單相整流

整流是通過固態(tài)半導(dǎo)體器件將交流電源連接到直流負(fù)載的過程。

整流通過二極管、晶閘管、晶體管或轉(zhuǎn)換器將振蕩的正弦交流電壓源轉(zhuǎn)換為恒定的直流電壓供應(yīng)。這一整流過程可以采取多種形式，包括半波、全波、不可控和全控整流器，將單相或三相電源轉(zhuǎn)換為恒定的直流電平。在本教程中，我們將探討單相整流及其所有形式。

整流器是交流電源轉(zhuǎn)換的基本構(gòu)建模塊之一，半波或全波整流通常由半導(dǎo)體二極管執(zhí)行。二極管允許交流電流在正向流動，同時(shí)阻止反向電流流動，從而產(chǎn)生固定的直流電壓電平，使其成為理想的整流器件。

然而，通過二極管整流的直流電并不像從電池等電源獲得的直流電那樣純凈，而是由于交流電源的影響，其電壓會以紋波的形式疊加變化。

要進(jìn)行單相整流，我們需要一個(gè)固定電壓和頻率的交流正弦波形，如圖所示。

交流正弦波形

正弦波形

交流波形通常有兩個(gè)相關(guān)的數(shù)值。第一個(gè)數(shù)值表示波形沿x軸的旋轉(zhuǎn)程度，即發(fā)電機(jī)從0度旋轉(zhuǎn)到360度。這個(gè)值稱為周期（T），定義為完成一個(gè)完整波形周期所需的時(shí)間間隔。

周期以度、時(shí)間或弧度為單位測量。正弦波的周期（T）和頻率（?）之間的關(guān)系定義為：T = 1/?。

第二個(gè)數(shù)值表示沿y軸的電流或電壓的幅值。這個(gè)數(shù)值給出了從零到某個(gè)峰值或最大值（AMAX、VMAX或IMAX）的瞬時(shí)值，表示正弦波在再次回到零之前的最大幅值。對于正弦波形，有兩個(gè)最大值或峰值，一個(gè)為正半周期，另一個(gè)為負(fù)半周期。

除了這兩個(gè)值外，還有兩個(gè)值對我們進(jìn)行整流非常重要。一個(gè)是正弦波形的平均值，另一個(gè)是其有效值（RMS值）。波形的平均值是通過將半個(gè)周期內(nèi)的電壓（或電流）瞬時(shí)值相加得到的，計(jì)算公式為：0.6365*VP。

需要注意的是，對稱正弦波的一個(gè)完整周期的平均值將為零，因?yàn)槠骄氩ū幌喾吹钠骄?fù)半波抵消。即 +1 + (-1) = 0。

正弦波的有效值（RMS值）表示向電阻提供與相同值的直流電源相同的能量。正弦電壓（或電流）的均方根值（rms）定義為：0.7071*VP。

單相整流器

所有單相整流器都使用固態(tài)器件作為其主要交流到直流的轉(zhuǎn)換器件。單相不可控半波整流器是最簡單且可能是小功率級別中最廣泛使用的整流電路，因?yàn)樗鼈兊妮敵鍪苓B接負(fù)載的電抗影響較大。

對于不可控整流電路，半導(dǎo)體二極管是最常用的器件，并且通過排列形成半波或全波整流電路。使用二極管作為整流器件的優(yōu)勢在于，它們是通過設(shè)計(jì)具有單向pn結(jié)的單向器件。

這個(gè)pn結(jié)通過消除電源的一半，將雙向交流電源轉(zhuǎn)換為單向電流。根據(jù)二極管的連接方式，例如，當(dāng)二極管正向偏置時(shí)，可以通過交流波形的正半部分，而當(dāng)二極管反向偏置時(shí)，消除負(fù)半周期。

反之亦然，通過消除波形的正半部分或通過負(fù)半部分。無論哪種方式，單個(gè)二極管整流器的輸出僅由360度波形的一半組成，如圖所示。

半波整流

半波整流

上述單相半波整流器配置通過交流電源波形的正半部分，同時(shí)消除負(fù)半部分。通過反轉(zhuǎn)二極管的方向，我們可以通過負(fù)半部分并消除交流波形的正半部分。因此，輸出將是一系列正或負(fù)脈沖。

因此，在每個(gè)周期的一半時(shí)間內(nèi)，沒有電壓或電流施加到連接的負(fù)載RL上。換句話說，負(fù)載電阻RL上的電壓僅由半波形組成，無論是正半波還是負(fù)半波，因?yàn)樗鼉H在輸入周期的一半時(shí)間內(nèi)工作，因此稱為半波整流器。

希望我們可以看到，二極管只允許電流在一個(gè)方向上流動，產(chǎn)生由半周期組成的輸出。這種脈動輸出波形不僅每個(gè)周期都在變化，而且僅存在50%的時(shí)間，并且在純電阻負(fù)載下，這種高電壓和電流紋波含量達(dá)到最大。

這種脈動直流意味著負(fù)載電阻RL上的等效直流值僅為正弦波形值的一半。由于波形正弦函數(shù)的最大值為1（sin(90o)），半個(gè)正弦波的平均或直流值定義為：0.637 x 最大幅值。

因此，在正半周期期間，AAVE等于0.637*AMAX。然而，由于反向偏置二極管的整流作用，負(fù)半周期被移除，因此在此期間波形的平均值將為零，如圖所示。

正弦波的平均值

正弦波的平均值

因此，對于半波整流器，50%的時(shí)間平均值為0.637*AMAX，50%的時(shí)間為零。如果最大幅值為1，則負(fù)載電阻RL上的平均或直流等效值為：

半波整流器平均值

因此，半波整流器的脈動直流電壓或電流的平均值表達(dá)式為：

請注意，最大值A(chǔ)MAX是輸入波形的值，但我們也可以使用其RMS值或“均方根”值來找到單相半波整流器的等效直流輸出值。

為了確定半波整流器的平均電壓，我們將RMS值乘以0.9（波形因數(shù)）并將乘積除以2，即乘以0.45，得到：

然后我們可以看到，半波整流器電路根據(jù)二極管的方向?qū)⒔涣鞑ㄐ蔚恼氩糠只蜇?fù)半部分轉(zhuǎn)換為脈動直流輸出，其等效直流值為0.318*AMAX或0.45*ARMS，如圖所示。

半波整流器平均電壓

半波整流器平均電壓

整流示例1

一個(gè)單相半波整流器連接到50V RMS 50Hz交流電源。如果整流器用于供應(yīng)150歐姆的電阻負(fù)載。計(jì)算負(fù)載上產(chǎn)生的等效直流電壓、負(fù)載電流和負(fù)載消耗的功率。假設(shè)二極管為理想特性。

首先，我們需要將50伏RMS轉(zhuǎn)換為其峰值或最大電壓等效值（這不是必需的，但它有幫助）。

a) 最大電壓幅值VM

b) 等效直流電壓VDC

c) 負(fù)載電流IL

d) 負(fù)載消耗的功率PL

實(shí)際上，由于整流二極管的正向偏置電壓降為0.7伏，VDC會略低。

單相半波整流器的主要缺點(diǎn)之一是，在可用輸入正弦波形的一半時(shí)間內(nèi)沒有輸出，導(dǎo)致我們看到的平均值較低?？朔@一問題的一種方法是使用更多二極管來產(chǎn)生全波整流器。

全波整流

與之前的半波整流器不同，全波整流器利用輸入正弦波形的兩個(gè)半部分來提供單向輸出。這是因?yàn)槿ㄕ髌骰旧嫌蓛蓚€(gè)半波整流器連接在一起以供應(yīng)負(fù)載。

單相全波整流器通過使用四個(gè)二極管以橋式排列來實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，通過正半部分波形，但將正弦波的負(fù)半部分反轉(zhuǎn)為脈動直流輸出。

盡管整流器的電壓和電流輸出是脈動的，但它不會反轉(zhuǎn)方向，使用輸入波形的全部100%，從而提供全波整流。

單相全波橋式整流器

單相全波橋式整流器

這種二極管的橋式配置提供了全波整流，因?yàn)樵谌魏螘r(shí)候四個(gè)二極管中有兩個(gè)是正向偏置的，而另外兩個(gè)是反向偏置的。因此，與半波整流器的單個(gè)二極管相比，有兩個(gè)二極管在導(dǎo)通路徑中。

因此，由于串聯(lián)連接的兩個(gè)二極管的正向電壓降，VIN和VOUT之間的電壓幅值會有所不同。在這里，為了簡化計(jì)算，我們假設(shè)二極管是理想的。

那么單相全波整流器是如何工作的呢？在VIN的正半周期期間，二極管D1和D4正向偏置，而二極管D2和D3反向偏置。

然后，對于輸入波形的正半周期，電流沿以下路徑流動：D1 – A – RL – B – D4并返回電源。

在VIN的負(fù)半周期期間，二極管D3和D2正向偏置，而二極管D4和D1反向偏置。

對于輸入波形的負(fù)半周期，電流沿以下路徑流動：D3 – A – RL – B – D2并返回電源。

在這兩種情況下，輸入波形的正半周期和負(fù)半周期都會產(chǎn)生正輸出峰值，無論輸入波形的極性如何，因此負(fù)載電流i始終以相同的方向通過負(fù)載RL在節(jié)點(diǎn)A和B之間流動。因此，電源的負(fù)半周期在負(fù)載上變?yōu)檎胫芷凇?/p>

因此，無論哪一組二極管導(dǎo)通，節(jié)點(diǎn)A總是比節(jié)點(diǎn)B更正。因此，負(fù)載電流和電壓是單向的或直流的，給我們以下輸出波形。

全波整流器輸出波形

全波整流器輸出波形

盡管這種脈動輸出波形使用了輸入波形的100%，但其平均直流電壓（或電流）并不在同一值。我們記得上面提到的，半個(gè)正弦波的平均或直流值定義為：0.637 x 最大幅值。

然而，與上面的半波整流不同，全波整流器每個(gè)輸入波形有兩個(gè)正半周期，因此平均值不同，如圖所示。

全波整流器平均值

全波整流器平均值

在這里，我們可以看到，對于全波整流器，每個(gè)正峰值的平均值為0.637*AMAX，并且由于每個(gè)輸入波形有兩個(gè)峰值，這意味著有兩個(gè)平均值相加。

因此，全波整流器的直流輸出電壓是之前半波整流器的兩倍。如果最大幅值為1，則負(fù)載電阻RL上的平均或直流等效值為：

全波整流器平均值

因此，全波整流器的電壓或電流的平均值表達(dá)式為：

如前所述，最大值A(chǔ)MAX是輸入波形的值，但我們也可以使用其RMS值或均方根值來找到單相全波整流器的等效直流輸出值。為了確定全波整流器的平均電壓，我們將RMS值乘以0.9，得到：

然后我們可以看到，全波整流器電路將交流波形的正半部分和負(fù)半部分都轉(zhuǎn)換為脈動直流輸出，其值為0.637*AMAX或0.9*ARMS，如圖所示。

全波整流器平均電壓

全波整流器平均電壓

整流示例2

使用四個(gè)二極管構(gòu)建一個(gè)單相全波橋式整流器電路，需要為1kΩ的純電阻負(fù)載提供220伏直流電。計(jì)算所需的輸入電壓的RMS值、從電源汲取的總負(fù)載電流、每個(gè)二極管通過的負(fù)載電流以及負(fù)載消耗的總功率。假設(shè)二極管為理想特性。

a) 整流器電源電壓VRMS

b) 負(fù)載電流IL

c) 每個(gè)二極管通過的負(fù)載電流ID

負(fù)載電流由每個(gè)周期的兩個(gè)二極管提供，因此：

d) 負(fù)載消耗的功率PL

全波半控橋式整流器

全波整流比簡單的半波整流器有許多優(yōu)勢，例如輸出電壓更一致，具有更高的平均輸出電壓，整流過程使輸入頻率加倍，并且如果需要平滑電容器，則需要較小的電容值。但我們可以通過在橋式整流器設(shè)計(jì)中使用晶閘管代替二極管來改進(jìn)設(shè)計(jì)。

通過將單相橋式整流器中的二極管替換為晶閘管，我們可以創(chuàng)建一個(gè)相位控制的交流到直流整流器，用于將恒定的交流電源電壓轉(zhuǎn)換為可控的直流輸出電壓。相位控制整流器，無論是半控還是全控，在可變電壓電源和電機(jī)控制中有許多應(yīng)用。

單相橋式整流器被稱為“不可控整流器”，因?yàn)槭┘拥妮斎腚妷褐苯觽鬟f到輸出端子，提供固定的平均直流等效值。要將不可控橋式整流器轉(zhuǎn)換為單相半控整流器電路，我們只需要用晶閘管（SCR）替換兩個(gè)二極管，如圖所示。

半控橋式整流器

半控橋式整流器

在半控整流器配置中，使用兩個(gè)晶閘管和兩個(gè)二極管控制平均直流負(fù)載電壓。正如我們在關(guān)于晶閘管的教程中學(xué)到的，只有當(dāng)晶閘管的陽極（A）比陰極（K）更正并且在其柵極（G）端施加觸發(fā)脈沖時(shí)，晶閘管才會導(dǎo)通（“ON”狀態(tài)）。否則它將保持不活動狀態(tài)。

我們還了解到，一旦“ON”，只有當(dāng)柵極信號被移除并且陽極電流低于晶閘管的保持電流IH時(shí)，晶閘管才會再次“OFF”，因?yàn)榻涣麟娫措妷悍聪蚱盟Ｒ虼?，通過在交流電源電壓經(jīng)過陽極到陰極電壓的零電壓交叉后延遲施加到晶閘管柵極端子的觸發(fā)脈沖一段時(shí)間或角度（α），我們可以控制晶閘管何時(shí)開始導(dǎo)通電流，從而控制平均輸出電壓。

半控橋式整流器

半控整流器波形

在輸入波形的正半周期期間，電流沿以下路徑流動：SCR1和D2，并返回電源。在VIN的負(fù)半周期期間，導(dǎo)通通過SCR2和D1并返回電源。

很明顯，來自頂部組的一個(gè)晶閘管（SCR1或SCR2）和來自底部組的相應(yīng)二極管（D2或D1）必須一起導(dǎo)通才能使任何負(fù)載電流流動。

因此，平均輸出電壓VAVE取決于半控整流器中包含的兩個(gè)晶閘管的觸發(fā)角度α，因?yàn)閮蓚€(gè)二極管是不可控的，只要正向偏置就會通過電流。因此，對于任何柵極觸發(fā)角度α，平均輸出電壓由下式給出：

半控整流器平均輸出電壓

半控整流器輸出電壓

請注意，當(dāng)α = 1時(shí)，最大平均輸出電壓發(fā)生，但仍然僅為0.637*VMAX，與單相不可控橋式整流器相同。

我們可以通過將所有四個(gè)二極管替換為晶閘管來進(jìn)一步控制橋式整流器的平均輸出電壓，從而得到一個(gè)全控橋式整流器電路。

全控橋式整流器

單相全控橋式整流器通常被稱為交流到直流轉(zhuǎn)換器。全控橋式轉(zhuǎn)換器廣泛用于直流電機(jī)的速度控制，并且通過將橋式整流器的所有四個(gè)二極管替換為晶閘管來輕松實(shí)現(xiàn)，如圖所示。

全控橋式整流器

全控橋式整流器

在全控整流器配置中，使用每個(gè)半周期的兩個(gè)晶閘管控制平均直流負(fù)載電壓。晶閘管SCR1和SCR4在正半周期期間作為一對觸發(fā)，而晶閘管SCR3和SCR4也在負(fù)半周期期間作為一對觸發(fā)。即SCR1和SCR4觸發(fā)后180度。

然后，在連續(xù)導(dǎo)通模式下，四個(gè)晶閘管不斷作為交替對切換，以維持平均或等效直流輸出電壓。與半控整流器一樣，輸出電壓可以通過改變晶閘管的觸發(fā)延遲角度（α）來完全控制。

因此，單相全控整流器在連續(xù)導(dǎo)通模式下的平均直流電壓表達(dá)式為：

全控整流器平均輸出電壓

全控整流器輸出電壓

通過將觸發(fā)角度α從π變化到0，平均輸出電壓從VMAX/π變化到-VMAX/π。因此，當(dāng)α < 90o時(shí)，平均直流電壓為正，當(dāng)α > 90o時(shí)，平均直流電壓為負(fù)。即功率從直流負(fù)載流向交流電源。

然后，我們在這個(gè)關(guān)于單相整流的教程中看到，單相整流器可以采取多種形式將交流電壓轉(zhuǎn)換為直流電壓，從不可控的單二極管半波整流器到使用四個(gè)晶閘管的全控全波橋式整流器。

半波整流器的優(yōu)點(diǎn)是簡單且成本低，因?yàn)樗恍枰粋€(gè)二極管。然而，它的效率不高，因?yàn)橹皇褂昧溯斎胄盘柕囊话耄a(chǎn)生的平均輸出電壓較低。

全波整流器比半波整流器更高效，因?yàn)樗褂昧溯斎胝也ǖ膬蓚€(gè)半周期，產(chǎn)生了更高的平均或等效直流輸出電壓。全波橋式電路的一個(gè)缺點(diǎn)是它需要四個(gè)二極管。

相位控制整流使用二極管和晶閘管（SCR）的組合將交流輸入電壓轉(zhuǎn)換為可控的直流輸出電壓。全控整流器在其配置中使用四個(gè)晶閘管，而半控整流器使用晶閘管和二極管的組合。

因此，無論我們?nèi)绾尾僮?，將正弦交流波形轉(zhuǎn)換為穩(wěn)態(tài)直流電源的過程稱為整流。