單相橋式整流在MATLAB仿真波形圖，以及原理分析

什么是單相橋式整流電路：

電路中采用四個(gè)二極管，互相接成橋式結(jié)構(gòu)。利用二極管的電流導(dǎo)向作用，在交流輸入電壓U2的正半周內(nèi)，二極管D1、D3導(dǎo)通，D2、D4截止，在負(fù)載RL上得到上正下負(fù)的輸出電壓；在負(fù)半周內(nèi)，正好相反，D1、D3截止，D2、D4導(dǎo)通，流過(guò)負(fù)載RL的電流方向與正半周一致。因此，利用變壓器的一個(gè)副邊繞組和四個(gè)二極管，使得在交流電源的正、負(fù)半周內(nèi)，整流電路的負(fù)載上都有方向不變的脈動(dòng)直流電壓和電流。橋式整流的名稱只是說(shuō)明電路連接方法是橋式的接法，橋式整流二極管：大家常用的一般是由4只單個(gè)二極管封裝在一起的元件，取名橋式整流二極管，整流橋或全橋二極管。

單相橋式整流電路如圖1（a）所示，圖中Tr為電源變壓器，它的作用是將交流電網(wǎng)電壓vI變成整流電路要求的交流電壓 ，RL是要求直流供電的負(fù)載電阻，四只整流二極管D1～D4接成電橋的形式，故有橋式整流電路之稱。

單相橋式整流電路的工作原理可分析如下。為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，二極管用理想模型來(lái)處理，即正向?qū)娮铻榱?，反向電阻為無(wú)窮大。

在v2的正半周，電流從變壓器副邊線圈的上端流出，只能經(jīng)過(guò)二極管D1流向RL，再由二極管D3流回變壓器，所以D1、D3正向?qū)?，D2、D4反偏截止。在負(fù)載上產(chǎn)生一個(gè)極性為上正下負(fù)的輸出電壓。其電流通路可用圖1（a）中實(shí)線箭頭表示。

在v2的負(fù)半周，其極性與圖示相反，電流從變壓器副邊線圈的下端流出，只能經(jīng)過(guò)二極管D2流向RL，再由二極管D4流回變壓器，所以D1、D3反偏截止，D2、D4正向?qū)?。電流流過(guò)RL時(shí)產(chǎn)生的電壓極性仍是上正下負(fù)，與正半周時(shí)相同。其電流通路如圖1（a）中虛線箭頭所示。

綜上所述，橋式整流電路巧妙地利用了二極管的單向?qū)щ娦裕瑢⑺膫€(gè)二極管分為兩組，根據(jù)變壓器副邊電壓的極性分別導(dǎo)通，將變壓器副邊電壓的正極性端與負(fù)載電阻的上端相連，負(fù)極性端與負(fù)載電阻的下端相連，使負(fù)載上始終可以得到一個(gè)單方向的脈動(dòng)電壓。

根據(jù)上述分析，可得橋式整流電路的工作波形如圖2。由圖可見(jiàn)，通過(guò)負(fù)載RL的電流iL以及電壓vL的波形都是單方向的全波脈動(dòng)波形。

橋式整流電路的優(yōu)點(diǎn)是輸出電壓高，紋波電壓較小，管子所承受的最大反向電壓較低，同時(shí)因電源變壓器在正、負(fù)半周內(nèi)都有電流供給負(fù)載，電源變壓器得到了充分的利用，效率較高。因此，這種電路在半導(dǎo)體整流電路中得到了頗為廣泛的應(yīng)用。電路的缺點(diǎn)是二極管用得較多，但目前市場(chǎng)上已有整流橋堆出售，如QL51A～G、QL62A～L等，其中QL62A～L的額定電流為2A，最大反向電壓為25～1000V。

單相橋式全控整流電路圖（帶電阻性負(fù)載）如圖1所示，電路由交流電源u1、整流變壓器T、晶閘管VT1～4、負(fù)載R以及觸發(fā)電路組成。其中晶閘管VT1和VT4、晶閘管VT2和VT3各組成一對(duì)橋臂，又由于晶閘管具有單向可控導(dǎo)電性能，所以在變壓器的二次電壓u2的正半周，晶閘管VT1和VT3被觸發(fā)，負(fù)半周時(shí)晶閘管VT2和VT3被觸發(fā)。在u2的正半周時(shí)（a點(diǎn)電位高于b點(diǎn)電位），如果4個(gè)晶閘管都不導(dǎo)通，負(fù)載電流id為0，負(fù)載電壓也為0，VT1、VT4串聯(lián)承受電壓u2，設(shè)VT1和VT4的漏電阻相等，則各承受u2的一半。若在觸發(fā)角α處給VT1和VT4。加觸發(fā)脈沖，VT1和VT4導(dǎo)通，電流從電源a端經(jīng)VT1、R、VT4流回電源b端。當(dāng)u2過(guò)0的時(shí)候，流過(guò)晶閘管的電流也降到0，VT1和VT4關(guān)斷。

在u2的正半周時(shí)，仍在觸發(fā)延遲角的α處觸發(fā)延遲VT2和VT3（VT2和VT3的α=0處為wt=π），VT2和VT3導(dǎo)通，電流從電源b端流出，經(jīng)VT3、R、VT2流回電源a端。到u2過(guò)0時(shí)，電流又降為0，VT2和VT3關(guān)斷。此后又是VT1和VT4導(dǎo)通，如此循環(huán)工作下去。

2.1 單相橋式電路的仿真模型

單相橋式全控整流電路主要由交流電源、晶閘管、RLC負(fù)載等構(gòu)成，其在MATLAB/Simulink仿真模型如圖2所示。由于在SIMULINK庫(kù)中沒(méi)有專用的單相橋式整流電路的觸發(fā)模塊，這里用三相橋的觸發(fā)器（Synchronized 6-pulse Generator）來(lái)產(chǎn)生晶閘管VT1、VT4和VT2、VT3的觸發(fā)脈沖，如圖4所示，用電壓測(cè)量取得變壓器二次電壓信號(hào)作為觸發(fā)器的同步信號(hào)，信號(hào)從觸發(fā)器AB端輸入，觸發(fā)器的BC、CA端和BLOCk端用常數(shù)模塊置“0”，Synchronized 6-pulse Generator產(chǎn)生6路觸發(fā)信號(hào)，通過(guò)Demux分解并與變壓器的二次電壓的相位比較，圖4上為變壓

器二次電壓波形，中間為第6路觸發(fā)脈沖，下為第4路觸發(fā)脈沖，此脈沖信號(hào)與正弦信號(hào)比較的時(shí)候，這二路信號(hào)可以滿足單相橋的觸發(fā)和移相控制要求，因此將第6路觸發(fā)脈沖連接VT1和VT4控制板，第4路觸發(fā)脈沖連接VT2和VT3控制板。

2.2 仿真參數(shù)設(shè)置

（1）電壓源參數(shù)。電壓源為AC，電壓為220V，頻率50Hz，輸入電壓峰值為220*sqrt（2）。

（2）變壓器參數(shù)。電壓為220V（有效值），二次電壓為100V（有效值）。

（3）晶閘管使用默認(rèn)參數(shù)。

（4）負(fù)載RLC的參數(shù)。根據(jù)具體情況設(shè)置

（5）脈沖發(fā)生器Synchronized 6-pulse Generator的參數(shù)：同步頻率為50Hz，脈沖寬度取10°。

（6）電阻負(fù)載角度α參數(shù)：α=0°、30°、60°、120°。

（7）系統(tǒng)仿真參數(shù)：開始時(shí)間選0，可變步長(zhǎng)，仿真數(shù)值選ode23，誤差選擇0.001。

2.3 仿真結(jié)果及其分析

圖3～5為電阻性負(fù)載時(shí)的電壓和電流輸出波形，圖6～8為阻感負(fù)載時(shí)的電壓和電流的輸出波形。圖3和圖4波形表明電壓和電流都是脈動(dòng)的，電源的交流電經(jīng)過(guò)整流器后成為了直流電，實(shí)現(xiàn)了整流的功能，波形呈現(xiàn)周期性正弦半波，整流后的電壓和電流形狀相似。圖3、圖4和圖5的電壓電流波形已隨控制角變化，隨著控制角的增加，輸出電壓的平均值減小，輸出電流也隨之下降。圖6～圖相比較圖3～5，整流輸出電流脈動(dòng)明顯小，說(shuō)明輸出電感具有濾波的作用。

本文在MATLAB軟件中對(duì)單相橋式全控整流電路進(jìn)行了建模與仿真，分別在負(fù)載為0°、30°和60°時(shí)對(duì)電路進(jìn)行了仿真，得出的結(jié)果與理論相一致，為技術(shù)人員學(xué)習(xí)和生活中的各種應(yīng)用提供了很好的思路。