合肥工业大学电力电子技术第十六讲第五章

1、 凡能将交流电能转换为直流电能的电路统称为整流电路，简称为AC-DC。 整流电路是出现最早的电力电子电路，自20世纪20年代至今已经历了以下几种类型：u旋转式变流机组（交流电动机-直流发电机组）u静止式离子整流器和静止式半导体整流器 整流电路有多种分类方法u按交流电源输入相数来分类，可分为单相与多相整流电路u按电路结构来分类，可分为半波、全波与桥式整流电路u若按整流电路中使用的电力电子器件来划分，可分为不控整流电路、相控电路、PWM整流电路 5.1 概述 利用功率二极管的单相导电性可以十分简单地实现交流直流电力变换。 由于二极管整流电路输出的直流电压只与交流输入电压的大小有关，不能控制其数值，

2、故称为不控整流电路。5.2 不控整流电路t0223二极管导通情况VD1导通VD1截止VD1导通负载电压udu20u2负载电流idu2/R0u2/R二极管端电压uVD10u20负载电压平均值Ud 电源变压器副边电压有效值为U202245. 0)(dsin221UttU 5.2.1 单相不控整流电路图5-1 单相半波整流电路带电阻性负载电路及波形 表5-1 单相半波不控整流电路电阻负载时各区间工作情况不带续流二极管的单相半波整流电路带阻感负载电路及波形 t0t1t12二极管导通情况VD1导通VD1导通 VD1截止负载电压udu2u20负载电流id有有0二极管端电压uVD100u2 5.2.1 单相

3、不控整流电路表5-2 单相半波不控整流电路阻感负载时各区间各区间工作情况带续流二极管的单相半波整流电路带阻感负载电路及带大电感负载电流波形波形 t02二极管导通情况VD1导通、VD2截止VD1截止、VD2导通负载电压udu20负载电流id水平直线整流二极管电流iVD1矩形波0续流二极管电流iVD20矩形波整流二极管端电压uVD10u2续流二极管端电压uVD2-|u2|0 5.2.1 单相不控整流电路表5-3 单相半波不控整流电路大电感负载带续流二极管时各区间工作情况 半波整流负载电压仅为交流电源的正半周电压，造成交流电源利用率偏低，输出脉动大，因此使用范围较窄。 若能经过变换将交流电源的负半周

4、电压也得到利用，即获得图5-2a中的负载电压波形，则负载电压平均值Ud可提高1倍，电源利用率大大提高。 采用单相全波整流电路单相全波整流电路 5.2.1 单相不控整流电路单相半波整流电路带电阻性负载电路及波形 图5-2a 单相全波整流电路负载电压波形 单相全波整流电路图5-2 单相全波整流负载电压波形a)单相全波整流电路负载电压波形 b)单相全波整流电路 c)交流输入正半周整流电路工作图 d)交流输入负半周整流电路工作图 5.2.1 单相不控整流电路t02二极管导通情况VD1导通、VD2截止VD2导通、VD1截止ud|u2|u2|uVD1和uVD2uVD1=0，uVD2= -2|u2|uVD1

5、= -2|u2|，uVD2=0Ud 5.2.1 单相不控整流电路0229 . 0)(dsin21UttU表5-4 单相全波整流电路各区间工作情况图5-3 单相桥式整流电路图5-2 单相全波整流电路 5.2.1 单相不控整流电路222U单相全波整流电路必须要有一个带中心抽头的变压器，且二极管承受的最高电压为 。为获得全波整流电路的负载电压波形，并克服全波整流电路的缺点，可采用桥式整流电路a)单相桥式整流电路 b)交流输入正半周单相桥式整流电路工作图 c)交流输入负半周单相桥式整流电路工作图 5.2.1 单相不控整流电路t02二极管导通情况VD1和VD4导通、VD2和VD3截止VD2和VD3导通、

6、VD1和VD4截止ud|u2|u2|uVDuVD1,4=0， uVD2,3= -|u2|uVD2,3=0， uVD1,4= -|u2|Ud0229 . 0)(dsin21UttU 5.2.1 单相不控整流电路表5-5 单相桥式整流电路各区间工作情况 在单相输入的AC-DC整流电路中，单相桥式整流电路应用极为广泛。 半波整流电路交流电源电流是单方向的，电源变压器存在直流磁化现象，是半波整流电路的应用不广泛的主要原因之一。 而桥式和全波电路电源电流双向流动，使交流电源得到充分利用，也不存在电源变压器直流磁化现象。 5.2.1 单相不控整流电路 单相交流整流电路所能提供的功率通常限制在2.5kW以下

7、，要求更大功率直流电源的设备就需要利用三相交流电源和三相整流电路，其中最普及的是三相桥式整流电路。 由于三相桥式整流电路多用于中、大功率场合，因此很少采用单个二极管进行组合，而多采用三相整流模块，如图5-4a所示。图5-4 三相桥式整流电路 5.2.2 三相不控整流电路 整流模块电路 共阴极组的3个二极管中阳极所接交流电压值最高的一个二极管导通； 共阳极组的3个二极管中阴极所接交流电压值最低的一个二极管导通。 即任意时刻共阳极组和共阴极组中各有1个二极管处于导通状态。图5-4 三相桥式整流电路和负载电压波形 5.2.2 三相不控整流电路 电路电压波形时 段IIIIIIIVVVI共阴极组中导通的

8、二极管VD1VD1VD3VD3VD5VD5共阳极组中导通的二极管VD6VD2VD2VD4VD4VD6整流输出电压uduabuacubcubaucaucb整流电压平均值Ud2323234. 2)(dsin2331UttU 表5-6 三相桥式整流电路各区间工作情况 5.2.2 三相不控整流电路 将负载电压ud波形中的一个周期分成6段，每段60，每段导通的二极管及输出整流电压的情况如表5-6所示。 交流电经过二极管整流后方向单一，但是大小还是处在不断地变化之中。这种脉动直流一般不能直接给装置供电。要把脉动直流变成波形平滑的直流，还需要再做一番“填平取齐”的工作，这便是滤波。 滤波的任务，就是把整流器

9、输出电压或电流中的波动成分尽可能地减小，改造成接近恒定值的直流电。 常用的滤波电路有电容滤波电路、电感滤波电路和复式滤波电路。 5.2.3 整流滤波电路 5.2.3 整流滤波电路 1电容滤波电路电容滤波电路 将电容作为储能元件，利用了电容两端电压不能突变的特点。 目前大量普及的微机、电视机等家电产品中所采用的开关电源中，通常都是在单相桥式不控整流桥后面并联一个较大阀值的滤波电容，如图5-5a所示。图5-5 电容滤波的单相桥式不可控整流电路及工作波形图5-5 电容滤波的单相桥式不可控整流电路及工作波形 5.2.3 整流滤波电路 在t=0时刻，交流电压u2高于电容电压ud，二极管VD1和VD4导通

10、，交流电源开始向电容C充电，并为负载提供能量； 电容电压逐步升高，当整流桥输出电压低于电容电压时，二极管VD1和VD4关断，此后电容C放电，为负载提供能量，直至二极管VD2和VD3导通；该过程周而复始。电路负载电压波形 负载固定的情况下，电容器C的容量越大，充电和放电所需要的时间越长。 空载时，由于电容C储存的电荷无法释放， 。重载时由于负载电阻值很小，Ud逐渐趋向于0.9U2。 显然，电容C的容量越大，滤波效果越好，输出波形越趋于平滑，输出电压Ud也越高。但是，当电容容量达到一定值以后，再加大电容容量对提高滤波效果已无明显作用。 5.2.3 整流滤波电路 图5-5 电容滤波的单相桥式不可控整

11、流电路及工作波形电路负载电压波形2d2UU 5.2.3 整流滤波电路 电容滤波电路最为普及。 注意注意：在电容滤波电路中，当电路接入电网时瞬间，电容的充电过程会导致电流浪涌，因此在实际应用时要考虑整流桥的抗浪涌能力。 也可采用图5-8所示的抗浪涌电路，也称作软起电路。图5-8 单相桥式不可控整流电路的抗浪涌电路 5.2.3 整流滤波电路 2电感滤波电路电感滤波电路 电容滤波电路利用了电容两端电压不能突变的特点，可实现电压平滑。 电感滤波电路则是利用电感两端的电流不能突变的特点，使输出电流平滑。 电感有电流平波作用。电感滤波电路及对应的负载电流波形如图5-6所示。图5-6 电感滤波的单相桥式不可

12、控整流电路及工作波形 5.2.3 整流滤波电路 对于负载而言，采用大电容滤波的整流电路相当于直流电压源，而采用大电感滤波的整流电路相当于直流电流源。 5.2.3 整流滤波电路 3复式滤波电路复式滤波电路 复式滤波器的组成。 图5-7所示是由电感与电容组成的LC滤波器，其滤波效能很高，适用于负载电流较大、要求纹波很小的场合。但是由于电感体积和重量大，成本也较高。图5-7 电感和电容组成的复式滤波的单相桥式不可控整流电路及工作波形 5.2.4 倍压、倍流不控整流电路 1倍压不控整流电路 世界各国的市电电压（单相电压）并不完全一样，有的单相电压有效值为110V，有的为220V（或230V），如我国的

13、市电电压标准为220V。为适应不同国家的需要，实现两种输入电源的转换，可采用图5-9所示的倍压整流技术。图5-9 倍压不可控整流电路 5.2.4 倍压、倍流不控整流电路 两种输入交流电压的转换由开关S来完成。 当开关S闭合时，电路在110V交流输入电压下工作。在交流电的正半周，通过VD1，C1上的电压被充电到交流电压的峰值ud/2。而在交流电的负半周，C2上的电压通过VD2也被充电达到交流电压的峰值ud/2，电路输出的直流电压应为C1和C2上充电电压之和，即ud。 当开关S打开时，二极管VD1VD4组成了全桥整流电路，对输入的交流220V进行整流，也同样产生数值为ud的直流电压。5.2.4 倍

14、压、倍流不控整流电路直接耦合式直接耦合式GTO驱动电路驱动电路：二极管VD1和电容C1提供+5V电压VD2、VD3、C2、C3构成倍压整流电路提供+15V电压VD4和电容C4提供-15V电压V1开通时，输出正强脉冲V2开通时输出正脉冲平顶部分V2关断而V3开通时输出负脉冲V3关断后R3和R4提供门极负偏压50kHz50VGTON1N2N3C1C3C4C2R1R2R3R4V1V3V2LVD1VD2VD3VD4BAoC 2倍流不控整流电路 出于电隔离和电压匹配的需要，在DC/DC变换中常采用间接变换方案，即含有DC-AC-DC的直流变换电路。其输出端整流电路属于高频整流电路，输出为正负对称的方波。

15、 当输出为低压大电流时，传统的桥式整流电路中存在两个二极管压降，二极管的导通损耗会大大降低电路的效率；而全波整流电路虽然只需要2个二极管，损耗小，但变压器二次侧绕组有中心抽头，给高频变压器的绕制带来困难。 5.2.4 倍压、倍流不控整流电路 5.2.4 倍压、倍流不控整流电路 倍流整流电路变压器二次侧匝数与全波整流电路相等，比全桥电路多一倍，但不用中心抽头 电路中只有两个二极管，绕组中的电流iT只是输出电流iL的一半。换句话说，输出电流iL是绕组电流iT的两倍，这也是倍流整流电路得名的由来。图5-10 倍流整流电路 5.2.4 倍压、倍流不控整流电路 t0t1段，电源电压uT处于正半周，二极管

16、VD1截止，VD2正偏导通，iL1由电源经L1、VD2和负载R流过，为负载R提供能量，同时L1储能，因此该段被称为L1储能期。 而L2经VD2释放能量给R，iL1和iL2流动方向如图c所示，iL=iL1+iL22iL1。c） 图5-10 倍流整流电路 t2t3段，电源电压uT处于负半周，二极管VD1正偏导通，VD2截止，iL2由电源经L2、VD1和负载R流过，为负载R提供能量，同时L2储能，而L1经VD1释放能量给R，因此该段被称为L1放能期。 iL1和iL2流动方向如图d所示，iL=iL1+iL22iL1。 5.2.4 倍压、倍流不控整流电路 d） t1t2段和t3t4，电源电压uT=0，L

17、1和L2分别通过VD1和VD2续流，为R提供能量，该段被称为L1L2放能区。 iL1和iL2流动方向如图e所示，iL=iL1+iL22iL1。 5.2.4 倍压、倍流不控整流电路 e） 与全波整流电路相比，虽然用了两个滤波电感，但由于流过的电流只为负载电流的一半，故电感量可小一些，绕制电感的导线可细一些，因此电感体积缩小不少，两个电感的体积和重量与全波整流电路的滤波电感差不多。 5.2.4 倍压、倍流不控整流电路 图5-10 倍流整流电路 若将不控整流电路中的整流二极管换成晶闸管或GTR等全控器件，则整流电路就成为可控整流电路。 其中以晶闸管为整流器件的相控整流电路是经典的可控整流电路，该整流

18、电路有多种形式，其负载有电阻负载、阻感负载和反电势负载等，负载的性质不同，晶闸管整流电路的工作情况也不一样，但它们都基于一个工作原理移相控制技术。 5.3 相控整流电路 5.3.1 移相控制技术 在分析晶闸管可控整流电路时，为便于分析，认为晶闸管为理理想开关元件想开关元件，即晶闸管导通时管压降为零，关断时漏电流为零，且认为晶闸管的导通与关断瞬时完成。 将图5-1中的二极管换成晶闸管即组成单相半波相控整流电路，但该电路输出脉动大，且易造成电源变压器铁心直流磁化，实际上很少采用。TVTR0a)u1u2uVTudidt12ttttu2uguduVT0b)c)d)e)005.3.1 移相控制技术 将单

19、相桥式不控整流电路中的二极管换成晶闸管，即构成单相桥式相控整流电路，如图5-11a所示。VT1VT4组成可控整流桥，由整流变压器T供电，u1为变压器一次侧电压，变压器二次侧出线连接在桥臂的中点a、b端上，变压器二次侧电压u2 ，R为纯负载电阻。图5-11 带电阻负载的单相 桥式相控整流电路和波形5.3.1 移相控制技术 在u2的正半周，a点电位高于b点电位，若4个晶闸管均不导通，负载电流id为零，负载电压ud也为零，假设各晶闸管漏电阻相等，则VT1和VT4各分担u2/2的正向电压，VT2和VT3各分担u2/2的反向电压。 在t=时刻，给VT1和VT4施加触发脉冲uG，此时VT1和VT4承受正压

20、而导通，ud=u2；VT2和VT3承受u2的反向电压，id=u2/R；5.3.1 移相控制技术 当u2过零时，流经晶闸管的电流也降到零，VT1和VT4关断，而此时VT2和VT3尚无触发脉冲，处于截止状态，VT2和VT3各分担u2/2的正向电压，VT1和VT4各分担u2/2的反向电压，ud=0。 在u2的负半周，在t=+时刻给VT2和VT3施加触发脉冲，VT2和VT3导通，ud=-u2=|u2|；VT1和VT4承受u2的反向电压；当u2进入正半周时，VT2和VT3关断。 图5-11 带电阻负载的单相 桥式相控整流电路和波形5.3.1 移相控制技术 触发角触发角 也可称作控制角，指从晶闸管开始承受正向阳极电压起到施加触发脉冲止的电角度。晶闸管可控整流电路是通过控制触发角的大小，即控制触发脉冲控制触发脉冲起始相位来控制输出电压大小起始相位来控制输出电压大小，故称为相控电路。 导通角导通角 指晶闸管在一个周期中处于通态的电角度，图5-11中4个晶闸管的导通角均为-。几个重要概念：5.3.1 移相控制技术 移相移相 改变触发脉冲出现的时刻，即改变触发角的大小，称为移相。通过改变触发角的大小，可使整流平均电压ud发生变化的