engineering，Ordnance Engineering College，Shijiazhuang 050003，China）

Voltage doubling rectifier circuit is widely used in high-voltage power supply，the output ripple and drop voltage of which effect performance of the power supply.This paper gives output ripple and drop voltage formula of Walton voltage doubling rectifier circuit and an improved voltage doubling rectifier circuit for voltage doubling rectifier circuit of high voltage power supply，and it is simulated to verify the formula by the use of matlab.Compared with Walton voltage doubling rectifier circuit，the output ripple and drop voltage of an improved voltage doubling rectifier circuit is greatly reduced.

Walton voltage doubling rectifier circuit；improved voltage doubler rectifier circuit；ripple voltage amplitude；drop voltage

TN710.9；TP337

：A

：1674-6236（2017）08-0119-05

2016-03-10稿件編號：201603131

閆 良（1992—），男，河南許昌人，碩士研究生。研究方向：高壓脈沖電源。