在橋式整流器上並聯電容如何提高性能?
作者 : Giovanni Di Maria
在橋式整流器上增加電容，可以降低高頻雜訊，並在冷開機期間保護二極體。本文將研究橋式整流器(也稱為Graetz電橋)中與四個二極體並聯連接的電容的用途和功能。
Graetz電橋上的電容負責減少由二極體活動引起的干擾，減輕可能影響電磁兼容性(EMC)法規合規性的電磁干擾。總歸來說，它們提高了二極體電橋的效率，並實現了低雜訊電源。
在橋式整流器上並聯添加電容如何提高性能
通常，電源包含一個電源變壓器，然後是傳統的橋式整流器，由四個以特定配置連接在一起的二極體組成(見圖1)。這些元件會產生電雜訊，使用電容後，電雜訊會大大衰減。電壓互感器作為非理想元件，存在漏感和寄生電容。
當橋式整流器的四個二極體不導通時，由於有反向電流流過它們，非理想元件會形成一個高頻振盪的諧振電路。換句話說，當二極體導通然後將其狀態切換到反向電流狀態時，它會繼續導通一小段時間，但緊接著再次處於反向電流狀態時，它幾乎立即停止導通。這種情況發生得相當快，並且會引起電感和寄生電容的諧振。
干擾取決於結點中斷反向流動的速度。這種振盪及其相關的高頻信號設法穿過整個電路，造成各種干擾。由於頻率高，這些干擾也設法散佈到環境中。緩解這種不便的方法之一就是使用與二極體並聯的電容。它們不會消除振盪，但可以將其減少一個重要的百分比。這是一種不常見的方法，因為傳統方案幾乎從未考慮過這種替代方法。圖1分別顯示了傳統方案(頂部)和使用與每個二極體並聯的電容的方案(底部)。
圖1：添加與二極體並聯的電容，對減少電源雜訊是非常有用的方法。
當交流電轉換為直流電時，使用四個二極體組成的電橋，一次有兩個二極體導通，另外兩個二極體阻塞。導通二極體和阻塞二極體之間的轉換不可避免地會產生非線性信號變化。低電容電容的存在有助於消除信號中的這種缺陷，同時減少振盪產生的雜訊。其結果是一個更乾淨的連續信號。
不完美的信號不僅是由二極體引起的，而且是由變壓器的電感開關引起的。在任何情況下，如圖2所示，這些電容都具有衰減(或降低頻率)由二極體產生的50Hz諧波的功能，否則會擴展到HF(高頻)頻率(甚至在MHz範圍內)。可以看出，電容的存在會在信號中產生一個小的時間延遲。通常，10nF的值是可以接受的，儘管幾百pF的值肯定也沒問題。
二極體的行為因製造商和相關批次而異，因此另一種解決方案是表徵和測試不同的二極體模型。從理論上講，雜訊和寄生信號應該由下一個穩壓器和大濾波電容來處理，可是諧波雖然功率不高但是在射頻中，會在到達穩壓器之前就分散於大氣中。
事實上，它們可能會對附近的射頻設備造成干擾。在理論模擬中，幾乎不可能檢測到這種差異，但在真實電路中，在優質的和頻譜分析儀的幫助下，用戶可以掌握這種差異。並聯電容成功地大大降低了由二極體反向恢復引起的寄生振盪。
干擾(即使是輕微干擾)可能會以非常窄的電流尖峰形式出現，實際上會產生一個諧振電路，其中包含二極體的寄生電容以及元件端子和電氣連接的寄生電感。正確的設計需要精心選擇電子元件以避免電磁干擾問題。
為了衰減干擾，有必要計算出諧振頻率並仔細選擇元件，以便濾波器在該頻率下將信號衰減一定數量的分貝。通常情況下，電阻為100Ω，電容的值也要相應計算。對於使用二極體整流50Hz或60Hz電壓的電路，解決方案非常簡單。
圖2：使用電容後的反向電流衰減情形。 (紅線是添加電容後)
結論
二極體雜訊不僅存在於橋式整流器中，而且存在於所有受振盪和信號切換影響的電路中。有時插入小電感與二極體串聯也可能有用。請記住，雜訊與流過負載的電流成正比，因此非常強的負載對應於更大的干擾。
另一種解決方案可能是採用速度極快的整流二極體。然而，如果選擇使用慢速二極體，預計會出現高頻殘留也是很正常的，甚至超過300kHz。使用快速二極體會產生相當乾淨的信號，理論上無需使用任何額外的緩衝電路或其他電解電容。
連接到二極體的電容還用於保護它們免受過電流的影響。當設備在一天中第一次冷開機時，濾波器的電容會放電。在這種情況下，該元件類似於短路，實際上，它將電源的輸出置於短路狀態。在運行的最初時刻，大電流流過橋式二極體，具有潛在的損壞危險。使用電容可以避免這種危險，尤其是在使用陶瓷型號時。最後，建議使用至少能承受400V電壓的電容，甚至更好的是650V。
本文刊登於EDN China網站
(參考原文：Tutorial: Adding Capacitors in parallel on a Graetz bridge rectifier，By Giovanni Di Maria)
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