【導(dǎo)讀】六期連載，整流電路AC/DC變換應(yīng)用非常廣泛，其中二極管整流在電機(jī)驅(qū)動(dòng)中是主流的方案，而且功率范圍很廣，所以了解二極管整流工程設(shè)計(jì)非常重要。
整流電路是電力電子課程的基礎(chǔ)內(nèi)容，占篇幅也很大，但是在書本上，工程上的重要基礎(chǔ)問題沒有細(xì)講或沒有涉及，尤其重要的整流電容濾波負(fù)載往往被忽略了，以至于使得整流電路設(shè)計(jì)在中小功率系統(tǒng)設(shè)計(jì)中也沒有得到足夠重視，直接影響系統(tǒng)成本和可靠性。
第二講《二極管的損耗與波形系數(shù)》講了基礎(chǔ)知識(shí)，二極管和測(cè)量技術(shù)的基本概念，第三講以《阻感性負(fù)載和反電動(dòng)勢(shì)負(fù)載》梳理了整流電路的分析方法。本講開始講整流橋的非線性負(fù)載和逆變器的非線性負(fù)載。
在交流供電的電源，家用電器，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器中，電容濾波這一非線性負(fù)載非常普遍。
電容濾波負(fù)載峰值電流遠(yuǎn)高于平均值電流，也使得有效值電流比較大，這對(duì)整流橋電流造成大的應(yīng)力。由于電流的諧波大，往往超過電磁兼容中諧波電流的限制，一般功率大于80W電路就需要加電感濾波，這也抑制了峰值電流。
單相整流電路的電容濾波負(fù)載分析
整流電路的電容濾波負(fù)載中的電容是儲(chǔ)能器件，它的作用是平滑整流橋輸出電壓的紋波Ubrumm，其儲(chǔ)存的能量和負(fù)載耗能相當(dāng)，其端電壓uc在就是ud，其作用是反電動(dòng)勢(shì)，上一講已經(jīng)有了知識(shí)的鋪墊。
電容濾波整流電路中的二極管電流是不連續(xù)的，是非線性的，只有輸入電壓uL1>ud時(shí)，即t1~t2期間才有電流iL1對(duì)電容充電iC和對(duì)負(fù)載供電iL。在區(qū)間外，由于二極管反偏，連給負(fù)載供電機(jī)會(huì)都沒有。要在短時(shí)間給負(fù)載供能，這時(shí)峰值電流比平均值電流大好多，相應(yīng)的有效值，即均方根電流也會(huì)大不少（見下面仿真數(shù)據(jù)）。
這樣的電路的缺點(diǎn)是電流峰值大，高次諧波大，受電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)的限制，一般功率大于80W電路就需要加電感濾波。
電流估算
在劉進(jìn)軍主編的《電力電子技術(shù)》電容濾波的單相不可控整流電路中給出了一張圖表，負(fù)載大?。ㄗ柚担┖蜑V波電容與對(duì)θ值和δ值的影響，圖中的電流波形是理想波形，上升沿是突變。
從圖中可以讀出δ值在40-70度，θ值在20-40度之間，除非不按照規(guī)則設(shè)計(jì)，采用特別大或特別小的電容。特別大的電容，在放電周期放掉電有限，母線紋波電壓很小，充電的θ角??；而很小的電容，母線紋波電壓很大，這時(shí)隨著交流電壓的上升，很快進(jìn)入充電狀態(tài)，充電時(shí)間比較長(zhǎng)，充電的θ角大。但出于成本考慮和母線紋波電壓的要求，充電的θ角不會(huì)太離譜。如果有濾波電感這表不適用。
按照GB/T 7260.3-2003不間斷電源設(shè)備(UPS)第3部分:確定性能的方法和試驗(yàn)要求中資料性附錄基準(zhǔn)非線性負(fù)載的規(guī)定，以1000VA負(fù)載為例，RL＝121Ω,C=1210μf。具體規(guī)定參考續(xù)篇《逆變器如何面對(duì)整流濾波非線性負(fù)載？》。
從上表中讀出：θ＝24°,δ=65°
對(duì)于10ms的半周期，其導(dǎo)通時(shí)間為t=24/180*10ms=1.33 ms，這與下表的仿真結(jié)果非常接近。
注：Rs=0.2Ω，是線路阻抗
知道δ值在40-70度，θ值在20-40度之間，我們可以計(jì)算在二極管導(dǎo)通時(shí)電容和電阻上的電流。這種電路在沒有輸入阻抗限制，哪怕在穩(wěn)態(tài)時(shí)，整流橋輸出電流也比較大。
在圖中可以讀出，二極管從t=0開始導(dǎo)通，到t=θ/2，時(shí)達(dá)到峰值，所以電流峰值計(jì)算如下：
這與上述的仿真結(jié)果比較接近。
但無論峰值電流多大，由于電容沒有消耗電能，其整流橋輸出的電流平均值就是電阻上的平均值，二極管電流平均值是電阻上電流平均值的一半。
二極管的平均值電流很容易計(jì)算，但計(jì)算二極管損耗時(shí)需要有效值，就需要知道峰值系數(shù)。
對(duì)于非線性負(fù)載的設(shè)計(jì)，建議采用仿真獲得設(shè)計(jì)參數(shù)。
線路阻抗對(duì)電流的影響
線路阻抗電流的峰值會(huì)有很大的影響，阻抗從0.05Ω增加到5Ω，線路上峰值電流時(shí)的壓降僅U=IR=4*5=20V，在311V占比僅6%，但對(duì)抑制峰值電流效果很明顯。按照GB/T 7260.3-2003中基準(zhǔn)非線性負(fù)載的規(guī)定，串聯(lián)的線性電阻，其消耗有功功率為總表觀功率的4%。在實(shí)際系統(tǒng)設(shè)計(jì)中會(huì)采用交流側(cè)或直流側(cè)的電感，目的是降低系統(tǒng)的諧波電流，同時(shí)也減低峰值電流。
從理論分析和仿真模擬可以看出，整流二極管的應(yīng)力與線路阻抗有很大關(guān)系，實(shí)際系統(tǒng)需要滿足GB17625.1低壓電氣及電子設(shè)備發(fā)出的諧波電流限值（設(shè)備每相輸入電流≤16A）。如果是二極管整流，需要通過串聯(lián)電感來滿足諧波電流，這時(shí)峰值電流不會(huì)太大。
下一講預(yù)告
《整流電容濾波負(fù)載實(shí)例》
摘要：以家用空調(diào)作為單相整流電容濾波電路和英飛凌22kW通用變頻器為三相整流電容濾波電路為例，通過PLECS仿真驗(yàn)證設(shè)計(jì)參數(shù)，給出波形系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)值，方便工程計(jì)算。
來源：英飛凌工業(yè)半導(dǎo)體，作者：陳子穎
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