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H 橋全波整流器設(shè)計(jì)與仿真初學(xué)者指南
H 橋全波整流器設(shè)計(jì)與仿真初學(xué)者指南
電源轉(zhuǎn)換是現(xiàn)代生活的重要組成部分，對(duì)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(zhuǎn)換。整流器是用于將交流轉(zhuǎn)換為直流的基本電路，它們可能屬于以下類別之一：
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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換的 H 橋全波整流器的設(shè)計(jì)和仿真。兩者都可用于工業(yè)環(huán)境，包括我公司為客戶項(xiàng)目開發(fā)的小型控制模塊。它們?cè)谄渌娮釉O(shè)備中無處不在，使用這些構(gòu)建模擬對(duì)于了解它們?nèi)绾胃咝У叵蛳掠坞娐饭╇姺浅Ｖ匾?span>
橋式整流電路的類型
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(duì)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(jié)構(gòu)上，該組件由此得名。這有時(shí)被稱為不受控制的整流器，其原因?qū)⒃诒疚暮竺娼榻B。
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(qū)別應(yīng)該從它們的波形上看出來；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(tǒng)二極管是單向的，不受控制，電流只允許單向流動(dòng)，無法控制正向電壓。出于這個(gè)原因，我們通常稱這些整流器為“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(yù)期的工作環(huán)境中完全正向偏置。
可控整流器
這種類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(tǒng)的二極管。通常使用 SCR，因?yàn)樗碾妷嚎梢酝ㄟ^直接施加外部直流電壓輕松改變。因此，系統(tǒng)可以根據(jù)需要調(diào)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(jié)果功能完全相同。我們還可以通過使用 6 個(gè) SCR（每相 2 個(gè)）將電路擴(kuò)展到三相輸入。
選擇二極管
正如我上面提到的，應(yīng)該清楚的是，在兩種類型的整流器中，流經(jīng)負(fù)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(duì)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?yàn)樗鼈冊(cè)谡蚱脮r(shí)具有較低的壓降。
輸出波形
通常，一旦您設(shè)置了整流器，就會(huì)通過在輸出端添加一個(gè)平滑電容器來設(shè)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(fù)載。電容器和負(fù)載將有一些時(shí)間常數(shù)，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?cè)谌N情況下看這些結(jié)果：
無平滑電容器，1 kΩ 負(fù)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(hào)，藍(lán)波為輸出。輸入正弦波被完全整流，即負(fù)半周表現(xiàn)為正電壓。從這里，我們可以添加一個(gè)與負(fù)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。
沒有平滑電容器的負(fù)載輸出波形
5 uF 平滑電容器，1 kΩ 負(fù)載
添加一個(gè)5uF的平滑電容后，我們的波形看起來是一個(gè)相當(dāng)不錯(cuò)的直流信號(hào)，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(shù)反復(fù)充電和放電。在電容器完全放電之前，充電周期開始，因此除非切斷輸入電源，否則電容器永遠(yuǎn)不會(huì)完全放電。在這里，您可以使用 RC 時(shí)間常數(shù)來確定 1 kΩ 負(fù)載上的放電率。
帶有 5 uF 平滑電容器的負(fù)載波形
50 uF 平滑電容器，1 kΩ 負(fù)載
正如預(yù)期的那樣，當(dāng)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(shù)增加 10 倍，因此我們現(xiàn)在擁有幾乎無紋波的 DC 輸出。請(qǐng)注意，輸出波形不是純直流，但對(duì)于這個(gè)特定的負(fù)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(fù)載波形
請(qǐng)注意，此 SPICE 仿真是使用 1 kΩ 的純電阻負(fù)載完成的，但如果負(fù)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(jù)給定負(fù)載的RC 時(shí)間常數(shù)來很好地表征該電路的原因。