H 橋全波整流器設計與仿真初學(xué)者指南

2021-11-01

H 橋全波整流器設計與仿真初學(xué)者指南

電源轉換是現代生活的重要組成部分，對于電子產(chǎn)品的實(shí)際用途而言，最重要的可能是 AC 到 DC 的轉換。整流器是用于將交流轉換為直流的基本電路，它們可能屬于以下類(lèi)別之一：

半波整流器

中心抽頭全波整流器

橋式整流器

這些整流器的功能是相同的，即AC 到 DC 的轉換，但每個(gè)都使用不同的輸入配置，它們有不同的輸出。中心抽頭整流器和橋式整流器都是全波整流器，它們提供比半波整流器更高的功率轉換效率。中心抽頭整流器和橋式整流器的用途幾乎相同，但前者使用的中心抽頭變壓器價(jià)格昂貴，因此通常首選橋式整流器，除非由于特定原因需要變壓器上的中心抽頭。

在本指南中，我們將介紹用于單相和三相電源轉換的 H 橋全波整流器的設計和仿真。兩者都可用于工業(yè)環(huán)境，包括我公司為客戶(hù)項目開(kāi)發(fā)的小型控制模塊。它們在其他電子設備中無(wú)處不在，使用這些構建模擬對于了解它們如何高效地向下游電路供電非常重要。

橋式整流電路的類(lèi)型

一個(gè)基本的橋式整流電路如下所示。該電路通常使用串聯(lián)成對排列的四個(gè)二極管 (D1-D4)，在交流輸入的每個(gè)半周期期間，只有兩個(gè)二極管正向偏置。該整流器中的四個(gè)二極管連接在一個(gè)閉環(huán)、橋狀結構上，該組件由此得名。這有時(shí)被稱(chēng)為不受控制的整流器，其原因將在本文后面介紹。

不可控單相橋式整流器

單相與三相整流器

有時(shí)，您會(huì )看到以 H 橋配置抽出的上述整流器，如下所示。這個(gè)配置和上面的配置完全一樣。下面還顯示了用于比較的三相整流器，它僅使用 6 個(gè)二極管而不是 4 個(gè)，其中 2 個(gè)串聯(lián)二極管用于控制三相交流連接中每相的電流。這兩種整流器的區別應該從它們的波形上看出來(lái)；三相整流器的紋波要低得多，但頻率是單相整流器的 1.5 倍。

單相與三相橋式整流器

由于傳統二極管是單向的，不受控制，電流只允許單向流動(dòng)，無(wú)法控制正向電壓。出于這個(gè)原因，我們通常稱(chēng)這些整流器為“不受控制的”，我們需要正確選擇這些電路中使用的二極管，以確保整流器在預期的工作環(huán)境中完全正向偏置。

可控整流器

這種類(lèi)型的橋式整流器使用一些受控的固態(tài)元件，如 MOSFET、IGBT、SCR 等，而不是傳統的二極管。通常使用 SCR，因為它的電壓可以通過(guò)直接施加外部直流電壓輕松改變。因此，系統可以根據需要調整不同電壓的功率輸出。下圖顯示了單相可控橋式整流器，只需用 SCR 替換二極管即可。

可控單相整流器

就像普通的單相整流器一樣，這種可控整流器可以作為H橋引出；結果功能完全相同。我們還可以通過(guò)使用 6 個(gè) SCR（每相 2 個(gè)）將電路擴展到三相輸入。

選擇二極管

正如我上面提到的，應該清楚的是，在兩種類(lèi)型的整流器中，流經(jīng)負載的電流都在一個(gè)方向上流動(dòng)，因此在任何給定時(shí)刻，只有兩個(gè)二極管被正向偏置。在每個(gè)半周期期間，正向偏置電橋部分中的每個(gè)二極管都有一個(gè)壓降。對于硅二極管，總壓降必須為 2*0.7 = 1.4 V。如果您使用較低電平的變壓器耦合交流電，那么您可能需要使用鍺或肖特基二極管，因為它們在正向偏置時(shí)具有較低的壓降。

輸出波形

通常，一旦您設置了整流器，就會(huì )通過(guò)在輸出端添加一個(gè)平滑電容器來(lái)設置直流電壓。在下面的一組圖中，使用 SPICE 程序模擬了一個(gè)簡(jiǎn)單的單相整流器（沒(méi)有變壓器），以顯示平滑電容器如何影響輸出。電容器的輸出連接到 1 kΩ 負載。電容器和負載將有一些時(shí)間常數，決定電容器在整流器輸入的兩個(gè)半周期之間放電的速度。讓我們在三種情況下看這些結果：

無(wú)平滑電容器，1 kΩ 負載

下圖顯示了我們簡(jiǎn)單的單相橋式整流器的輸出波形。有兩種波形：黑波為輸入信號，藍波為輸出。輸入正弦波被完全整流，即負半周表現為正電壓。從這里，我們可以添加一個(gè)與負載并聯(lián)的平滑電容器，以顯示我們可以接近直流波形的程度。

沒(méi)有平滑電容器的負載輸出波形

5 uF 平滑電容器，1 kΩ 負載

添加一個(gè)5uF的平滑電容后，我們的波形看起來(lái)是一個(gè)相當不錯的直流信號，但仍然不是純直流。電容器在半周期之間以特定的 RC 時(shí)間常數反復充電和放電。在電容器完全放電之前，充電周期開(kāi)始，因此除非切斷輸入電源，否則電容器永遠不會(huì )完全放電。在這里，您可以使用 RC 時(shí)間常數來(lái)確定 1 kΩ 負載上的放電率。

帶有 5 uF 平滑電容器的負載波形

50 uF 平滑電容器，1 kΩ 負載

正如預期的那樣，當我們將平滑電容器的值增加 10 倍時(shí)，輸出直流電壓上的紋波會(huì )大大降低。將平滑電容器從 5 uF 增加到 50 uF 會(huì )將 RC 時(shí)間常數增加 10 倍，因此我們現在擁有幾乎無(wú)紋波的 DC 輸出。請注意，輸出波形不是純直流，但對于這個(gè)特定的負載電阻，紋波似乎很小，在這個(gè)尺度上不容易注意到。

帶有 50 uF 平滑電容器的負載波形

請注意，此 SPICE 仿真是使用 1 kΩ 的純電阻負載完成的，但如果負載電阻較小，則電容器放電速度會(huì )更快。這就是為什么您可以在創(chuàng )建布局和制作電路板原型之前，根據給定負載的RC 時(shí)間常數來(lái)很好地表征該電路的原因。