在小功率变换器中，为降低成本，采用交流输入桥式整流电容滤波。只有在电源电压大于电容电
压时整流管才导通，因此整流管电流波形如图3-11 脉冲电流，整流管导通时间与电容大小有关。假设
交流电网的输出电阻（包括整流器压降）为零，在导通期间电容上电压与输入电网电压完全相同，在
达到交流电压峰值时整流器电流为零。滤波输出提供变换器电源，即使在最低输入电压Uimin，保证额
定功率Po 输出。根据能量守恒定律，在半周期内输出能量Po/2f 等于电容从谷点电压Uv 充电到电网峰
值电压Up 存储的能量
1 (2 2)
2 2
o
p v
P C U U
f
= −
式中f－电网频率（Hz），中国和欧洲为50Hz，美国为60Hz。C－滤波电容量（F）。即
2 2 2 2 2
min ( ) (1 )
o o o
p v p i
C P P P
f U U fU k U
α
= = =
− −
(3-23)
式中k= Uv/Up－谷－峰比， min 2 p i U= U ，因为即使在最低频率时，变换器还要输出最大功率。
2
1
2f(1 k )
α =
−
(3-24)
不同的k 对应的α 如表3-13 所示。
电容的交流分量有效值可从以下关系得到。假定电流脉
冲为矩形波，电流脉冲在导通时间t 内给电容补充的电荷应当
等于电容电压从峰值Up 放电到最低电压Uv 失去的电荷量
( ) cp p v I t=CU −U
脉冲宽度
f
t k
2π
cos−1
= （3-25a）
电流占空比
2 cos 1
/ 2
D t ft k
T π
−
= = = (3-25b)
电流脉冲峰值
min
min
2 (1 ) i
cp i
I CU k CU
t
β
−
= = （3-26）
式中β = 2(1−k) t。
电容的交流电流有效值为
2 2
min min 2 (2 ) ac cp i i I =I tf− tf =CU β D−D =γCU （3-27）
式中γ =β D−D2 。
输出直流电压近似为
0.707(1 )
2
p v
o i i
U U
U kU δU
+
≈ = + =
式中δ = (1+k) / 2 。对于50Hz 和60Hz，以上式中α，β，γ 和δ 如表3-13 所示。
在小功率变换器中，在最低输入电压下也要保证输出功率，因此以最低输入电压选择电容量。但
是，选择了电容以后，最高输入电压下，电流脉冲幅值增加，宽度减少，电容电流有效值增加，因
此，要检查高压时电容电流的有效值。
在以上讨论中，忽略了交流电源的内阻和电容ESR 对输出电压波形的影响，忽略了输入电路中限
流电阻、保险丝和整流器压降，实际输出电压比计算值要低，尤其是当由变压器降压小功率整流电路
时，电源内阻，整流器压降不可不考虑。
Ui ~ C DC/DC
Up
UL
t Icp
图3-11 输入滤波电容选择
50
为了说明以上关系的应用，我们举例予以说明：输出功率为20W，变换器效率为85%，变换器由
220V±20%/50Hz 交流电源供电，经桥式整流，电容滤波，给DC/DC 变换器供电，变换器允许输入纹
波电压峰峰值为35V，选择输入滤波电容。
选择电容量
最小输入电压为220V×0.8=176V，变换器的输入功率为Pi=Po/η =20 / 0.85=23.5W。最低电
压峰值Upmin＝1.412×0.8×220=249V， ( 35) / (249 35) / 249 0.86 p p k=U − U = − = ， k=0.85 相近，
从表3-13 查得α＝0.036，根据式（3-21）得到
6
2 2
min
0.036 23.5 27 10
176
o
i
C P
U
α × −
= = = × F＝27μF
电容承受最高电压为Umax=1.2×220×1.414=373V，选择450V。选择30μF /450V。
如果负载是恒定输出功率的变换器，当最高输入电压时的电流有效值不会增大，仍可按表3-13 参
数计算。
从表3-13 看到α＝0.0360，取γ＝45.8，电容电流有效值为
6
min 45.8 30 10 176 0.242 ac i I =γCU = × × −× ≈ A
由表查的k=0.85 时δ＝1.31，直流输出电压为
1.31 176 230 o i U ≈δU= × = V
如果滤波电容后接断续模式反激变换器，开关频率50kHz，占空比Dmax＝0.3，初级电感为2mH，
初级峰值电流为0.69A，交流分量有效值为0.192A。交流分量为电容充放电电流，电容器总的交流电
流有效值为
2 2 0.2422 0.1922 0.31 AC ac sw I = I +I = + = A （3-28）
检查所选择的30μF/400V 铝电解电容交流纹波电流是否大于上式计算值。
温度是影响电解电容寿命的主要因素，最高温度降低10℃,寿命增加1 倍。有效值电流在ESR 损
耗导致电解电容温升，如果电容上限温度为105℃，寿命2000 小时，环境温度40℃，设计寿命5 年，
在最高平均温度要降低45℃才能达到这个要求，即允许最高平均温度60℃，电解电容的允许温升为
60℃-40℃=20℃，电解电容的对流系数为Dv＝0.93mW/℃/cm2，热导（热阻倒数）GT＝DvAs(cm2)＝
0.93As(mW/℃)，如果选定电容，外表面面积和ESR 就已知，由允许温升和热导就可以求得允许的电
容电流。
电解电容允许高频电流比低频大，即式(3-28)根号中第二项应除以一个大于1 的系数。如果不考虑
高频效应，计算是保守的。其次，随着温度升高，铝电解电容ESR 随温度升高而降低，即高温允许更
大的电流有效值，但应注意实际允许温升和温度应与ESR（电流有效值）相对应。如果设计保证寿命
最高允许温度为60℃，而使用的ESR 是85℃的值，而允许的电流有效值刚满足要求，但60℃时的
ESR 比85 时大，实际温度将超过60℃，寿命就可能达不到预期要求。
摘自《开关电源工程设计》2008 年5 月7 日                    

              赵修科