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阻感性負載和反電動勢負載——看似簡單的整流電路詳解

發布時間:2022-09-08 來源:英飛凌 責任編輯:wenwei

【導讀】六期連載,整流電路AC/DC變換應用非常廣泛,其中二極管整流在電機驅動中是主流的方案,而且功率范圍很廣,所以了解二極管整流工程設計非常重要。


整流電路AC/DC變換應用非常廣泛,比DC/AC 逆變器功率范圍更廣,數量更多。為了降低諧波電流,有源PFC應用越來越廣泛,但二極管整流在電機驅動中還是主流的方案,而且功率范圍很廣,所以了解二極管整流工程設計非常重要。


整流電路是電力電子課程的基礎內容,占篇幅也很大,但是在書本上,工程上的重要基礎問題沒有細講或沒有涉及,尤其重要的整流電容濾波負載往往被忽略了,以至于使得整流電路設計在中小功率系統設計中也沒有得到足夠重視,直接影響系統成本和可靠性。而大功率整流,譬如新能源電解氫,整流知識是必不可少的。


第二講《二極管的損耗與波形系數》講了二極管和測量技術的基本概念,從第三講開始整流橋各種負載,包括電阻性負載,阻感性負載,帶反電勢的負載,電容濾波負載。最后以標準和測試波形講解針對非線性負載的逆變器設計策略。


單相整流電路的阻感性負載分析


純電阻性負載比較簡單,不再舉例了。阻感性負載還是比較常用,譬如直流電機負載,為了符合微信快速閱讀習慣,以單相電路為例分析其不連續電流模式和連續電流模式,給出一些電流波形。有需要可以讀一下阮新波老師的《電力電子技術》第二章,阮老師花了45頁篇幅非常系統講解了整流電路。


阻感性負載---連續電流模式


理想的連續模式負載是電流是帶一點紋波的方波,由于配電的電感(變壓器的漏感),方波電流的電流變化率沒有這么高,邊沿沒有這么陡。


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當VT1和VT4在ɑ角度時觸發導通,ud電壓就等于u2減去兩個整流管的正向導通壓降,波形在整流管導通期間跟隨輸入電壓u2,分析中假設:ud=u2.


從ɑ角開始,電流id一直在上升,直到電阻上的電壓uR等于u2,圖中由于假設電感很大,負載電阻R很小,所以看上去電流波峰(id最大值)接近ud電壓過零處。當uR>u2,這時電感釋放能量,電流逐漸下降,一旦u2到下半周為負,但電流還是正的,這時對電網反饋能量。這一現象在不連續電流模式下看得更清楚。


如果是二極管整流,當輸入電壓過零時,電流就換向,如果是晶閘管換向就發生在ɑ角。換向時的電流 id(0),即上一半周的id(θ)。電感L越大,儲能多,負載電阻R越小,這時id(θ)也比較大,電流紋波不大。


所以整流管上的電流也是為方波。


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整流管損耗為:


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二極管電流平均值id是整流橋輸出的電流平均值的一半,有效值可以通過查表獲得整流電路的方波波形系數來獲得。這樣就可以方便計算二極管上的損耗了。


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其實在這里,有效值電流也很容易理解,由于穩態時,電感上的平均為零,因此Id只是由負載電阻決定。


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交流輸入有效值電流:


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整流管上的有效值電流:


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由于穩態時,電感上的平均為零,因此Id只是由負載電阻決定,同時電流是方波,有效值等于平均值等于峰值,問題就變得簡單了。


阻感性負載不連續電流模式


分析過電流連續模式再看電流不連續模式,它的特征很顯得明顯,換流過程以流水賬形式列在下面。


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t1=ωt1:T1,T4導通,ud=u2,負載電流id從零開始上升,電網給電感和電阻供電,電感儲能;


uR=u2:電阻上電壓等于輸入電壓,電感電壓為零,電流id到達峰值;


uR>u2:電阻上電壓大于輸入電壓,電流id開始下降,電感釋放能量,這期間電阻的能量來自電網和電感;


π:u2過零,走向負半周,電感電流滯后于電壓,電流還是正的,這時,電感給電網反饋能量和給電阻供電


t2=ωt2:電感能量放完,電流id為零,T1,T4晶閘管截止


t3=ωt3:負半周開始


不連續電流模式電流非方波,波形系數需要通過仿真的辦法獲得。


帶反電勢的負載


這也是一種常見的整流器負載形式??丛韴D,想到這是最簡單的充電電路,負載可看成一個直流電壓源,對于整流電路,它們就是反電動勢負載。


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帶反電動勢的整流電路,只有在輸入電壓高于反電動勢E時才有電流,負載電流是不連續的。


由于電流導通時間短,當回路中的電阻比較小的時候(這一類電路中電阻是損耗,往往很?。?,輸出同樣平均值電流時,電流的峰值和有效值都比較大,功率因數低,所以一般設計中需要有電抗器。這種特性負載,會在下兩個單元以應用及其廣泛的電容負載詳細講解。


下一講預告 


《整流電容濾波負載原理》


摘要:本系列的核心內容,在交流供電的電源,家用電器,電機驅動器中,電容濾波這一非線性負載非常普遍,本講開始詳細講解整流電容濾波的分析方法、計算方法和實例。


來源:英飛凌工業半導體,作者:陳子穎  



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