所有 AC-DC 轉(zhuǎn)換器，無(wú)論是線性電源還是具有某種開(kāi)關(guān)元件，都需要一種機(jī)制來(lái)獲取交流側(cè)的變化功率并在直流側(cè)產(chǎn)生恒定功率。通常，大濾波電容器用于在交流功率高于直流負(fù)載所需時(shí)吸收和存儲(chǔ)能量，并在交流功率低于所需時(shí)向負(fù)載提供能量。圖 1 是表示交流線路頻率為 \[\omega\] 的通用 AC-DC 轉(zhuǎn)換器的功率輸入和功率輸出的框圖。無(wú)論轉(zhuǎn)換器模塊內(nèi)部的具體情況如何，所有轉(zhuǎn)換器都將具有變化的輸入功率并需要恒定的輸出功率。

AC-DC 轉(zhuǎn)換器框圖以及輸入和輸出功率圖

圖 1. AC-DC 轉(zhuǎn)換器框圖以及功率輸入和功率輸出圖

（注：該圖假設(shè)交流側(cè)的功率因數(shù)為 1，因此轉(zhuǎn)換器需要包括功率因數(shù)校正。在本文末尾，您可以看到交流功率的方程是如何推導(dǎo)的）

交流側(cè)輸入功率為\[p_{ac}(t)=P_{o} + P_{o}cos(2 omega t)\]，直流側(cè)輸出功率為\[P_{o }\]。紋波功率部分（\[ P_{o}cos(2 \omega t)\] - 也在圖中突出顯示）需要通過(guò)轉(zhuǎn)換器中的濾波器消除。實(shí)現(xiàn)該濾波器的常見(jiàn)方法是在輸出端放置一個(gè)大電容器，如圖 2 所示。該解決方案既簡(jiǎn)單又具有成本效益，但正如我們將看到的，濾波電容器存儲(chǔ)的能量遠(yuǎn)多于實(shí)際所需的能量。過(guò)濾過(guò)程。

圖 2. 輸出端帶有濾波電容器的 AC-DC 轉(zhuǎn)換器

輸出濾波器的大?。此璧碾娙荩┯上到y(tǒng)必須處理多少功率（\[P_{o}\]）、交流電壓的頻率（\[\omega\]弧度每秒）、輸出電壓（\[V_{o}\]）和允許的峰峰值電壓紋波（\[V_{r}\]）。將所有這些因素與電容相關(guān)的具體方程為：

\[C_{filt} = \frac{P_{o}}{\omega V_{o} V_{r}}\]

線路頻率為 60 Hz、390V 時(shí)輸出功率為 700W、紋波為 8V 的示例系統(tǒng)需要 595uF 的電容。如果您要測(cè)量該系統(tǒng)的輸出電壓，它會(huì)看起來(lái)像這樣（請(qǐng)注意，為了說(shuō)明目的，該圖中的紋波被夸大了）：

（AC-DC 轉(zhuǎn)換器的）390V 輸出電壓示例，包括較大的峰峰值電壓紋波。

圖 3. 具有紋波電壓的輸出電壓示例

當(dāng)提供的交流功率超過(guò)所需的直流功率時(shí)，電容器通過(guò)從交流電源吸收能量來(lái)完成其工作，并在提供的交流功率小于所需的直流功率時(shí)將能量返回到直流負(fù)載。問(wèn)題是電容器中存儲(chǔ)的大部分能量沒(méi)有被使用。只有少量的功率流會(huì)產(chǎn)生實(shí)際上由電容器處理的電壓紋波。不過(guò)，所有未使用的存儲(chǔ)能量必須位于電容器中，以使電容器的電壓達(dá)到輸出所需的電壓。這有點(diǎn)像一桶 10,000 升的水，龍頭放置在距離頂部幾厘米的地方：桶必須接近滿才能將水排出，并且只能在水位低于水位時(shí)才能將水排出。龍頭，那么你必須再次填充它。水龍頭下方的所有水都無(wú)法使用。在濾波電容器中，所有存儲(chǔ)的能量（除了電壓紋波期間吸收和釋放的少量能量）同樣無(wú)法使用，因?yàn)槟枰M可能保持輸出電壓恒定。

如果您可以設(shè)計(jì)一個(gè)電路，可以控制電容器的電源紋波，以匹配轉(zhuǎn)換器交流側(cè)的電源紋波，并允許電壓根據(jù)需要擺動(dòng)，那么您將擁有一個(gè)有效的濾波器，可以顯著降低雙線頻率紋波。該電路的部分是電容器不必存儲(chǔ)任何額外的能量就可以工作。這種電容器的電壓、電流和功率信號(hào)如下所示：

電容器的電壓、電流和功率波形。

圖 4. 假設(shè)濾波器電路的電壓、電流和功率波形

這種電路的設(shè)計(jì)是可能的。創(chuàng)建此類電路的一種方法是添加與交流輸入和直流輸出分開(kāi)的電源處理或紋波端口。該紋波端口需要存儲(chǔ)組件（即電容器）和控制系統(tǒng)來(lái)控制端口的電源。如圖 4 所示，當(dāng)交流電源過(guò)高時(shí)，端口需要存儲(chǔ)能量；而當(dāng)交流電源過(guò)低時(shí)，則需要釋放能量。紋波端口的框圖如下圖 5 所示。由于紋波端口與兩者都是分開(kāi)的輸入和輸出端口，兩個(gè)端口都不對(duì)紋波端口的電壓施加任何限制。正如您將看到的，通過(guò)允許電容器的峰值電壓非常高，您可以將電容減小到任意低的值。

圖 5. AC-DC 轉(zhuǎn)換器中的紋波端口

學(xué)術(shù)文獻(xiàn)中已經(jīng)研究和描述了幾種不同的紋波端口設(shè)計(jì)。此處討論的Krein 等人的設(shè)計(jì)是一種因其簡(jiǎn)單性以及因其而在現(xiàn)實(shí)世界市場(chǎng)中顯示出的潛力而脫穎而出的設(shè)計(jì)。

設(shè)計(jì)的總體思路是我們希望所有紋波功率 (\[P_{o}cos(2\omega t)\]) 來(lái)回流向紋波端口電容器。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，我們需要紋波功率方程來(lái)匹配電容器的功率方程。正弦交流電路中電容器的功率方程為

\[P_{c}(t)=v_{c}(t)i_{c}(t) = [ V_{c} cos(\omega t + \theta)] \times C\frac{dv_{c} {dt}\]

需要注意的是，\[\theta\] 表示系統(tǒng)交流側(cè)電壓與紋波端口電容器電壓之間的相移?？梢允褂靡恍┪⒎e分和三角函數(shù)將上面的方程簡(jiǎn)化為

\[P_{c}(t) = -\omega CV_{c}^{2} \times sin(2\omega t+2\theta )\]

由于我們希望所有紋波功率都進(jìn)入電容器，因此我們可以將電容器功率方程設(shè)置為等于紋波功率方程：

\[P_{o}cos(2\omega t) = \frac{-\omega CV_{c}^{2}}{2} \times sin(2\omega t+2\theta )\]

為了使該方程的兩側(cè)相等，幅度必須相同并且相移必須相同。

首先，讓我們檢查一下上式的幅度部分；因?yàn)樗鼈儽仨毾嗟?，所以我們得到?/p>

\[P_{o}= \frac{\omega CV_{c}^{2}}{2}\]

在此等式中您可以控制的兩個(gè)元素是電容器和電容器的峰值電壓 (\[V_{c}\])。讓我們回到之前看到的 700W、390V 示例，概述如何確定紋波端口的峰值電壓和電容。首先，您需要確定紋波端口的峰值電壓。理論上，您可以選擇任何您想要的電壓，電壓越高，電容可能越低，但出于安全原因，您可能希望選擇小于或等于輸出電壓的電壓。在這種情況下，我們將為紋波端口選擇 300V，該電壓比輸出電壓稍低，但足夠高，我們應(yīng)該可以很好地減少電容。接下來(lái)，您將計(jì)算過(guò)濾 700W 紋波功率所需的電容。

\[C=\frac{2P_{o}}{\omega V_{c}^2}\]

將 \[P_{o} = 700W\]、\[\omega=2\pi \times 60\] 和 \[V_{c}=300V\] 代入上述方程，得到 41uF。與原始設(shè)計(jì)中的電容器相比，這種新電容減少了 14.5 倍。如果我們使用\[V_{c}=390V\]，電容甚至可以進(jìn)一步減小到25uF。

我們還沒(méi)有完成，我們已經(jīng)確定了要使用的峰值電壓和電容。接下來(lái)，我們需要確定電容器電壓與交流輸入電壓相比的相移。要確定所需的相位差，請(qǐng)檢查功率方程的相移部分，并將方程的電源紋波側(cè)的相移設(shè)置為等于方程的電容器功率側(cè)的相移：

\[-sin(2 \omega t + 2 \theta) = cos(2 \omega t)\]

通過(guò)一些簡(jiǎn)單的三角函數(shù)，這個(gè)方程可以解出\[\theta\]：

\[=cos(2 \omega t + 2 \theta + \frac{\pi}{2}) = cos(2 \omega t)\]

\[2 \omega t + 2 \theta + \frac{\pi}{2} = 2 \omega t\]

，如果求解 \[\theta\]，它又是交流電源電壓與紋波端口電壓之間的相位差，則可以得到

\[\theta = -\frac{\pi}{4}\]

將幅度部分和相移部分放在一起，重要的是，如果將紋波端口的電壓控制為

\[v_{c}(t)= \sqrt{\frac{2P_{o}}{\omega C}} sin(\omega t - \frac{\pi}{4})\]

那么紋波端口將吸收系統(tǒng)中的雙線頻率紋波功率。

在我們的示例 700W、390V 系統(tǒng)中，這意味著我們需要將紋波端口的電壓（功率）控制為：

\[v_{c}(t)=300sin(\omega t - \frac{\pi}{4})\]

考慮到替代方案是簡(jiǎn)單地添加一個(gè)大電解電容器，這似乎需要大量工作。問(wèn)題是電解電容器的預(yù)期壽命較短。通常，它們的預(yù)期壽命比電子系統(tǒng)中的任何其他組件都短，因此在需要數(shù)十年或更長(zhǎng)預(yù)期壽命的系統(tǒng)中，電解電容器不是一個(gè)好的解決方案。薄膜電容器的壽命更長(zhǎng)，但不幸的是，對(duì)于相同的電容，它比電解要貴得多。例如，快速搜索在線電子元件目錄顯示，一個(gè)600uF、600V的電解電容器大約為20美元，而相同額定值的薄膜電容器大約為200美元。使用這種紋波端口的系統(tǒng)將能夠經(jīng)濟(jì)有效地使用薄膜電容器而不是電解電容器，因?yàn)殡娙菀髸?huì)大大降低。當(dāng)然，在使用這種系統(tǒng)之前，必須將紋波端口控制系統(tǒng)的成本與僅使用大（且昂貴）薄膜電容器的成本進(jìn)行比較。

要注意的是，當(dāng)您需要從直流電源生成交流電壓時(shí)，可以將同類系統(tǒng)用于逆變器。對(duì)于內(nèi)置微型逆變器的光伏板來(lái)說(shuō)，電解電容器的可靠性問(wèn)題確實(shí)成為一個(gè)問(wèn)題，因?yàn)檫@些微型逆變器必須保修20-25年。該時(shí)間跨度比電解電容器在任何條件下的預(yù)期壽命都長(zhǎng)得多。