H 桥全波整流器设计与仿真初學(xué)者指南

2021-11-01

H 桥全波整流器设计与仿真初學(xué)者指南

電(diàn)源转换是现代生活的重要组成部分(fēn)，对于電(diàn)子产品的实际用(yòng)途而言，最重要的可(kě)能(néng)是 AC 到 DC 的转换。整流器是用(yòng)于将交流转换為(wèi)直流的基本電(diàn)路，它们可(kě)能(néng)属于以下类别之一：

半波整流器

中心抽头全波整流器

桥式整流器

这些整流器的功能(néng)是相同的，即AC 到 DC 的转换，但每个都使用(yòng)不同的输入配置，它们有(yǒu)不同的输出。中心抽头整流器和桥式整流器都是全波整流器，它们提供比半波整流器更高的功率转换效率。中心抽头整流器和桥式整流器的用(yòng)途几乎相同，但前者使用(yòng)的中心抽头变压器价格昂贵，因此通常首选桥式整流器，除非由于特定原因需要变压器上的中心抽头。

在本指南中，我们将介绍用(yòng)于单相和三相電(diàn)源转换的 H 桥全波整流器的设计和仿真。两者都可(kě)用(yòng)于工业环境，包括我公司為(wèi)客户项目开发的小(xiǎo)型控制模块。它们在其他(tā)電(diàn)子设备中无处不在，使用(yòng)这些构建模拟对于了解它们如何高效地向下游電(diàn)路供電(diàn)非常重要。

桥式整流電(diàn)路的类型

一个基本的桥式整流電(diàn)路如下所示。该電(diàn)路通常使用(yòng)串联成对排列的四个二极管 (D1-D4)，在交流输入的每个半周期期间，只有(yǒu)两个二极管正向偏置。该整流器中的四个二极管连接在一个闭环、桥状结构上，该组件由此得名。这有(yǒu)时被称為(wèi)不受控制的整流器，其原因将在本文(wén)后面介绍。

不可(kě)控单相桥式整流器

单相与三相整流器

有(yǒu)时，您会看到以 H 桥配置抽出的上述整流器，如下所示。这个配置和上面的配置完全一样。下面还显示了用(yòng)于比较的三相整流器，它仅使用(yòng) 6 个二极管而不是 4 个，其中 2 个串联二极管用(yòng)于控制三相交流连接中每相的電(diàn)流。这两种整流器的區(qū)别应该从它们的波形上看出来；三相整流器的纹波要低得多(duō)，但频率是单相整流器的 1.5 倍。

单相与三相桥式整流器

由于传统二极管是单向的，不受控制，電(diàn)流只允许单向流动，无法控制正向電(diàn)压。出于这个原因，我们通常称这些整流器為(wèi)“不受控制的”，我们需要正确选择这些電(diàn)路中使用(yòng)的二极管，以确保整流器在预期的工作环境中完全正向偏置。

可(kě)控整流器

这种类型的桥式整流器使用(yòng)一些受控的固态元件，如 MOSFET、IGBT、SCR 等，而不是传统的二极管。通常使用(yòng) SCR，因為(wèi)它的電(diàn)压可(kě)以通过直接施加外部直流電(diàn)压轻松改变。因此，系统可(kě)以根据需要调整不同電(diàn)压的功率输出。下图显示了单相可(kě)控桥式整流器，只需用(yòng) SCR 替换二极管即可(kě)。

可(kě)控单相整流器

就像普通的单相整流器一样，这种可(kě)控整流器可(kě)以作為(wèi)H桥引出；结果功能(néng)完全相同。我们还可(kě)以通过使用(yòng) 6 个 SCR（每相 2 个）将電(diàn)路扩展到三相输入。

选择二极管

正如我上面提到的，应该清楚的是，在两种类型的整流器中，流经负载的電(diàn)流都在一个方向上流动，因此在任何给定时刻，只有(yǒu)两个二极管被正向偏置。在每个半周期期间，正向偏置電(diàn)桥部分(fēn)中的每个二极管都有(yǒu)一个压降。对于硅二极管，总压降必须為(wèi) 2*0.7 = 1.4 V。如果您使用(yòng)较低電(diàn)平的变压器耦合交流電(diàn)，那么您可(kě)能(néng)需要使用(yòng)锗或肖特基二极管，因為(wèi)它们在正向偏置时具有(yǒu)较低的压降。

输出波形

通常，一旦您设置了整流器，就会通过在输出端添加一个平滑電(diàn)容器来设置直流電(diàn)压。在下面的一组图中，使用(yòng) SPICE 程序模拟了一个简单的单相整流器（没有(yǒu)变压器），以显示平滑電(diàn)容器如何影响输出。電(diàn)容器的输出连接到 1 kΩ 负载。電(diàn)容器和负载将有(yǒu)一些时间常数，决定電(diàn)容器在整流器输入的两个半周期之间放電(diàn)的速度。让我们在三种情况下看这些结果：

无平滑電(diàn)容器，1 kΩ 负载

下图显示了我们简单的单相桥式整流器的输出波形。有(yǒu)两种波形：黑波為(wèi)输入信号，蓝波為(wèi)输出。输入正弦波被完全整流，即负半周表现為(wèi)正電(diàn)压。从这里，我们可(kě)以添加一个与负载并联的平滑電(diàn)容器，以显示我们可(kě)以接近直流波形的程度。

没有(yǒu)平滑電(diàn)容器的负载输出波形

5 uF 平滑電(diàn)容器，1 kΩ 负载

添加一个5uF的平滑電(diàn)容后，我们的波形看起来是一个相当不错的直流信号，但仍然不是纯直流。電(diàn)容器在半周期之间以特定的 RC 时间常数反复充電(diàn)和放電(diàn)。在電(diàn)容器完全放電(diàn)之前，充電(diàn)周期开始，因此除非切断输入電(diàn)源，否则電(diàn)容器永遠(yuǎn)不会完全放電(diàn)。在这里，您可(kě)以使用(yòng) RC 时间常数来确定 1 kΩ 负载上的放電(diàn)率。

带有(yǒu) 5 uF 平滑電(diàn)容器的负载波形

50 uF 平滑電(diàn)容器，1 kΩ 负载

正如预期的那样，当我们将平滑電(diàn)容器的值增加 10 倍时，输出直流電(diàn)压上的纹波会大大降低。将平滑電(diàn)容器从 5 uF 增加到 50 uF 会将 RC 时间常数增加 10 倍，因此我们现在拥有(yǒu)几乎无纹波的 DC 输出。请注意，输出波形不是纯直流，但对于这个特定的负载電(diàn)阻，纹波似乎很(hěn)小(xiǎo)，在这个尺度上不容易注意到。

带有(yǒu) 50 uF 平滑電(diàn)容器的负载波形

请注意，此 SPICE 仿真是使用(yòng) 1 kΩ 的纯電(diàn)阻负载完成的，但如果负载電(diàn)阻较小(xiǎo)，则電(diàn)容器放電(diàn)速度会更快。这就是為(wèi)什么您可(kě)以在创建布局和制作電(diàn)路板原型之前，根据给定负载的RC 时间常数来很(hěn)好地表征该電(diàn)路的原因。