整流电路（共10篇）
整流电路 篇1
什么是整流?
整流就是将双向的交流电转换成单向的直流电。
二极管的作用很多，整流是最重要的作用之一。二极管最主要的特性是单向导电，所以整流这项工作自然可以由二极管来承担。
几乎所有的电子电路都需要由直流电源来提供能量才能正常工作，而目前工业民用电网提供的主要是220V的正弦交流电压，因此，大多数电子设备仪器、家用电器的内部都需要专门设置一套能够把交流电压转换为稳定直流电压的电路，这就是“直流稳压电源”。直流稳压电源要完成的首要任务就是整流。
常用的整流电路有两种形式：半波整流和桥式整流。
一、半波整流
如果将一个二极管D和一个负载电阻R接成如图1 (a)的形式，在1、2端输入的交流电压，波形如图1 (b)，那么在输出端3、4得到的电压则如图1 (c)所示，只留下了交流电压的上半周。这是因为二极管只允许正向电流通过，反向时二极管是截止的。显然，输入双向电压，输出是单向电压，这就是整流。我们称它是半波整流，它只利用了半个波形的能量。
经过整流后得到的虽然是单向的直流电压，但如图1 (c)所示，它是不平稳的，是脉动的。这时，若用电压表测量没有滤波的输出直流电压U34, 测出的值是直流脉动电压的平均值，普通直流电压表测量的都是平均值, 在数值上等于输入交流电压有效值U12的45%，即
(注意，U12是交流电压有效值，不是最大值。)
脉动的直流电压是不能直接提供给电路使用的，需要将脉动的直流电压变得比较平滑稳定后才能使用。这项工作叫“滤波”，由“滤波器”来完成。
最常用、最简单的滤波器就是一个容量较大的电容器，将它并接于负载上，如图2 (a) 所示。我们发现，加入电容C后，输出电压变得平稳了，输出电压的波形不再如图1 (C)那样脉动，而是如图2 (b)那样，基本平稳、稍有波动。
为什么接入电容后波形就会有这么大变化呢?这是因为电容器有储存电能的本领。电容器容量越大，可以储存的电能越多。向电容器“充电”(即存入电能)时，电容两端的电压会升高。充电进行得快(即充电电流大)，端电压升高得也快。若电容器“放电”(即向外释放电能)，电容两端电压会下降。如果放电比较慢(即放电电流比较小)，端电压下降也很慢。从图2 (a)可以看出，在输入电压上升时，二极管导通，正向电流对电容充电。因为二极管的正向电阻很小，所以充电电流很大，充电过程进行得很快，电容端电压很快就跟着输入电压达到最大值;当输入电压开始下降时，二极管因处于反偏状态而截止，电容器通过负载电阻R放电。因为电容的容量很大，而且负载电阻也比较大，所以放电过程进行得比较慢，电容端电压下降也很慢。放电过程一直延续到输入电压再次上升致使二极管达到正偏状态，电容又重新被充电。如此反复，就出现了如图2 (b)所示的输出电压波形。显然，它已经变得比较平滑，但还有波动。只要电容器的容量足够大，这时再用电压表测量输出直流电压值，在数值上大约可以等于输入交流电压的有效值，即
UO=Ui (Ui是输入交流电压的有效值)
可以推想：如果不接负载电阻R，那么，电容在被充电之后没有放电的回路，只会上升不会下降，它的端电压将停留在充电的最大值，输出电压就等于输入交流电压的峰值，即U O=2 U i，波形如图3所示。当然，这种只充电不放电的状态只是特例，不是正常工作状态。
二、桥式整流
半波整流的效率是很低的，因为只利用了半个周期的能量。为了提高利用率就出现了目前应用最多的另一种整流电路——桥式整流电路，它能把上下两半周的能量都利用起来。其电路形式如图4所示。图4 (a)、图4 (b) 两种电路只是画法不同，电路完全一样。
桥式整流电路的整流过程是这样的：当输入正弦电压上半周时，二极管D1、D4导通，D2、D3截止，电流顺序通过1、3、R、4、2形成回路;见图5 (a)当输入正弦电压下半周时，二极管D2、D3导通，D1、D4截止，电流顺序流过2、3、R、4、1形成回路。见图5 (b) 虽然输入交流电压的极性发生变化，但对负载电阻R来说，电流方向总是相同的，都是由上向下。所以输出电压的波形如图5 (c)所示。
因为它将上下半周的能量都利用起来，所以它属于“全波整流”。
这时用电压表测量整流后未经滤波的直流电压U34=0.9U12，显然比半波整流输出要高一倍。
如果在桥式整流的基础上再加入电容滤波电路，则输出信号就如图6所示。显然，输出直流电压要更高一些，也更加平稳了。只要电容器的容量足够大，在接入负载的状态下测量输出直流电压可以达到输入交流电压有效值的1.2倍左右，即
在对电压稳定性要求不高的场合，如收音机, 音频功率放大器，普通充电器等，这样的输出电压已基本上可以使用。
三、电路实例分析
现在让我们来分析这样一个电路实例：
有如图7的整流滤波电路，如果元件完好，电路工作正常，那么输出直流电压UO=?这时通过每个整流二极管的电流值多大?担任滤波的电容器容量应该取多大值?在工作过程中，若有一个二极管突然开路，会出现什么现象?
【分析】
首先要确认这一电路的形式。显然这是桥式整流加电容滤波电路。所以, 在滤波电容容量足够大时, 图7电路的输出电压为:
此时的输出电流，即流过负载R的电流是：
这600mA电流是由四个担任整流的二极管分成2路提供的，参考图5 (a)、图5 (b)所以每一路提供300mA，因此通过每个整流二极管的平均电流应该是300mA。这个计算值是我们选用整流二极管时必须掌握的一个重要数据。显然，为了保证整流二极管能够长时间正常工作，所选用的二极管，其“最大整流电流”值应该比这个值要更大一些。
对承担滤波任务的电容器C的容量要求，前面多次提到必须“足够大”，那么这里的“足够大”究竟是多大?在工程上可以这样来估算：
式中的T是指对电容器的充电周期。我国民用交流电频率是50Hz，周期是0.02s。那么，对半波整流电路，T=0.02s;对桥式整流电路，T=0.01秒。式中的R是指负载电阻。根据这一要求可以估算：
所以我们可以取或的电容器实现滤波。
如果在工作过程中有一个二极管突然开路，不论是哪一个二极管，其结果都是使桥式整流变成了半波整流，那么输出的直流电压值将会下降，由UO=1.2Ui下降为UO=Ui，所以输出直流电压由18V降到15V。
如果您想自己设计制作一个简单实用的直流电源，可以参考图7。现假设您需要的输出电压是要求输出电流不小于, 那么以下参数要求可以供您设计时参考。
电源变压器输出电压值U2=UO/1.2
耐压值应大于0.5IO
整流二极管参数要求:最大整流电流大于0.5IO
反向工作电压大于1.5IO
整流电路 篇2
我在给12级汽修班讲解整流滤波电路时，发现同学们不太理解工作原理。刚开始是这样讲的：
1． 简单介绍二极管的单向导电性，然后画出桥式整流电路的原理图。如下图所示：
2． 讲解整流电路的作用：把交流电转变成直流电。接着讲交流电的特点：电流（或电压）大小和方向随时间不断变化。
3． 讲交流转变成直流的过程。为了简化讨论，先不考虑电压的大小，只考虑方向，那么可以将交流电分成正负两个半周：正半周（下正下负）和负半周（下正上负）。
3.1 先讨论正半周（上正下负），此时会产生一个下图中红色线条所示电流。
负载电流方向：从上到下；电压方向：上正下负。
3.2 再讨论负半周，即下正上负。此时会产生下图中绿色线条所示的电流。
负载电流方向：从上到下；电压方向：上正下负。
3.3 整流电路小结：不管是正半周（上正下负）还是负半周（下正上负），负载电流都是从上往下，电压方向都是上正下负。即：输入的是交流电，负载得到的却是直流电。完成了从交流到直流的转变。
3.4 接下来讨论大小。我们知道二极管的管压降是0.7V。也就是说，二极管只在要导通，其管压降（两端电压）一直是0.7V，跟电流大小没有关系。也就是说，只要在输入电压的基础上减去两只二极管的管压降就是输出电压。于是就可以根据输入电压波形画出输出电压波形。波形如下：
3.5 整流电路结论：综合以上分析，我们可以得出，当AB端输入正弦交流电（Ui所示）时，OX上就会得到脉动的直流输出电压（Uo所示）。电压（电流）的方向不变（从上到下），大小在变（脉动直流）。单相桥式整流电路的工作原理，如果用一句话来总结，那就是：两两成对，交替导通。
4． 接下来讲滤波电路。
4.1 滤波电路的作用：把输出电压变得更加平滑。因为整流之后的输出电压波动很大，很多设备不能使用。
4.2 滤波电路的分类：电容滤波、电感滤波、组合滤波。工程中，用得最多的是电容滤波。因为电容滤波电路简单，成本低，效果好；不好的是给整流二极管带来很大的冲击电流，还会产生高次谐波，对电网有较大影响。电感滤波体积大、成本高（需要用铜或铝做成线圈），多用于大电流场合。组合滤波多用于要求较高的场合。电感滤波之后，往往会加一个电容，电感和电容就组成了组合滤波电路，当然还有电阻与电容组合而成的滤波电路。
4.3 画出电容滤波电路：
4.4 电容滤波工作原理：一种是教材上的解释，电容可以把直流隔断，又可以让交流通过（隔直通交）。整流之后的脉动直流既有直流成分，又有交流成分。电容的作用就是保留直流成分，把交流成分滤掉（交流通过电容返回电源）。这样一来，就只剩直流了。另一种解释是，电容是储能元件。当输入电压高时，输入不光给负载供电，还给电容充电，这时电容上储存有相当的电能，当输入电压由高转低，电容就给负载放电。当输入电压又升高后，又给电容充电。如此周而复始，在负载上就得到了比原来高且平滑的电压。工作原理示意图如下：
4.5 经过滤波后的波形如下图所示：
上述波形中，弯曲的部分是输入给电容充电（当然此时输入还给负载供电），直线部分是电容给负载放电。波形的平滑程度取决于R与C的乘积。R与C的乘积越大，波形就越平滑；R与C的乘积越小，波谷就越深。
5． 总结：经过上面的讲述，同学们对整流有一定的认识，但是理解不透彻；对滤波就是稍微有点概念，对工作原理理解不了。
反思：面对同学们的困惑，我向同一教研组的其他老师请教，他们也想不出好的讲解方法来。我又到网上搜索相关的教案、视频、动画等资料，发现大同小异，跟我讲的大体相当。
1． 后来我想起同学们在听整流时，对为什么会产生图中折线电流表示不理解。于是我在下一个班讲解为什么会出现折线所示电流时换成另外一种讲法。
2． 按电流方向往下走。电流从正极A出发。
这时有两个方向，流过哪些只二极管呢？流过D4不可能（电流方向与二极管方向相反），只能从D1流过。
这时也有两个方向，可从D2流过不可能（电流方向与二极管方向相反），只能经X流过电阻R1。
这时又有两个方向，从D3流过还从D4过呢？把各点电压标上去，就一目了然。假设某一时刻AB间的电压为12V。令B点电压为0V，则A点电压为12V。因为二极管的管压降是0.7V，所以D1的阴极电压是11.3V，D3的阳极电压是0.7V。电流是不能从低电压低的地方流向电压高的地方，所以只能从D3流过。同理，电流到达D3阴极后，也不能经D2流过，只能回到电源负极B。电流流向如下图所示：
从图中可以看出，D2和D4反向截止，没有导通。我们干脆把D2和D4从图中擦掉，得到下图。
再把图中二极管移动一下位置，得到下图。
同理，当交流电下正上负时，可以得到如下图所示电流：
再做一下变形，即可得到。
经过如此讲述，同学们对于折线所示电流有了较为清晰的认识。3． 接下来说说对滤波电路讲解所做的改变。
同学们对于滤波本身没有太多的认识，因此我举一个关于水电站例子说明滤波的作用。
这是一座水电站示意图。水库的上游有很多条河流，把水流到水库储存起来。大坝下游装有发电机。上游河流的水流是不稳定的，时大时小。造成水流不稳定的因素有很多，比如季节变化、天气原因、农田灌溉、蓄洪泄洪等。而大坝下游的发电机却要求供水非常稳定，要不然发出的电时高时低，用起来很不方便。把上游河流的水流比如成整流之后输出的电流是恰当的：方向不变，大小时刻在变。而供给发电机的水流却要求非常稳定，就好比滤波之后的电压。解决这个问题的办法，就是在中间建一个水库。当上游戏河流水流大的时候，上游河流的水不光给发电机供水，还把多余的水储存在水库里，当上游河流水流较小的时候，水库就放出一部分水供给发电机，保证供给发电机的水流稳定。此处水库的作用就相当于整流滤波电路中的电容：当输入电压较高时，输入电压不光给负载供电，还把多余的电能储存在电容里，当输入电压由高降低后，电容就把储存在其中的电能释放出来，这样就保证负载上得到了平滑的电压。水电站中，水库越大，调节能越强；整流滤波电路中，电容越大，输出越平滑。
经过这样讲述，同学们对整流滤波电路理解深刻多了。
整流电路 篇3
摘要：
在电力能效监控管理系统中，提出了基于小波包的特征提取和BP（back propagation）神经网络相结合的方法，对三相整流电路中故障晶闸管位置进行诊断和识别.根据整流电路原理，对22种故障情况分别进行编码.建立三相整流电路故障模型，采用小波包分解的方法，对直流端输出电压的采样数据进行特征提取，构建特征向量，作为BP神经网络的训练样本，将对应故障的编码作为网络输出，用简化的训练好的神经网络即可以实现整流电路的故障位置识别.仿真结果证明，采用小波包特征提取，作为神经网络训练样本，既可以简化神经网络训练结构，又可以准确实现故障定位识别.研究具有很大的工程实践意义.
关键词：
电力能效测评； 小波包； 特征向量； 神经网络； 整流电路； 故障识别
中图分类号： TM 92文献标志码： A
Abstract：
In the power energy efficiency management system，the feature extraction based on wavelet packet combining with back propagation（BP） neural network was proposed and applied to thyristor fault diagnosis and identification in the threephase rectifier circuit.According to the principles of rectifier circuit，22 kinds of fault were encoded respectively.The fault model of threephase rectifier circuit was set up.Using the wavelet packet decomposition method，feature extraction of the DC output voltage was conducted to construct the feature vectors，which was saved as training samples of BP neural network.The corresponding fault codes were used as the network output.This simplified trained neural network could recognize the fault position of the rectifier circuit.The simulation results showed that the wavelet packet feature extraction，used as the neural network training sample，not only simplified the structure of neural network training，but also located the fault thyristor accurately.It indicated the engineering significance.
Keywords：
electric energy efficiency evaluation； wavelet packet； feature vector； neural network； rectifier circuit； fault identification
三相整流电路广泛应用于电气设备中.晶闸管本身损坏以及触发脉冲一场导致的不导通和误导通都会使该晶闸管所在的整流电路发生故障以至于整流电压畸变.因此，对电力电子电路实现在线实时监测和故障诊断显得很有必要.在对故障诊断快速性和准确性要求越来越高的同时，人们也不断寻找如何对三相全控整流电路中故障晶闸管快速、准确地定位，应用先进的算法实现智能故障诊断也越来越受到重视.
传统的检测方法有电压电流检测法、傅里叶分析法、频谱分析与神经网络相结合、粗糙集与神经网络等.近年来，基于神经网络的故障诊断越来越成为研究的热点.文献[1]将故障波形的采样数据作为神经网络训练样本，将训练好的神经网络用于整流电路的故障诊断.文献[2]将直流母线电压的采样值作为人工神经网络的输入进行故障诊断.直接将采样数据作为神经网络的输入时，采样数据过多会造成训练网络庞大，训练过程缓慢，采样数据过少则样本特征不明显，导致结果偏差.采用BP（back propagation）神经网络算法进行故障识别的理论相对比较成熟，但是在工程实现上面临很大的困难.文献[3]中仅实现了晶闸管故障类别的诊断.
本文提出采用小波包特征提取与BP神经网络故障识别相结合的方法，将22种故障电路的电压波形数据通过小波包分解，提取特征向量作为神经网络输入进行训练，大大简化了神经网络结构.根据该训练好的神经网络，能够准确地利用电路的输出波形进行故障晶闸管的定位，可以在电力能效监控系统中得到应用.
1电力能效监控管理系统
电力能效监控管理系统采用分布式结构，分为现场监控层、通讯管理层和系统管理层，如图1所示.该系统主要实现信号采集、信号传输、信号处理.通过对系统设备信号的实时采集，实现电气系统中的设备状态监控和故障监测，提高了电气系统的安全可靠度；通过对能效监控管理系统的实时数据和历史数据进行多维度的处理和分析，为制定合理的综合能耗管理方案提供数据依据.
在电力能效监控管理系统中已经实现了对各用电设备的监控和管理.在电气系统中，整流电路在线监控和故障快速诊断也很有必要.图2为整流电路监测系统结构.整流电路监测流程为：电压信号经过电压传感器送进信号调理电路，经A/D转换，由DSP系统对采集到的信号进行参数处理和传输，通过现代化的高速通信网络传输到上位机，将数据作为训练好的神经网络样本，进行故障诊断识别.
2小波包分析
小波分析由于其对信号的时频分析特性，已经被广泛应用.在工程应用领域，特别是信号处理、图像处理、语音分析等领域，小波变换被认为是信号分析工具和方法上的重大突破[4].小波包分解为信号提供了一种非常精细的分析方法，它将频带进行多层次划分，对小波分解没有细分的高频进一步分解，并能够根据被分析信号的特征，自适应地选择相应频带，使之与信号频谱相匹配.小波包变换将信号分解至独立的频带中，这些频带的信号能量对状态监测非常有用.
图3为小波包分解树结构.小波分析是将信号s分解成低频a1和高频d1两部分.在分解中，低频a1中失去的信息由高频d1捕获.在下一层分解中，又将a1分解成低频aa2和高频da2两部分，低频aa2中失去的信息由高频da2捕获.以此类推，可以进行更深层次的分解.对小波包分解系数重构，提取各个频带范围的信号特征.小波包分解时，有
4三相整流电路故障识别
电路中某处晶闸管发生故障后，输出波形为非平稳信号.由于输出各个故障波形的各个频率成分的能量不同，提出了基于“能量故障”的故障诊断识别模式[6-8].故障识别过程如图5所示.直接提取各个故障波形中各个频率成分能量的变化作为神经网络的输入，在能够表征各个故障特征的同时，使得输入数据大大减少.由于单个晶闸管故障的6种波形相同，但相位
不同，因此在A相电压上升过零点时开始采样，采样间隔0.000 1 s.经过1个周期（0.02 s）得到200个数据样本.
4.1小波分解
对200个数据样本进行三层小波包分解，分别提取第三层从低频到高频8个频率成份的信号特征.图6为VT1开路时的故障波形和小波包分解树结构，其中：（0，0）代表原始信号s，即数据样本；（1，0）为小波包分解的第一层低频系数；（1，1）为小波包分解的第一层高频系数；（3，0）为第三层第0个结点的低频系数；（3，1）为第三层第0个结点的高频系数.其他以此类推.
4.2小波重构
对小波包分解系数进行重构，提取各频带范围的信号.用S（13m）表示各结点的重构系数（m=0，1，…，7）.则总信号可表示为S1=S（130）+S（131）+S（132）+S（133）+S（134）+S（135）+S（136）+S（137）.晶闸管VT1开路时输出电压的各结点重构系数如图7所示.
4.3构造特征向量
由于晶闸管故障时输出波形的各频带的能量
有一定的变化，因此，以能量为元素可以构造一个根据以上步骤，每种故障时的输出波形可构造一个特征向量.以单个晶闸管故障为例，6种故障状态可产生6组特征向量，如表2所示，其中：s0表示正常状态下的特征向量；si表示VTi故障时的特征向量（i=1，2，3，4，5，6）.
4.4建立BP神经网络
根据已总结的故障模式种类，将各状态下经小
波包分解的特征向量作为输入，将对应编码构建一个矩阵作为输出，设置一个三层的BP神经网络[9]，其参数设置如表3所示.神经网络训练迭代过程如图8所示.
4.5故障模式识别与方案验证
训练完成后，提取单个晶闸管故障波形数据和加入随机噪声.经小波包分解进行特征提取，将特征向量作为训练好的神经网络的输入再进行检验.未加噪声的训练结果如表4所示，平均诊断误差为0.000 5.表5为加随机噪声后的训练结果，平均诊断误差为0.055 2.
5结论
本文提出了应用于电力能效监控管理系统的对整流电路进行故障诊断和识别的方法.先建立模型，采集故障波形数据，进行特征提取等处理，以此作为输入样本，建立一个训练好的神经网络.再通过对故障监控数据的采样、特征提取，作为神经网络的输入，即可判断出三相整流电路中晶闸管故障的准确位置.采样数据经小波包分析处理后作为输入样本，简化了神经网络的结构.本文以波形数据最相近的单管故障为例进行研究，仿真结果验证了该方法的实用性.
参考文献：
[1]郑连清，王腾，邹涛.基于神经网络的三相全控桥整流电路故障诊断[J].重庆大学学报，2004，27（9）：72-75.
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[3]田质广，赵刚.基于小波包与Elman神经网络的整流电路故障诊断[J].系统仿真学报，2009（10）：2981-2984.
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[6]钱苏翔，杜琦，顾小军，等.基于小波包特征能量提取的变压器绕组变形故障诊断[J].机械设计与制造，2012（9）：135-137.
[7]陈少东，李宏.晶闸管整流装置的几种故障处理方法浅析[J].电子测试，2013（3/4）：34-37.
[8]刘乐平，林凤涛.基于小波包特征向量与神经网络的滚动轴承故障诊断[J].轴承，2008（4）：46-48.
浅析单相整流电路 篇4
在工农业生产和科学实验中, 一般使用交流电, 但在精密仪器和家用电器中往往需要直流稳压电源, 而稳压电源的第一部分是整流电路, 它的作用是把大小和方向都变化的正弦交流电压变为单向脉动电压。常用的整流电路有单相半波整流电路和单相桥式整流电路。
1 单相半波整流电路
1.1 电路的结构及工作原理
单相半波整流电路如图1所示。该电路中, 在电源电压的一个周期内, 流过负载的电流和负载两端的电压只有半个周期, 所以称为半波整流。
设u2为正半周时, 极性为上正下负, 这时加在二极管两端的为正向电压, 因此二极管导通, 电路中有电流流过, 并且负载和二极管上的电流相等, 因为二极管的正向电压很小, 可以忽略不计, 所以负载两端的输出电压近似等于变压器副边电压, 输出电压的波形和变压器副边的电压相同。
当u2为负半周时, 极性为上负下正, 这时加在二极管两端的为反向电压, 因此二极管截止, 电路中没有电流, 输出电压uo=0, 变压器副边电压全部加在二极管上。[1]
1.2 参数计算
1.2.1 负载上的电压平均值和电流平均值
负载上得到的整流电压虽然是单方向的, 但大小是变化的, 常用一个周期的平均值来衡量这种单向脉动电压的大小。单相半波整流电路输出电压的平均值为
负载RL上的电流平均值为
1.2.2 整流二极管的电流平均值和承受的最高反向电压
由图1可知, 流过整流二极管的平均电流IV与流过负载的电流相等, 即
二极管承受的最高反向电压URM是二极管截止时两端电压的最大值, 它等于变压器副边电压的最大值, 即
实际中, 根据IV和URM选择合适的整流二极管。二极管的反向峰值电压要选得比URM大一倍左右。
半波整流电路的优点是电路简单, 缺点是电源的利用率低, 输出电压低, 脉动大, 只适用于要求不高的场合。[2]
2 单相桥式整流电路
单相桥式整流电路可以克服单相半波整流电路的缺点。
2.1 电路结构及工作原理
单相桥式整流电路如图2所示, 它是由四个整流二极管接成电桥的形式构成的。
设u2正半周时, 极性为上正下负, 这时加在二极管V1、V3两端的为正向电压, 因此二极管V1、V3导通, 而加在二极管V2、V4两端的为反向电压, 因此二极管V2、V4截止。此时电流的路径为a→V1→RL→V3→b。
当u2负半周时, 极性为上负下正, 这时加在二极管V2、V4两端的为正向电压, 因此二极管V2、V4导通, 而加在二极管V1、V3两端的为反向电压, 因此二极管V1、V3截止。此时电流的路径为b→V2→RL→V4→a。
可见, 在电压u2变化的一个周期内, 负载RL上都有相同方向的电流流过。
2.2 参数计算
2.2.1 负载上的电压平均值和电流平均值
由上述分析可知, 桥式整流电路中负载上的电压和电流是半波整流的2倍。即
2.2.2 整流二极管的电流平均值和承受的最高反向电压
在桥式整流电路中, 由于二极管V1、V3和V2、V4在电源电压变化的一个周期内轮流导通, 所以流过每个二极管的电流都等于负载电流的一半, 即
二极管承受的最高反向电压URM是二极管截止时两端电压的最大值, 它等于变压器副边电压的最大值, 即
桥式整流电路与半波整流电路相比, 电源利用率提高了1倍, 同时输出电压提高, 波动成分减少[3], 因此桥式整流电路应用非常广泛。桥式整流电路的缺点是二极管用得较多, 容易出错, 因此, 常将四只二极管集成在一起构成整流桥, 内部结构及外形如图3所示。
(a) 半桥堆; (b) 全桥堆
使用一个“全桥”或“半桥“, 就可构成桥式整流电路, 非常方便。
参考文献
[1]李仁华, 冯贇.电子技术[M].北京:北京理工大学出版社, 2010 (86) .
[2]黄冬梅.电子技术[M].北京:中国轻工业出版社, 2011 (10) .
整流电路 篇5
电子电器应用与维修：李志海
一、教学思路
强调学习者的主观认识和主动探索知识的情境，始终保持教师与学生，学生与学生之间有效互动，根据探究教学理论，学生在教师指导下，运用探究的方法学习，让学生能够主动获取知识，培养学生的动手能力与观察、分析等逻辑思维能力，教育学生养成勇于探索的求知精神和严谨、科学的学习态度。
二、教学模式
通过演示实验，分析电路工作原理，探究输出电压与输入电压之间的关系，二极管电流与负载电流之间关系，再结合故障分析和展示QL型整流器的应用，提高学生对知识的应用能力。即“设置实验——创设情境——感性认识——探究分析——上升理论——指导实践”
三、教学目标
（一）知识目标
1．了解单相桥式整流电路的结构特点
2．理解单相桥式整流电路工作原理及工作波形
3．掌握凌晨相桥式整流电路有关量值的计算：输出电压U0，输出电流I0，晶体整流二极管承受的反向电压。
（二）能力目标
通过师生互动和生生互动，培养学生的动手能力与观察、分析等逻辑思维能力，教育学生养成勇于探索的求知精神和严谨、科学的学习态度。
（三）情感目标
通过引导学生参与教学活动，让学生体验成功的快乐，保持学习的热情，激发学生的求知欲望和学习专业的兴趣。
四、教学策略
教学过程要充分体现“学生为主体，教师为主导”的教学原则，利用多媒体手段演示和实验演示，引导学生“观察实验现象，分析实验结果，归纳实验结论”，激发学生主动参与教学活动和学习热情，培养学生分析问题和解决问题的能力。
五、教学重点
（一）整流电路中，二极管的工作状态及电路各波形的分析
（二）整流电路有关量值的计算
六、教学难点
整流电路中，二极管的工作状态及电路各波形的分析
七、教学过程 复习引入新课：
知识回顾（屏幕投影三个问题）
（一）什么是整流电路？
（二）整流电路有什么作用？
（三）整流电路如何完成整流功能？
屏幕投影半波整流电路（图1）和变压器中心抽头全波整流电路（图2）师：请问下图所示两电路各属于什么整流电路？试分析其优缺点。
师：通过对两种电路的比较，它们都有不尽人意的地方，半波整流电路虽然电路简单，但电能利用效率低。而变压器中心抽头全波整流电路，虽然电能利用效率得到了提高，但是对变压器、二 极管的要求较高，为了克服以上缺点，在实际电路中常采用桥式整流电路。
新课教学：
板书：单相桥式整流电路 板书：
一、电路结构
师：单相桥式整流电路如图所示（屏幕投影单相桥式整流电路），其中：T为变压器；D1、D2、D3、D4为四个整流二极管；RL为负载电阻。
问：单相桥式整流电路与前面两种整流电路相比，在电路组成上有什么不同？ 答：（1）变压器没有中心抽头（2）采用了四只整流二极管
师：因为电路中的四只整流二极的连接如同电工中的电桥电路相似，因此，我们把这种整流电路称为桥式整流电路。下面我们一起来分析桥式整流电路的工作原理。
板书：
二、工作原理 屏幕投影桥式整流电路
师：我们知道，变压器副绕组上的电压是正弦波交流电压，它的极性是周期性变化的，下面我们分正、负半周两种情况，对电路的工作过程进行分析。
板书：
1．正半周（假设A+，B-）屏幕投影桥式整流电路
师：正半周时，电路中的四只二极管各处在什么工作状态呢？
答：D1、D3两端加有正向偏置电压而导通，D2、D4两端加有反向偏置电压截止。屏幕投影桥式整流电路电流流经的路径，并动画演示 板书：电流路经：A﹢→D1→RL→D3→B-板书：2．负半周（假设A-，B+）屏幕投影桥式整流电路
师：负半周时，请同学们参照正半周分析方法，分析电路中的四只二极管又处在什么工作状态呢？
答：此时，D2、D4两端加有正向偏置电压而导通，D1、D3两端加有反向偏置电压截止。板书：B+→D2→RL→D4→A-
屏幕投影：负半周时，桥式整流电路电流流经的路径，并动画演示 屏幕投影：演示正、负周时，负载RL上获得的电压波形
师：通过正、负半周的两种情况的分析，我们可以得出这样的结论，电路正常工作时，不管变压器副绕组上的电压的极性如何变化，流经负载RL的电流始终自上而下，在RL上的电压是上正下负，不会因变压器副绕组上的电压极性的变化而改变，即加在负载上加的电压是直流电压。
板书：结论：电路正常工作时，不管变压器副绕组上的电压极性如何变化，流经负载RL的电流始终是“自上而下”，在RL上的电压是“上正下负”。
师：那么加在负载上的脉动电压与变压器副绕组的电压之间有什么关系？流经整流二极管的电流和负载电流之间存在什么关系呢？
板书：
三、整流电路有关量值的计算 师：我们先来做一个实验。
（老师拿出预先准备好的电路板，对电路板做简单介绍后，检查电路无误后通电，并进行有关数据的测量。）
1测量变压器副绕组两端上的电压，记下测量所得的数据。○2测量负载RL两端的电压，记下测量所得的数据。○3分别测量流经二极管D1、D2的电流，记下测量所得的数据。○（教师引导学生对测量所得的数据进行分析）板书：
1.负载上的平均电压:U0=0.9u2 2.负载上的平均电流：IL=U0/RL=0.9U0/RL 3.整流二极管上的平均电流:ID=1/2I0 4..整流二极管上承受的反向电压:VRM=√2u2 板书：
四、整流堆
师：为了提高整流电路的工作性能，在实际应用中，通常把桥式整流的四只二极封装成一个整体，如图所示（屏幕投影整流堆的实物图），向外引出四条引出脚，分别标上：﹢、﹣、∽，内部结构如图所示（屏幕投影整流堆的内疗连接图）
师：从内部结构图，我们可以知道：正负相接连∽，负负相接连正出，正正相接连负出 板书：
五、课堂练习：
（一）试分析图示桥式整流电路中的二极管D2 或D4 断开时负载电压的波形。如果D2或D4接反，后果如何？如果D2 或D4因击穿或烧坏而短路，后果又如何？
板书：
六、课后思考：
1、根据实际情况设计并制做一个单相桥式整流电路。(条件:有一直流负载，需要直流电压为非作18V，直流电流为2A，若采用桥式整流电路，如何选择电源变压器和二极管？)
整流电路的PSPICE分析 篇6
1 电容对输出电压的影响PSpice分析
(1) 从原理上分析, 因为电容两端电压不能突变, 所以电容可是实现对输出电压的滤波, 以下将通过PSpice输出的曲线比较。若图1中不接E1和C1, 电路图如图2。
输入电源电压假设为幅值为20V, 频率为50Hz, AC/DC输出电压波形为:
图3中, 蓝色波形是交流电源, 绿色波形是整流输出的直流电压波形, 交流电压的幅值高于直流电压幅值, 原因在于二极管的导通电压降。只在仿真窗口显示整流输出波形, 如图4。
(2) 在输出端接上一个电解电容, 电路图如下:
分析如下:当电解电容E1的电容量从0u F-100u F变化时, 变化增量为25u F, 整流波形比较如图5。
由图5可见, 随着电容E1的增大, 输出波形越来越平稳, 在此基础上, 继续增大电容E1分析, 当电容E1从100u F-300u F变化时, 变化增量为100u F, 整流电压输出波形如图6。
图6中有三条整流电压输出波形, 黄色曲线是E1的电容值为100u F时的波形, 红色曲线是E1的电容值为200u F时的波形, 蓝色曲线是E1的电容值为300u F时的波形;由此可见, 当E1的电容值大于100u F, 输出波形变化不大。所以在该整流电路中, E1的电容选型其电容值应该大于100u F;但是考虑电路设计成本最优化, 避免“大材小用”, 电解电容E1选用100u F。
本文基于空调电路的整流电路, 运用PSpice电解电容对输出波形的影响。通过该简单的例子, 阐述了电路的设计方法和分析方法, 以提高电路设计的合理性和可靠性。
2 总结
用PSpice进行电子电路特性的仿真分析, 可使电路特性随电路结构及元器件的变化关系以波形或图形方式更直观地显示, 便于分析各种类型的电路特性, 使电路的设计更可靠、最优化;保证电路的可靠性和合理性。
摘要：PSpice是面向电子线路和集成电路的仿真分析软件, 它能进行模拟电路分析、数字电路分析和模拟数字混合电路分析, 实现电路优化设计。PSpice实现直流分析、交流分析、参数分析和瞬态分析等基本内容, 也可实现最坏情况分析、蒙特卡洛分析、温度分析、噪声分析、傅利叶分析和静态工作点分析。
关键词：PSpice,整流电路,交流电压,直流电压,电解电容
参考文献
[1]刘勇, 宋振宇, 张光轶.基于PSpice的几种常见整流电路分析与仿真[J].现代电子技术, 2006, 9.
[2]刘明章.PSpice电路设计与分析.国防工业出版社, 2010.
半波整流电容滤波电路分析 篇7
1单相半波整流电路
电路如图1所示,为了问题的简化并突出重点,所有器件都认为是理 想器件。变压器副 边电压U2是正弦波。
当U2在正半周时,A点电位比B点高,二极管D加正向电压而导通,因为忽略了二极管正向导通压降,所以uo与u2完全相同,则,负载电压uo、二极管管压降ud、 流过负载的电流io和二极管的电流id为:
当U2在负半周时,A点电位比B点低,二极管D加反向电压而截止,则,负载电压uo、二极管管压降ud、 流过负载的电流io和二极管的电流id为:
通过积分计算不难算出负载上输出电压、电流为
输出电压的脉动系数 ( S) 定义为输出电压的基波最大值与输出直流电压平均值之比。则
S = = = 1. 57
如图2所示。
2电容滤波电路
实际生活中桥式整流滤波电路应用广泛,这里以它为例分析一下电容滤波电路。
如图3 ( a) 所示,不妨令电容初始电压为零,则当u2按正弦规律从零时刻上升时,D1、D3导通,电容开始充电,因为导线和二极管都是理想器件,所以,电容充电完全和u2一样按正弦规律上升,直至充到最大值U2。此后u2按正弦规律下降; 电容两端电压的变化要复杂得多, 主要由电容容量和负载电阻决定。如果负载电阻无穷大即负载开路,则电容两端电压将不减小一直保持U2,这是因为u2下降后,电容两端电压大于u2,D1、D2都截止, 电容上电量没有放电回路不会减少。如果负载电阻不是无穷大即带载状态,则电容将通过电阻放电,电容两端电压将减小,但具体按什么规律减小还要具体分析。因为u2按正弦规律下降,速度由零逐渐增大,而电容电压按指数规律下降,速度由大逐渐减小到零 ( 理论上要无穷长时间) ,两者总有速度相等的时刻。显然在此之前电容一直被u2充电,电压与u2相等 ( 如图3 ( b) bc段所示) ,此后D1、D2都将截止,电容电压按指数规律下降 ( 如图3 ( b) cd段所示) 。其中的d点是下一个充电周期的开始, 此时u2电压的绝对值又等于电容电压,且按正弦规律上升,电容又开始充电。如此反复,周而复始。图3 ( c) 是考虑电源内阻及二极管压降的情况下的电容电压波形, 阴影部分为整流电路内阻上的压降。
从图3 ( b) 可以看出,经滤波后的电容电压不仅变得比较平滑且平均值也得到提高。电容放电时按指数规律变化,放电快慢由放电时间常数RLC决定,RLC越大放电越慢,输出电压越平滑平均值越大。
以上是从纯物理的角度对电容滤波的分析,下面从数学和物理的角度进行分析。
桥式整流电路波形傅里叶展开式如图4所示。
其中的第一项即是直流分量,也就是输出电压的平均值,后面各项为各次谐波。将此电压加在后面的RL、 C并联电路上,RL的阻抗与电源频率无关,而电容C的容抗为与频率有关,频率越高容抗越小。根据叠加原理我们可以理解为各个电源单独作用于RL、C并联电路。 则无论是电容或是负载电阻两端获得的电压都是uL,仍为全波整流波形,一点也没有实现 “滤波”效果。如果考虑电源内阻的作用,则由于内阻上压降与电源输出电流成比例,那么随着谐波频率的增高,电容容抗会越来越小,电容和电阻组成的阻抗的模就会越来越小,与电源内阻分压时获得的分压比例也就越来越小。结果是与uL各谐波相比,电阻两端电压的谐波幅度随谐波频率的升高而越来越小,电阻两端的电压总谐波含量比uL高频含量减少了,即部分谐波被滤掉了,达到了一定的 “滤波”目的。
比较以上从物理角度和数学物理角度进行的分析不难发现: 桥式整流波形用傅里叶级数展开后作用于电阻电容并联电路,考虑电源内阻时 “有部分滤波”和理想电源时毫无 “滤波”效果; 从物理角度分析时无论考虑不考虑电源内组电容都有很好的滤波效果。我们是从不同角度对同一物理现象进行分析的,怎么结果会如此大相径庭? 问题出现在哪里?
可以肯定的是桥式整流电容滤波充放电过程是没有错误的,桥式整流的波形是正确的,傅里叶级数也是没有问题的,相信电阻、电容频率响应,分压分流也是没有问题的,那么哪里有问题?
整流电路 篇8
电力电子技术是20世纪后半叶诞生与发展的一门崭新技术, 也是自动化、电气工程类专业的一门重要专业基础课。它日新月异的发展, 使得该门课程处于不断充实、更新之中。目前的电力电子技术实现了从以半控的晶闸管电路为主体向以全控型器件电路为主体的转变。随着电路越来越复杂, 在实际中应用就越来越来越难, 因此在验证一种电路的可行性时, 如果可以通过一种计算机软件来模拟它的可行性, 这样既可以节省时间, 又可以节省大量的财力和物力。因此, MATLAB软件中的Simulink可以在电力电子技术中找到它的用武之地。可以看出Matlab作为一种新型的高性能的语言, 为电力电子技术的研究与应用实现提供了理想的工具。
1 Matlab电力电子仿真简介
在Matlab环境下进行仿真, 可基于Simulink图形界面建立模块化交互式的仿真模型。而有关电力电子的仿真研究主要基于PSB (Power System Bloksets) 进行, 仿真模型依据元件模型来建立, 其中包括:电源模型库、连接模型库、元件模型库、电机模型库、测量模型库及附加模型库等。
在具体的仿真中建立模型是基础, 参数设置是关键。建立仿真, 一般采取以下步骤:
(1) 按自己习惯的方式 (有三种方式) 进入Matlab/Simulink界面建立模型 (Model) 文件;
(2) 依据要仿真的电路在模型库中选择相应元件模型, 然后布局连接;
(3) 设置元件模型参数及控制算法;
(4) 仿真分析, 参数微调。
2 仿真实例
本文以电力电子中典型单相半波可控整流电路及三相桥式全控整流电路为例, 从仿真模型建立、参数设置及结果分析进行研究。
2.1 仿真模型
2.2 参数设置及结果
参数设置是仿真的关键也是仿真的难点。本次仿真中选择ade23b算法, 设置脉冲幅值为100V, 脉冲占比为30%, 周期为0.02S, 采用单一参数负载。相误差设置为1e-5, 开始时间为0, 停止时间为0.1S, 改变触发角, 得到仿真结果如图3所示。
3 结论
本文通过Matlab对两种整流电路, 首先用模块搭建仿真模型, 进而设置参数, 最后进行仿真, 突破了传统的仿真方法需要大量繁琐的编程调试工作, 使用户不必对计算机系统本身赋予更多的注意, 而将主要的精力集中在课题本身。基于图形界面的仿真建模方式的仿真软件——Matlab适用范围极广, 值得大力推广。
参考文献
[1]陆治国.电源的计算机仿真技术[M].北京:科学出版社, 2001.
[2]李传奇.电力电子技术计算机仿真实验[M].北京.电子工业出版社, 2007.
一种新型外驱动同步整流电路 篇9
关键词：同步整流,自驱动,外驱动,正激变换器
0 引言
目前,电力系统二次设备中测控、保护类装置数字化接口的增多,导致装置的功耗越来越大,装置电源的输出电流达到十几安培甚至更大,使得降低装置电源的固有损耗、提高其效率显得尤为重要。因此,设计这类电源时一般要采用同步整流技术[1,2,3]。同步整流技术可以分为外驱动技术和自驱动技术:外驱动技术常采用专门的同步整流驱动控制芯片和隔离芯片,能够提供较好的控制时序,但电路复杂,成本高;自驱动技术是正激变换器中比较常用的技术,简单自驱动方法简单,成本低,但驱动波形不理想,会存在一段驱动死区,降低了变换器的效率[4,5]。栅极电荷自维持驱动电路是比较好的自驱动技术[6,7],可以解决驱动死区问题,但存在较大的共态导通问题。改进的栅极电荷自维持驱动电路[8,9,10]可以进一步改善共态导通问题。文献[8]提到了控制延时方法消除共态导通,但未给出具体的实施方法;副边电流驱动[7]是自驱动技术的另一种形式,但驱动电压波形仍不够理想。另外,在自驱动技术中,同步整流金属氧化物半导体(MOS)管的驱动电压均来自于变压器绕组电压,工作在较宽的输入电压范围[11]时,驱动电压的幅值变化范围较大,给同步整流管的驱动设计带来困难。
本文提出了一种新型外驱动同步整流驱动电路,结合了外驱动和自驱动技术的特点,无需专门的驱动芯片,利用驱动变压器实现驱动隔离,可以解决驱动死区和共态导通问题。同时,驱动电压波形不是取自变压器绕组,幅值比较稳定,驱动波形不再受主变压器影响,抗干扰能力强,可以在较宽的输入电压范围下可靠工作。
1 新型外驱动同步整流电路
以变压器辅助绕组磁复位正激变换器为例,采用同步整流技术时,需要解决3个问题:(1)驱动死区,是指续流MOS管不能在续流期间完全导通,续流电流流过二极管,损耗大;(2)共态导通,是指变换器工作整流开始阶段,续流MOS管不能及时关断,变换器会出现副边短时短路,其会带来MOS管损耗增加,电压、电流尖峰大,电磁兼容恶劣的问题;(3)驱动电压波形,正激变换器工作在宽输入电压时,同步整流MOS管的栅极存在耐压的安全隐患。本文提出的新型外驱动同步整流驱动电路能很好地解决上述3个问题。图1是新型外驱动同步整流驱动电路。同步整流MOS管的驱动信号取自控制芯片(如UC3844)驱动脉冲,驱动信号一路通过延时送到原边MOS管,同时通过隔离变压器传递到副边,并通过增强、转换后送到2个同步整流MOS管。
图中:C1为MOS管Q1的栅极寄生电容;Cb为驱动变压器T2的隔直电容;Q2和Q4为同步整流MOS管;Q3为给Q4门极电荷快速放电的MOS管;LO为耦合滤波电感,匝数比关系为NO1/NO2=NS1/NS2=VO/VCC;Lr为变压器漏感(含变压器副边折合到原边的漏感)。变压器T1输入电压为Vin,匝数比n=NP1/NS1=NP2/NS1;变压器T2匝数比为1∶1,占空比为D(最大0.5),原边驱动脉冲udr的幅值为VC1,则变压器T2副边电压为(1-D)VC1。
图2为新型外驱动同步整流电路的主要工作波形。
分析前,作如下假设。(1)Q1开通的门槛电压为VT1;耦合滤波电感LO足够大,认为电感电流即为负载电流IO;隔直电容Cb足够大。(2)副边驱动电压源VCC的电压是恒定的;当(1-D)VC1≥VCC时,u2的幅值为VCC;当(1-D)VC1<VCC时,u2的正向幅值为(1-D)VC1,负向幅值为DVC1;变压器T1副边电压uS1幅值大于VCC;u3的幅值为VCC。(3)忽略驱动变压器T2信号的传递延时,忽略Q5和Q6的开通延时,并且驱动能力足够,忽略Q2的开通延时,所有二极管均是理想器件。
下面对新型外驱动同步整流电路的工作过程进行分析,一个开关周期可以分为7个工作阶段,工作过程描述如下。
1)阶段1,[t0,t1]:在t0时刻,驱动脉冲udr由低电平变为高电平,由于驱动电阻R1和MOS管栅极寄生电容C1的存在,栅极电压u1近似线性上升,驱动信号可以认为无延时地通过变压器T2传递到副边,Q5开通,MOS管Q2和Q3的门极电压u2迅速上升,Q3开始导通,Q4栅极电荷开始放电。这段时间内变压器T1磁复位已经完成,变压器原、副边电压为0,Q6处于关断状态,负载电流全部流过Q4,副边处于续流状态。
2)阶段2,[t1,t2]:在t1时刻,MOS管Q4的门极电压u3降到0,Q4作为MOS管部分关断,续流电流iD继续通过体二极管流过,tdd=t1-t0为规避时间,常规栅极电荷自维持驱动电路在该时间段会出现共态导通。这段时间内变压器T1的原、副边电压仍为0,副边处于续流状态。
3)阶段3,[t2,t3]:在时刻t2,u1线性上升到VT1,MOS管Q1开通,由于漏感Lr的存在,输入电压Vin加在漏感上,变压器T1原、副边电流近似线性上升,变压器副边电压仍为0。
4)阶段4,[t3,t4]:在t3时刻,变压器T1副边电流iS上升到负载电流IO,变压器原、副边电压迅速上升,Q4完全关断,其作用只相当于一个二极管。tss=t3-t0为安全时间,只要tss>tdd,就不会出现共态导通过程。在t3时刻,Q2已经处于完全开通状态,变压器T1副边进入整流状态,原边向副边传递能量。
5)阶段5,[t4,t5]:在t4时刻,驱动脉冲udr由高电平变为低电平,MOS管Q1关断,变压器T1原、副边电流谐振减小(近似线性下降),MOS管Q2的栅极驱动关闭,副边电流iS流过Q2的体二极管并近似线性减小,续流MOS管Q4的体二极管首先开始导通,续流电流iD近似线性上升,变压器T1原、副边电压为0。
6)阶段6,[t5,t6]:在t5时刻,变压器副边电流iS降到0,MOS管Q2完全关断,续流电流iD上升到负载电流IO,变压器复位绕组NP2开始进行磁复位,变压器T1副边电压开始迅速负方向上升,三极管Q6导通,续流MOS管Q4的栅极电压u3迅速上升,MOS管Q4开通,续流电流由体二极管转到MOS管上。图中的二极管D3可对Q4的栅极电压u3进行钳位,也可以依靠三极管Q6本身的PN极对u3进行钳位。
7)阶段7,[t6,t7]:在t6时刻,变压器T1磁复位完毕,变压器原、副边电压变为0。tdead=t7-t6为常规自驱动的死区时间,续流MOS管Q4驱动电压会降为0,从而造成续流电流iD流过二极管。而图1给出的驱动电路不存在这个问题,续流MOS管Q4的栅极电荷没有放电回路,会处于自维持状态,续流电流iD仍然通过MOS管Q4流过。
t7时刻,驱动脉冲udr再次由低电平变为高电平,变换器进入下一个工作周期。在阶段2和阶段5过程中,副边电流和续流电流会短时地流过二极管,但由于时间很短,其损耗几乎可以忽略。
需要指出,对于占空比大于0.5的正激变换器,采用该驱动电路时,变压器T2的匝数比需要适当调整,防止MOS管Q2和Q3的驱动能力不足。同样地,在设计宽输入电压工作时,要注意变压器T1副边在最低输入电压时能保证通过Q6到MOS管Q4的栅极电压不会太低。
2 安全时间的计算
新型外驱动同步整流电路有2个时间很重要:一个是规避时间tdd,另一个是安全时间tss。tss>tdd是防止出现共态导通的条件。但是,tss并不是真正的安全时间,真正的安全时间tsafe=tss-tdd,即绝对安全时间。下面分别对它们进行计算。
规避时间tdd是指驱动脉冲udr从低电平变为高电平开始,到续流MOS管Q4关断的时间。设三极管的放大倍数为hEF,MOS管Q2和Q3的栅极电容为Cissa,Q3的门槛电压为VTa,Q3的内阻为Rsa,MOS管Q4的栅极电容为Cissb,门槛电压为VTb。
Q3的开通时间ta为:
从Q3开通到Q4关断的时间tb为:
规避时间tdd为:
安全时间tss也分为2个部分:一个是MOS管Q1的开通时间ts1,即栅极电压上升到VT1的时间;另一个是漏感电流上升时间ts2,即变压器T1副边电流iS由0上升到负载电流IO的时间。则安全时间tss为:
当tsafe=tss-tdd≥0,就不会出现共态导通。
3 实验波形和效率曲线
实验参数如下:输入的直流电压为100~300V;输出的直流电压为5V;输出的负载电流最大为16A;原边开关管型号为FQP8N90C;同步整流MOS管型号为IRF1405;变压器漏感Lr为3μH;开关频率为60kHz。
MOS管Q1和Q4的驱动电压(u1和u3)波形如图3所示。图3(b)是图3(a)在开通瞬间(t0时刻)的展开图,从图中可以看出,规避时间tdd大约为100ns。
变压器副边电压uS1的波形和MOS管Q4的驱动电压波形如图4所示。图4(b)是图4(a)在关断瞬间(t1时刻)的展开图,从图中可以看出绝对安全时间tsafe大约为130ns。
采用新型外驱动同步整流电路的正激变换器在不同输入电压和不同负载下的效率曲线见图5。
需要指出的,试验采用的正激电源是一个完整的电源,含输入电磁兼容抑制和输出保护电路等。从效率曲线可以看出,输入电压低时效率较高,在半载(8A)时最高效率为88%,如果只考虑变换器本体部分的转换效率,其效率要比实测的还要高。同时,由图5可见在输入电压高、输出电流小时效率较低。实际工程应用时,变换器通常是在比较固定的输入电压(如220V左右)和输出负载(如12A左右)条件下工作的,高输入电压和轻载只在一些极端情况和调试时会出现,并不会降低其工程实用性。
4 结语
新型外驱动同步整流电路能够使正激变换器工作在宽输入电压场合,解决了自驱动技术存在的驱动死区和共态导通问题,抗干扰能力强,在电力系统中具有很好的工程实用价值。
该同步整流驱动电路除了适用于变压器绕组磁复位的正激变换器,还适用于多种脉宽调制型正激变换器,如双管正激变换器等。
参考文献
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整流器可控上电电路的研究 篇10
随着电力电子变换技术的成熟和推广, 电力拖动、电力系统等应用领域大量采用整流电路, 其中包括二极管不控整流电路、电压型PWM整流电路。为了稳定直流回路电压, 大功率电力电子变换器要求采用高容值的电解电容器。为此在整流电路上电时必须采取浪涌电流限幅措施, 否则会引起了空气开关动作、熔断器烧断、线路损耗过大等问题, 也会由于分布电感的存在使得后级逆变电路过压击穿。另外, 电解电容电压的纹波过大, 也会影响其使用寿命。对此采取的常规措施包括:对于几百瓦以下功率的单相整流电路, 在交流侧或直流侧串联NTC电阻;较大功率的单相整流电路, 在交流侧或直流侧并联PTC电阻或功率电阻, 当直流回路电压上升到一个合适数值的时候, 启动并联的继电器初级绕组, 次级触头短接PTC电阻或功率电阻, 完成上电过程。对于三相整流电路, 则需要在直流侧串联大功率的功率电阻。以上上电电路的优点是电路简单和概念清晰, 但是也有几点不足:上电过程不可控, 电解电容电压有级上升, 纹波电压较高, 具有二次冲击问题。针对这些问题, 本文提出一种新型的整流器可控上电电路, 适用于二极管不控整流电路、电压型PWM整流电路, 并对其工作原理进行了原理描述、理论分析和仿真验证。
1可控上电电路的工作原理
1.1三相整流电路的可控上电电路
三相整流电路的可控上电电路如图1所示, 图中虚框1为功率电路, 虚框2为控制电路。虚框1中, BR1表示二极管不控整流电路或电压型PWM整流电路, PR1表示限流用功率电阻, D1表示续流二极管, TR1表示开关管IGBT, C1表示储能用电解电容器, TY1代表可控硅开关管, VR1～VR2代表分压电阻。虚框2中, DR1～DR2代表驱动电路, DSP代表数字信号处理器或其他MCU。
三相整流电路中三相供电系统的相电压与线电压关系如图2所示, 图中以相电压幅值为单位1绘制, 只有线电压包络线能够发生整流, 其峰峰值为undefined, 可以认为输入电压近似恒定。
根据图1, 上电过程中, 开通IGBT时电解电容升压, 关断IGBT时电解电容电压保持。三相整流电路的可控上电电路的工作过程是: (1) 控制电路给定直流回路电压上升曲线, 并且实时检测直流回路电压; (2) 电压低于设定值时, 发出电压驱动脉冲, 开通IGBT, 电压高于设定值时, 停止驱动脉冲, 关断IGBT; (3) 上电过程结束和后级电路启动时, 控制器发出足够宽度的电流驱动脉冲开通晶闸管; (4) 后级设备待机和再启动时, 控制器再次发出足够宽度的电流驱动脉冲开通晶闸管。对于电压型PWM整流器, 图1所示上电电路, 支持能量回馈。
可控上电电路的工作原理如图3所示, 上电时间第一阶段为T0～T1, 为主要阶段, 电解电容电压上升曲线为曲线1、3或直线2, 第一阶段为T1～T2, 电解电容电压由UF1上升到UF2, UF2为输入线电压幅值, UF1为一个接近UF2的电压。随着直流电压的上升, 输入电流的有效值或幅值逐渐下降为零, 如曲线4和5所示。显然, 该曲线的变化趋势随着电压上升趋势的不同而不同。
电压上升控制可以采用以下方法: (1) PI调节器; (2) 常规滞环电压控制器; (3) 周期采样比较控制器。可控上电电路与自然整流条件类似, 三相整流桥中每个二极管的最大导通范围角为120°, 但是为断续导通角。
1.2单相整流电路的可控上电电路
单相整流电路的可控上电电路如图4所示, 与图1不同的是, 输入改为单相交流电压, 如图5所示, 输入电压的幅值下降, 纹波电压峰峰值为0～1, 不可认为输入电压恒定, 直流回路电压上升曲线的可控性下降。但是在上电开始的一段时间之内, 单相整流器中二极管的断续导通范围可以达到180o, 因此能够近似获得近似正弦波形的输入电流, 获得高功率因数。电压上升控制除了采用三相整流桥可控上电的三种方法外, 可以采用近似单位功率因数控制方法。
2仿真分析与实验结果
2.1三相整流器上电电路仿真分析
利用MATLAB/SIMULINK建立图1的三相整流器上电仿真电路, 三相交流输入380VAC, 期望输出直流电压537VDC, 其中输入滤波电感均为0.5mH, 输入滤波电容为2.2μF, 电解电容为4700μF, 上电电阻为47μ。上电时间应该大于 (3～4) RC=0.6627～0.8836S。设定电压曲线为直线, 上电时间为0.7S, 采用常规滞环电压控制器, 直流电压波形如图6所示, a相电流波形如图7所示。
2.2单相整流器上电电路仿真分析
利用MATLAB/SIMULINK建立图4的单相整流器上电的仿真电路。单相交流输入220VAC, 期望输出直流电压311VDC, 其中输入滤波电感为0.5mH, 输入滤波电容为2.2 (F, 电解电容为4700 (F, 上电电阻为47 (。设定电压曲线为直线, 上电时间为0.7S, 采用常规滞环电压控制器, 直流电压波形如图7所示, 网侧电流波形如图8所示。
采用近似单位功率因数控制器时, 直流电压波形如图10所示, 网侧电流波形如图11所示。
3结论
设计了一种直流回路电压可控的上电电路, 适用于单相、三相不控整流电路和电压型PWM整流电路。对于三相整流电路, 可以实现直流回路电压任意波形上电。对于单相整流电路可以实现高功率因数上电。给出了电路拓扑, 对工作原理进行了理论分析, 并给予了仿真验证。所得结果表明, 所提出的可控上电电路具有可行性, 能够可控上电, 降低上电冲击、抑制上电EMI、延长电容使用寿命、减少上电损耗和防止上电过压。
参考文献
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