單相橋式二極管整流電路

1、單相橋式二極管整流電路電力電子技術(shù)的基本概況二極管整流電路 單相橋式二極管整流電路idisiL +us(t) - +ud -Cd Ls交流輸入等效模型并聯(lián)在直流側(cè)的大電容起濾波作用 二極管整流電路 1.1 Ls = 0 的理想電路idisiL +us(t) - +ud -Cd Ls 假定Ls= 0，用電阻R或直流電流源表示整流電路的直流側(cè)。idis +us(t) -udNPRVD4VD3VD2VD1idis +us(t) -udNPVD4VD3VD2VD1id二極管整流電路 + Ed- +u s -uDuL udLi在整流電路直流輸出部分一般都要串聯(lián)一個(gè)大電感，如圖所示，以得到平穩(wěn)的輸出電流。

2、 idis +us(t) -udNPVD4VD3VD2VD1id用恒定直流電流源近似表示感性負(fù)載，是整流電路的分析中是常用的方法。 二極管整流電路 idisudP VD4N VD1 VD2 VD3 id +us(t) -當(dāng)us(t)大于零時(shí)，二極管VD1有id流過(guò)，us(t)將作為反向偏置電壓施加在二極管VD3上。因Ls =0，電流id瞬間轉(zhuǎn)向二極管VD3，反向偏置電壓施加在二極管VD1上。 當(dāng)us(t)小于零時(shí)，二極管整流電路 idisudP VD4N VD1 VD2 VD3 id +us(t) -當(dāng)us(t)大于零時(shí)，二極管VD2流過(guò)電流id，us(t)作為反向偏置電壓施加在二極管VD4上

3、。 電流id瞬間轉(zhuǎn)向二極管VD4，電源電壓對(duì)二極管VD2呈現(xiàn)反偏。 當(dāng)us(t)小于零時(shí)，二極管整流電路 0tusist0Idt=0udidt0usIdt0t=0id=Idud兩個(gè)電路中，當(dāng)us大于零時(shí)，二極管VD1和VD2導(dǎo)通，此時(shí)，ud = us(t)，is=id ; 當(dāng)us(t)小于零時(shí)，二極管VD3和VD4導(dǎo)通，則ud = us(t)，is= id。二極管整流電路 idisudP VD4N VD1 VD2 VD3 id +us(t) -直流側(cè)輸出電壓為：交流側(cè)電流為：假定Ls = 0，兩個(gè)電流值之間的轉(zhuǎn)換瞬時(shí)完成。二極管整流電路 0tusist0Idt=0udidt0usIdt0t=0

4、id=Idud在圖中取任意時(shí)刻為起始時(shí)間t= 0，然后對(duì) 在半個(gè)周期上進(jìn)行積分（w =2pf，wT/2 = p），可以得到兩個(gè)電路的直流輸出電壓的平均值Ud0。二極管整流電路 即:下標(biāo)0代表Ls= 0理想情況，Us為輸入電壓的有效值。 0tusist0Idt=0udidt0usIdt0t=0id=Idud二極管整流電路 f1=50Hzwt0usisis1根據(jù)有效值的基本定義有： Is=Id對(duì)is進(jìn)行傅立葉分解，理想情況下的基波分量為：式中，下標(biāo)“h”表示諧波次數(shù)， 二極管整流電路 h011.035791311is中的各次諧波分量如圖所示，由此所計(jì)算出的諧波總畸變率為： THD=48.43%is

5、1波形曲線與us波形同相位: DPF=1.0 f1=50Hzwt0usisis1二極管整流電路 右圖所示單相二極管整流電路，Ls為零，直流側(cè)為恒定電流，Id=10A。試計(jì)算負(fù)載所吸收的平均功率。idis +us(t) -udNPVD4VD3VD2VD1id若us為正弦電壓曲線， Us = 120V，頻率50Hz；若us為下圖所示的矩形波。 200V120120606060120f =50Hz200Vwt例1二極管整流電路 解 (1) us為正弦電壓曲線，Us = 120V， Ud=0.9Us=108V Pd=UdId=1080W(2) 根據(jù)整流電路的工作原理可知，直流輸出電壓波形如圖所示，所求

6、平均電壓和負(fù)載吸收的功率分別為： 200V120120606060120f =50Hzwt二極管整流電路 1.2 Ls對(duì)電流換流的影響 isId + -udVD4VD1 VD2 VD3 Ls us(t)換流時(shí)間 交流側(cè)電流is從+Id 到Id（或相反）轉(zhuǎn)換過(guò)程中所需的時(shí)間間隔。換流電流從一個(gè)二極管轉(zhuǎn)到另一個(gè)二極管的過(guò)程。換路 換流 換流時(shí)間所對(duì)應(yīng)的電角度用符號(hào)g表示。 二極管整流電路 Id+-VD1 VD2 + -+ud- uL is us (t) 正弦電壓源 恒定電流源 Ls = 0時(shí) wt0usisud二極管整流電路 Id+-VD1 VD2 + -+ud- uL is us (t) wt

7、= 0之前：us0，Id在VD2中流通，ud = 0，is = 0。 wt = 0： us0 ，VD1上承受正向偏置電壓，開(kāi)始導(dǎo)通。 uL Id + -D1 D2 + -+ud =0-isIdiD1LsiD2 us (t) 理想二極管的導(dǎo)通壓降uVD = 0 二極管整流電路 根據(jù)兩網(wǎng)孔電流基爾霍夫電流定律，流過(guò)二極管的電流為: iVD2 = Id is 當(dāng)wt = g ：is Id iVD20，VD2導(dǎo)通二極管VD2在wt = g 時(shí)停止導(dǎo)通。 uL=0Id+-D1 D2 + -+ud = us-is = IdiD1LsiD2us(t) + - uL IdD1 D2 + -+ud =0-isI

8、diD1LsiD2 us (t) 二極管整流電路 換流重疊角 換流時(shí)間間隔所對(duì)應(yīng)的電角度，用符號(hào)g表示。 換流開(kāi)始時(shí)，電感中電流is的值為零，換流結(jié)束時(shí)電感中的電流為Id。 uL IdD1 D2 + -+ud =0-isIdiD1LsiD2 us (t) 交流輸入電壓或換流電流為： 二極管整流電路 上式右邊可寫(xiě)成wLs dis/d(wt) ：對(duì)上式兩邊同時(shí)積分，換流角度為0g，對(duì)應(yīng)的is從0變化到Id，因此有：對(duì)電感電壓 uL在換流期間內(nèi)的積分 Ag二極管整流電路 0wtusud=0udwt0uL00wtis對(duì)電壓的積分結(jié)果為圖中的面積Ag ： 二極管整流電路 由上兩式可得:重新整理后得： 如

9、果Ls = 0，則cosg =1，即g = 0。不考慮線路電感，整流電路的換流瞬時(shí)完成。 二極管整流電路 Ls的值越大，越能清晰表示換流過(guò)程。圖中，Ls = 0，ud的平均電壓Ud0為： wt0usisud二極管整流電路 Ag0wtusud=0udwt0uL00wtis當(dāng) Ls 0，g 0，ud =0，因此： 二極管整流電路 式 可改寫(xiě)為： 將代入上式得： 二極管整流電路 考慮線路電感時(shí)，平均輸出電壓從不考慮線路電感的平均輸出電壓Ud0中減去Ud ，Ud為： 二極管整流電路 isId + -udVD4VD1 VD2 VD3 Ls us(t)isIdudVD4VD1 VD2 VD3 Ls us+

10、-+ -ABwt0usAgudud=0wt0uLAgwt0is二極管整流電路 wt =0之前，二極管VD3和VD4有電流Id流過(guò), is=Id與右圖所示電路中Ls = 0的情況一樣idis +us(t) -udNPVD4VD3VD2VD1idisIdudVD4VD1 VD2 VD3 Ls us+-+ -AB二極管整流電路 計(jì)算電路形式用于分析電路在0 wt 0，二極管VD3和VD4相當(dāng)于短路，二極管VD1和VD2處于正向偏置。 假定所采用的二極管相同，兩個(gè)換流電流相等。換流期間四個(gè)二極管都導(dǎo)通，ud = 0。二極管整流電路 根據(jù)網(wǎng)孔電流分析原理，換流期間的二極管電流和線電流is為： 換流開(kāi)始時(shí)

11、，換流電流ig為0 。 換流結(jié)束時(shí)，ig增大到Id 。 isIdusud=0+-BVD2 VD4VD1 igigVD3 AId二極管整流電路 當(dāng)wt = g 時(shí)，iVD1= iVD2= Id，is= Id，電流從二極管VD3、VD4到VD1、VD2的換流期間，電感Ls中的電流從Id變?yōu)镮d。isIdusud=0+-BVD2 VD4VD1 igigVD3 AId二極管整流電路 對(duì)右上圖中理想電路的分析了解到，利用下列等式，對(duì)右下圖中電壓波形進(jìn)行積分。 wt0usAgudud=0wt0uLAgwt0usisud二極管整流電路 求得曲線所圍成的面積Ag 為： 根據(jù)上式可推得：移項(xiàng)整理后得： is(0

12、) = Id wt0usAgudud=0wt0uLAg二極管整流電路 在不考慮線路電感的理想情況下（Ls = 0），輸出電壓ud根據(jù)式 ud = Ud0=0.9Us 計(jì)算。若考慮線路電感Ls時(shí)，Ud的計(jì)算可根據(jù)以下等式求得：二極管整流電路 電壓ud在半個(gè)周波上存在局部變形，即積分“損失”的部分，該面積的大小為Ag，輸出電壓為：wt0usAgudud=0wt0uLAg二極管整流電路 分析圖中電路的換流基本過(guò)程，其中us為正弦電壓曲線，Id = 10A。 Us=120V，頻率50Hz，Ls=0，計(jì)算Ud和平均功率Pd；Us = 120V，頻率50Hz，Ls=5mH，計(jì)算g、Ud和Pd；Id+-VD

13、1 VD2 + -+ud- uL is us (t) 例2二極管整流電路 解(1) Ls = 0wt0usud(2) Ls = 5mH g = 24.85二極管整流電路 1.3 直流側(cè)接恒定電壓源的情況 ud(t) = Ud 用該電路形式近似模擬直流側(cè)接大電容的整流電路 相當(dāng)于在左圖中用直流電源置換電路中的電解電容isid + -UdVD4VD1 VD2 VD3 Ls us + -+ -ABidisiL +us(t) - +ud -Cd Lsud二極管整流電路 假設(shè)，usUd，電流 id=0。 根據(jù)此假設(shè)的有關(guān)電壓、電流波形如下圖所示wt00qpqbqf+qbusidwt0ABuLId二極管整

14、流電路 udwt00qpqbqf+qbusidwt0ABuLId 假設(shè)條件下的等值電路id +Ud -us Ls +-二極管整流電路 當(dāng)us在b點(diǎn)大于Ud時(shí)，二極管VD1和VD2處于導(dǎo)通狀態(tài)。電流在p點(diǎn)達(dá)到最大值，過(guò)了該點(diǎn)uL小于零。 A和B面積相等時(shí)的對(duì)應(yīng)點(diǎn)為f，該點(diǎn)的電流值為零，同時(shí)A和B相互為負(fù)。從f到+b，電流值一直為零。 udwt00qpqbqf+qbusidwt0ABuLId二極管整流電路 直流電流平均值的計(jì)算角b由下式計(jì)算： 從圖中曲線對(duì)稱性看出： qp=p-qb有電流流過(guò)時(shí)，電感電壓為：udwt00qpqbqf+qbusidwt0ABuLId二極管整流電路 wt 的積分形式為：

15、 式中q qb，id在qb點(diǎn)的值為零，從上式可推出：當(dāng)wt =qf 時(shí)，id=0，代入上式得：二極管整流電路 udwt00qpqbqf+qbusidwt0ABuLId在半個(gè)周期內(nèi)對(duì)id ()進(jìn)行積分，再除以p，可得到直流電流的平均值：對(duì)電路參數(shù)給定前提下，Id的大小取決于Ud的值，反之亦然。 二極管整流電路 采用標(biāo)幺化數(shù)值進(jìn)行比較，電壓Ud的基準(zhǔn)值取Ud0，Id以短路電流Isc為基準(zhǔn)，短路電流為： 短路電流 整流電路處于短路狀態(tài)時(shí)，交流電壓源us直接加在電感Ls兩端所形成的電流有效值。 二極管整流電路 0.100.1200.080.060.040.021.201.251.301.351.401

16、.451.501.551.60當(dāng)Ud逼近交流輸入電壓的峰值時(shí)，其直流電流趨向于零。二極管整流電路 若圖中電路直流側(cè)仍為一個(gè)大電容，則直流電壓ud(t) =Ud的假設(shè)在正常情況下成立，但在系統(tǒng)擾動(dòng)的暫態(tài)情況下存在偏差。 idisiL +us(t) - +ud -Cd Ls二極管整流電路 Ls的增加改善is的波形、降低is的諧波畸變率THD、改善功率因數(shù)PF，降低（或改善）峰值系數(shù)，位移功率因數(shù)DPF有一定的下降。 0.80.700.90.60.40.51.20.021.30.06THDi1.11.00.040.080.100.12DPFPFId /Isc1.501.401.451.251.351

17、.3001.200.040.020.060.080.100.121.82.02.42.22.62.83.0峰值系數(shù)Ud /Ud0峰值系數(shù)二極管整流電路 1.4 實(shí)際的二極管橋式整流電路負(fù)載部分用等值電阻代替idis+ us -udCd LsRLRsidisiL +us(t) - +ud -Cd Ls二極管整流電路 1.4.1 極不連續(xù)電流下的分析計(jì)算 假定電路運(yùn)行已造成了id的極不連續(xù)，如圖所示，每半個(gè)周波內(nèi)，id的波形只是在us波形的其中一小段不為零，在us的兩個(gè)過(guò)零點(diǎn)附近基本上都為零。udwt00qpqbqf+qbusidwt0ABuLId二極管整流電路 用右圖等效計(jì)算上圖電路半個(gè)周波的電

18、壓和電流 idis+ us -udCd LsRLRsidRLus Ls isudCd Rs+-二極管整流電路 udwt00qpqbqf+qbusidwt0ABuLId半個(gè)周期內(nèi)兩個(gè)時(shí)間段 tb = qb /w tf = qf /w對(duì)時(shí)間段tb = qb /w，tf = qf /w的分析 二極管整流電路 tb t tf 1tb是電流id流通的起始時(shí)刻，tf是電流id流通的結(jié)束時(shí)刻。在tb t tf區(qū)間內(nèi)，電路中有負(fù)載電流。 電路中各量之間的關(guān)系： 基爾霍夫電壓： 基爾霍夫電流： 二極管整流電路 在tf t tb區(qū)間，用矩陣表示KVL和KCL方程 : 用x表示id和ud所組成的向量，狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣為

19、: 二極管整流電路 假定電源的系數(shù)向量為:解得狀態(tài)變量為： 式中：二極管整流電路 tf t tb +T/22在該區(qū)間內(nèi)，二極管橋路中沒(méi)有電流流過(guò)，所以 上式的解為:二極管整流電路 對(duì)求解 解之前用估計(jì)值代替直流側(cè)電流流通起始時(shí)刻tb。如果tb值確定，則它是一個(gè)或半個(gè)周期后直流側(cè)電流的起始時(shí)刻。校驗(yàn)所選的tb是否準(zhǔn)確的方法：先取一個(gè)較小的tb值，然后緩慢增大tb，直到tb在很小的誤差范圍以內(nèi)，這樣可保證tb足夠精確。二極管整流電路 利用Matlab對(duì)下圖中的全橋整流電路進(jìn)行仿真，輸入?yún)?shù)為：Us = 120V，頻率60Hz，Ls = 1mH，Rs = 1m，Cd = 1000F，RL = 20。

20、假定采用理想二極管， t = 25ms。 例3idis+ us -udCd LsRLRs二極管整流電路 解 在ud(tb)初值正確的情況下,利用Matlab程序,得仿真結(jié)果的波形： 200150100500-5023456789121110T/2tft(ms)idudus二極管整流電路 1.4.2 一般工作條件下的電路仿真 例4idis+ us -udCd LsRLRs 對(duì)下圖中電路用Pspice進(jìn)行仿真，輸入?yún)?shù)：Us = 120V，頻率60Hz，Ls = 1mH，Rs = 1m，Cd = 1000mF，RL = 20。并對(duì)輸入的交流電流和直流輸出電壓做傅立葉分析。 二極管整流電路 解利用P

21、spice程序,得仿真結(jié)果的波形:0wtf1usisis1ud從Pspice輸出文件得： 輸入電流is的基波分量的有效值： is1 =10.86A 滯后us的角度： j1 = 10 電壓平均值： Ud = 158.45V電流平均值： Id = 7.93A二極管整流電路 1.4.3 線電流的畸變 二極管橋式整流電路的輸入線電流is明顯偏離正弦波。電流的畸變也會(huì)導(dǎo)致電壓的畸變。 0wtf1usisis1ud二極管整流電路 is的基波和三次諧波如下圖所示： 0wtisis1Idisis3Ism二極管整流電路 對(duì)例4.3和例4.4中的整流電路，計(jì)算輸入電流的總諧波畸變率THDi、波形因數(shù)、位移功率因數(shù)

22、DPF、功率因數(shù)PF及平均輸出電壓Ud和Id/Isc。 解 根據(jù)傅立葉級(jí)數(shù)展開(kāi)，利用Pspice對(duì)圖中的整流電路進(jìn)行仿真。例5idis+ us -udCd LsRLRs二極管整流電路 仿真結(jié)果: THDi = 88.8%，Is1 = 10.86A 根據(jù)方程 計(jì)算得到有效值： Is = 14.52A 根據(jù)仿真圖得輸入的峰值電流： Isp= 34.7A 根據(jù)對(duì)波形因數(shù)的定義得波形因數(shù): 2.39 根據(jù)傅立葉分解的方法得: j1 =10，DPF = 0.985（滯后） 二極管整流電路 功率因數(shù): PF=0.736 Id = 7.93A 根據(jù)等式計(jì)算得： Isc = 318.3A 所以: Id / I

23、sc= 0.025平均直流輸出電壓: Ud = 158.45V所以: Ud /Ud0 = 1.467 二極管整流電路 例4.5中，已經(jīng)計(jì)算出Id/Isc的值是0.025。如果使Id/Isc的值不變，利用下兩圖的結(jié)果來(lái)計(jì)算THDi、DPF、PF、波形因數(shù)及Ud（標(biāo)準(zhǔn)值），并與例4.5中的結(jié)果相比較。 0.80.700.90.60.40.51.20.021.30.06THDi1.11.00.040.080.100.12DPFPFId /Isc1.501.401.451.251.351.3001.200.040.020.060.080.100.121.82.02.42.22.62.83.0峰值系數(shù)Ud /Ud0峰值系數(shù)例6二極管整流電路 解 從圖中可得到： THDi = 79% 波形因數(shù)=2.25 DPF = 0.935 PF = 0.735 Ud /Ud0= 1.3840.80.700.90.60.40.51.20.021.30.06THDi1.11.00.040.080.100.1