電子設(shè)計競賽(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、斷時間，實現(xiàn)對輸出電壓的調(diào)節(jié)，同時可以實現(xiàn)對整流電路交流側(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 是方向和大小隨時間變化的正弦波電壓;在0~π的時間內(nèi)， U2為正,變壓器次級上端為正下端為負(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的時間內(nèi),U2 為負(fù),變壓器次級上端為負(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 的大小仍隨時間不斷變化，通常將它稱為脈動直流電壓。半波整流以犧牲一半功率為代價來換取整流效果，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半波整流電路組合而成的。變壓器次級線圈中間引出一個抽頭，把次級線圈分成兩個上下對稱的繞組，從而得到兩個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D1為正向電壓， U2b對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)在時間π ~2π 內(nèi)，U2a對D1為反向電壓，U2b對D2為正向電壓，則D1反向截止，D2正向?qū)ǎ赗L上得到的仍然是上正下負(fù)的半波電壓。如此反復(fù)，由于兩個整流元件D1、D2輪流導(dǎo)電，在正半周、負(fù)半周兩個作用期間，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整流二極管交替導(dǎo)通，相對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線圈具有一個使上下兩端完全對稱的中心抽頭，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，同時在一定程度上克服了它的缺點。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，對D1、D3為正向電壓，對D2、D4為反向電壓，則 D1、D3正向?qū)?，D2 、D4反向截止，此時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，對D1、D3為反向電壓，對D2、D4為正向電壓，則D1、D3反向截止，D2、D4正向?qū)?，此時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，即脈動系數(shù)盡可能小。因此通常需要在整流電路之后接一個大容量電容進(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)等事實上可被省略的設(shè)施，以彌補(bǔ)損耗的不足。同時波形畸變帶來的大量諧波會污染電網(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：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電壓，開關(guān)管在高頻PWM波控制下快速通斷，每一個高頻開關(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，與電壓波形相同，從而實現(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，對功耗的要求越來越高，這就要求在電源設(shè)計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。因為導(dǎo)通壓降的存在，整流二極管會引起巨大損耗，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)通來實現(xiàn)整流。如前所述由于整流二極管導(dǎo)通壓降的存在，會引起巨大的損耗。若將其中的4個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，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Q1、Q3導(dǎo)通，Lo為高電平，Q2、Q4關(guān)斷。同時，為避免Q1、Q2或Q3、Q4兩個功率MOSFET管同時導(dǎo)通造成短路而損毀電源。Ho,Lo兩組PWM信號要加入一定量的死區(qū)時間。
??下面通過應(yīng)用實例來進(jìn)一步加深對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個二極管，以顯著地降低功率耗散。同時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)動信號。LT4320可設(shè)計用于DC至60Hz電壓整流，LT4320開關(guān)控制電路通過檢測輸入交流電壓的頻率自動輸出兩組PWM驅(qū)動信號，平穩(wěn)地驅(qū)動兩個適當(dāng)?shù)墓β蔒OSFET管導(dǎo)通，同時將另外兩個功率MOSFET管保持在關(guān)斷狀態(tài)以防止反向電流，實現(xiàn)同步整流。?

     

      

       

        

         

          
           

            

             

              

               

                

                 

                  

                   
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