電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽(5)-整流電路

1 基本整流電路

1.1 ?基本整流電路

??整流就是將交流電轉(zhuǎn)換為直流電的過程，完成整流過程的電路稱為整流電路。整流電路的類型很多。根據(jù)采用器件的可控性，可以將整流電路分為不可控整流電路、半可控整流電路和全可控整流電路：
??（1）不可控整流電路：電路中的整流器件為不可控的整流二極管，其通斷完全由輸入電壓的極性決定，無法進(jìn)行控制。因此輸入電壓與輸出電壓的比值固定，輸入電壓一定時(shí)直流側(cè)輸出電壓無法根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)節(jié)。
??（2）半可控整流電路：電路中的整流器件為半可控器件晶閘管，通過控制晶閘管門極觸發(fā)脈沖的相位從而控制輸出電壓的高低，因此也稱為相控整流。
??（3）全可控整流電路：電路中的整流器件采用全可控整流器件，例如功率MOSFET、IGBT等。通常，該種電路采用脈寬調(diào)制(PWM)，通過調(diào)節(jié)PWM波的占空比來控制開關(guān)器件的通、斷時(shí)間，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓的調(diào)節(jié)，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)整流電路交流側(cè)電壓電流相位的控制進(jìn)而調(diào)節(jié)其功率因數(shù)。
??根據(jù)輸出波形與輸入波形的關(guān)系，可以將整流電路分為半波整流和全波整流。

1.2 ?半波整流電路

??半波整流電路是一種最簡(jiǎn)單的整流電路。因在整流過程中正弦波的交流電壓被“削掉”一半而得名。電路示意圖如圖1所示。
??從圖1可知，半波整流電路由變壓器 、整流二極管D1和負(fù)載電阻RL組成。變壓器把交流電壓降低為所需要的交流電壓 ，UL為負(fù)載兩端電壓。半波整流電路的具體整流過程如圖2所示。

??如圖2所示,U2 是方向和大小隨時(shí)間變化的正弦波電壓;在0~π的時(shí)間內(nèi)， U2為正,變壓器次級(jí)上端為正下端為負(fù)，則二極管 D1在正向電壓作用下導(dǎo)通, RL上的電壓 UL=U2;在 π~2π的時(shí)間內(nèi),U2 為負(fù),變壓器次級(jí)上端為負(fù),下端為正,則二極管D1在反向電壓的作用下截止, RL上無電壓……周而復(fù)始,交流電U2的負(fù)半周就被"削掉"了，在RL上獲得了一個(gè)單向直流電壓,達(dá)到了將交流電轉(zhuǎn)換為直流電的目的。因負(fù)載電壓RL 的大小仍隨時(shí)間不斷變化，通常將它稱為脈動(dòng)直流電壓。半波整流以犧牲一半功率為代價(jià)來換取整流效果，電能利用率很低。因此常用在高電壓、小電流的場(chǎng)合，而在一般無線電等裝置中很少采用。

1.3 ?全波整流電路

??全波整流電路是在半波整流電路的基礎(chǔ)上，稍加調(diào)整得到的一種能充分利用電能的整流電路。電路示意圖如圖3所示。
??圖3中，全波整流電路可以看作是由兩個(gè)半波整流電路組合而成的。變壓器次級(jí)線圈中間引出一個(gè)抽頭，把次級(jí)線圈分成兩個(gè)上下對(duì)稱的繞組，從而得到兩個(gè)大小相等但極性相反的電壓U2a、U2，構(gòu)成U2a、D1、RL與U2b、D2、RL兩個(gè)半波整流回路。全波整流電路的具體工作原理及其波形變換過程如圖4和圖5所示。

??如圖4(a)所示，在0~π 間內(nèi)，U2a對(duì)D1為正向電壓， U2b對(duì)D2為反向電壓，則D1正向?qū)?，D2反向截止，在RL上得到上正下負(fù)的半波電壓；如圖4(b)在時(shí)間π ~2π 內(nèi)，U2a對(duì)D1為反向電壓，U2b對(duì)D2為正向電壓，則D1反向截止，D2正向?qū)?，在RL上得到的仍然是上正下負(fù)的半波電壓。如此反復(fù)，由于兩個(gè)整流元件D1、D2輪流導(dǎo)電，在正半周、負(fù)半周兩個(gè)作用期間，負(fù)載電阻RL上都有同一方向的電流通過，因此稱為全波整流。
??全波整流巧妙地利用兩個(gè)整流二極管交替導(dǎo)通，相對(duì)于半波整流電路電能利用率提高了一倍，從而大大地提高了整流效率。但如圖3所示，全波整濾電路需要變壓器次級(jí)線圈具有一個(gè)使上下兩端完全對(duì)稱的中心抽頭，增加了變壓器制作工藝上復(fù)雜度。另外，相比半波整流電路每只整流二極管承受的最大反向電壓增加一倍，因此需要耐高壓的二極管。

1.4 ?橋式整流濾波電路

??橋式整流電路是在實(shí)際電路中使用最多的一種整流電路。

??橋式整流電路因利用四個(gè)整流二極管連接成"橋"式結(jié)構(gòu)而得名。橋式整流電路具有全波整流電路的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)在一定程度上克服了它的缺點(diǎn)。橋式整流電路的工作原理如圖7和圖8所示。
??在圖7中，U2為正半周0~π時(shí)，對(duì)D1、D3為正向電壓，對(duì)D2、D4為反向電壓，則 D1、D3正向?qū)?，D2 、D4反向截止，此時(shí)U2、D1、RL、D3在電路中構(gòu)成通電回路，在 RL上形成上正下負(fù)的半波正弦電壓；在圖8中，U2為負(fù)半周π ~2π時(shí)，對(duì)D1、D3為反向電壓，對(duì)D2、D4為正向電壓，則D1、D3反向截止，D2、D4正向?qū)ǎ藭r(shí)U2、D2、RL 、D4在電路中構(gòu)成通電回路，同樣在 RL上形成上正下負(fù)的半波正弦電壓。周而復(fù)始，在RL上便得到全波整流電壓。其波形變換圖和全波整流波形變換圖完全一樣。同時(shí)從圖7和8中還不難看出，橋式整流電路中每只整流二極管所承受的反向電壓為變壓器次級(jí)電壓的最大值，相比全波整流電路減小一半！
??以上講述的整流電路輸出電流均為脈動(dòng)電流，但在大多數(shù)應(yīng)用中要求整流電路輸出為盡可能平滑的直流電，即脈動(dòng)系數(shù)盡可能小。因此通常需要在整流電路之后接一個(gè)大容量電容進(jìn)行濾波，具體電路如圖9所示。

2 ?高功率因數(shù)整流技術(shù)

??功率因數(shù)是對(duì)電能進(jìn)行安全有效利用的衡量標(biāo)準(zhǔn)之一，功率因數(shù)值越低，代表電力電子設(shè)備的電能利用率越低，即電力公司除了有效功率外，還要提供與工作非相關(guān)的虛功，這導(dǎo)致需要更大的發(fā)電機(jī)、轉(zhuǎn)換機(jī)、輸送工具、纜線及額外的配送系統(tǒng)等事實(shí)上可被省略的設(shè)施，以彌補(bǔ)損耗的不足。同時(shí)波形畸變帶來的大量諧波會(huì)污染電網(wǎng)，進(jìn)而影響電網(wǎng)上其他用電設(shè)備的工作。因此高功率因數(shù)整流技術(shù)就顯得很有必要。
??引起功率因數(shù)下降的原因有兩點(diǎn)：1．電容或電感引起電壓和電流的相位偏移；2．因有源器件引起的波形失真。

2.1 ?APFC的控制方式

? ? ? APFC的工作原理就是要保證在交流輸入側(cè)的電流波形呈正弦波且與電壓正弦波同相，因此所有的控制方式都是圍繞這個(gè)目的展開。
??在APFC的控制方式中，根據(jù)是否直接選取輸入電流的瞬時(shí)值作為反饋量，可以分為間接電流控制和直接電流控制。?

2.2 ?有源功率因數(shù)校正

??Boost拓?fù)溆性垂β室驍?shù)校正電路是一種最常用的APFC電路結(jié)構(gòu)。Boost拓?fù)溆性垂β室驍?shù)校正電路的其基本思路是二極管整流橋后用一個(gè)Boost斬波電路代替原來的大容量濾波電容，以消除因電容的充電造成的電流波形畸變及相位的變化。利用前面所述的APFC的控制方式來控制Boost斬波電路中的開關(guān)管的通斷。電路原理圖如圖10所示。

??圖10中，二極管整流橋輸出正弦波脈動(dòng)電壓，開關(guān)管在高頻PWM波控制下快速通斷，每一個(gè)高頻開關(guān)周期內(nèi)，電流呈現(xiàn)三角波，但這些三角波的峰值的包絡(luò)呈現(xiàn)正弦波脈動(dòng)，與電壓波形相同，從而實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正。?

3 ?同步整流技術(shù)

??隨著電源技術(shù)的發(fā)展，對(duì)功耗的要求越來越高，這就要求在電源設(shè)計(jì)的過程中盡量降低損耗。而整流電路作為開關(guān)電源中的關(guān)鍵部分，其主要元器件為整流二極管。因?yàn)閷?dǎo)通壓降的存在，整流二極管會(huì)引起巨大損耗，尤其在大電流的工作環(huán)境下其損耗更是驚人。巨大的損耗導(dǎo)致電源效率降低，同時(shí)損耗產(chǎn)生的熱能導(dǎo)致整流二極管發(fā)熱進(jìn)而使開關(guān)電源的溫度上升，造成后級(jí)用電設(shè)備系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定，影響其使用壽命，危害極大。
??為了解決這些問題，就必須尋找更好的整流方式、整流器件。同步整流技術(shù)和通態(tài)電阻極低的功率MOSFET管自然而然得到電子工程師的青睞！??

3.1?同步整流的概念

3.2 全橋同步整流

? ? ? ? 在前面著重講解了全橋整流濾波電路，如圖11所示。在圖11中，利用4個(gè)整流二極管構(gòu)成“橋式”電路結(jié)構(gòu)，利用其交替導(dǎo)通來實(shí)現(xiàn)整流。如前所述由于整流二極管導(dǎo)通壓降的存在，會(huì)引起巨大的損耗。若將其中的4個(gè)整流二極管全部由通態(tài)損耗低的功率MOSFET管代替，即可構(gòu)成常見的全橋式同步整流電路。具體電路如圖12所示。

??與二極管橋式整流電路一樣，全橋式同步整流電路中的四個(gè)功率MOSFET管被分為兩組Q1、Q3和Q2、Q4，由兩組PWM波Ho,Lo控制交替導(dǎo)通。Ho,Lo是頻率與輸入交流電頻率相同、占空比為50%的兩組PWM信號(hào)，可由專用控制IC或微處理器產(chǎn)生。在正半周，Ho為高電平，驅(qū)動(dòng)Q1、Q3導(dǎo)通，Lo為低電平，Q2、Q4關(guān)斷；在負(fù)半周，Ho為低電平，驅(qū)動(dòng)Q1、Q3導(dǎo)通，Lo為高電平，Q2、Q4關(guān)斷。同時(shí)，為避免Q1、Q2或Q3、Q4兩個(gè)功率MOSFET管同時(shí)導(dǎo)通造成短路而損毀電源。Ho,Lo兩組PWM信號(hào)要加入一定量的死區(qū)時(shí)間。
??下面通過應(yīng)用實(shí)例來進(jìn)一步加深對(duì)于全橋式同步整流的理解。

??上圖中，采用低損耗N溝道MOSFET替代了全波橋式整流器中的全部4個(gè)二極管，以顯著地降低功率耗散。同時(shí)采用凌力爾特公司的理想二極管橋控制器LT4320，作為控制器產(chǎn)生PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)。LT4320可設(shè)計(jì)用于DC至60Hz電壓整流，LT4320開關(guān)控制電路通過檢測(cè)輸入交流電壓的頻率自動(dòng)輸出兩組PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)，平穩(wěn)地驅(qū)動(dòng)兩個(gè)適當(dāng)?shù)墓β蔒OSFET管導(dǎo)通，同時(shí)將另外兩個(gè)功率MOSFET管保持在關(guān)斷狀態(tài)以防止反向電流，實(shí)現(xiàn)同步整流。?

     

      

       

        

         

          
           

            

             

              

               

                

                 

                  

                   
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