20大经典电路——桥式整流电路

20大经典电路——桥式整流电路

目录

---

二极管特性

• 二极管的单向导电

  二极管的PN加正向电压，处于导通状态；加反向电压，处于截止状态
  ·

• 特性曲线

  静态特性曲线
  

正向电压大到一定值（门槛电压 Uth U t h ），正向电流才开始明显增加，处于稳定导通状态；承受反向电压时，只有少子引起的微小而数值恒定的反向漏电流。但当施加的反向电压过大，反向电流将会急剧增大，破坏PN结反向偏置为截止的工作状态，这就叫反向击穿。

动态特性
因为结电容的存在，电压—电流特性是随时间变化的，这就是二极管的动态特性，并且往往专指反映通态和断态之间转换过程的开关特性。
·①由正向偏置转换为反向偏置

电力二极管并不能立即关断，而是须经过一段短暂的时间才能重新获得反向阻断能力，进入截止状态。

在关断之前有较大的反向电流出现，并伴随有明显的反向电压过冲。

延迟时间： td=t1−t0 t d = t 1 − t 0
电流下降时间： tf=t2−t1 t f = t 2 − t 1
反向恢复时间： trr=td+tf t r r = t d + t f
恢复特性的软度： tf/td t f / t d ，或称恢复系 数，用 Sr S r 表示。

·②由零偏置转换为正向偏置

先出现一个过冲 UFP U F P ，经过一段时间才趋于接近稳态压降的某个值（如2V）。

正向恢复时间 tfr t f r

出现电压过冲的原因:电导调制效应起作用所需的大量少子需要一定的时间来储存，在达到稳态导通之前管压降较大；正向电流的上升会因器件自身的电感而产生较大压降。电流上升率越大， UFP U F P 越高。

• 理想开关模型和恒压降模型

理想开关模型是指在二极管正向导通时，压降为0，当其方向偏置时，认为其电阻无穷大，电流为0，视位截止；恒压降模型是指二极管导通以后，其压降为恒定值，锗管为0.5V，硅管为0.7V

• 二极管种类

普通二极管（General Purpose Diode）
又称整流二极管（Rectifier Diode），多用于开关频率不高（1kHz以下）的整流电路中。
其反向恢复时间较长，一般在 5us 5 u s 以上 。
其正向电流定额和反向电压定额可以达到很高。

快恢复二极管（Fast Recovery Diode——FRD）
恢复过程很短，特别是反向恢复过程很短（一般在 5us 5 u s 以下） 。
快恢复外延二极管 （Fast Recovery Epitaxial Diodes——FRED） ，采用外延型P-i-N结构 ，其反向恢复时间更短（可低于 50ns 50 n s ），正向压降也很低（0.9V左右）。
从性能上可分为快速恢复和超快速恢复两个等级。前者反向恢复时间为数百纳秒或更长，后者则在 100ns 100 n s 以下，甚至达到 20 30ns 20   30 n s 。

肖特基二极管（Schottky Barrier Diode——SBD）
属于多子器件
优点在于：反向恢复时间很短（ 10 40ns 10   40 n s ），正向恢复过程中也不会有明显的电压过冲；在反向耐压较低的情况下其正向压降也很小，明显低于快恢复二极管；因此，其开关损耗和正向导通损耗都比快速二极管还要小，效率高。
缺点在于：当所能承受的反向耐压提高时其正向压降也会高得不能满足要求，因此多用于200V以下的低压场合；反向漏电流较大且对温度敏感，因此反向稳态损耗不能忽略，而且必须更严格地限制其工作温度。

半波整流电路

半波整流电路–带电阻负载

半波整流电路是一种最简单的整流电路。它由电源变压器 T T 、整流二极管 VT V T 和负载电阻 R R 组成。变压器把市电电压 u1 u 1 （多为220V）变换为所需要的交变电压 u2 u 2 ， VT V T 再把交流电变换为脉动直流电。

• 桥式整流电流流向过程

变压器T起变换电压和隔离的作用，其一次侧和二次侧电压瞬时值分别用 u1 u 1 和 u2 u 2 表示，有效值分别用 U1 U 1 和 U2 U 2 表示，其中 U2 U 2 的大小根据需要的直流输出电压 ud u d 的平均值 Ud U d 确定。在 0～π 0 ～ π 时间内， u2 u 2 为正半周即变压器上端为正下端为负。此时二极管承受正向电压而导通， u2 u 2 通过它加在负载电阻 R R 上，在 π～2π π ～ 2 π 时间内， u2 u 2 为负半周，变压器次级下端为正，上端为负。这时二极管承受反向电压，不导通， R R 上无电压。这样反复下去，交流电的负半周就被“削”掉了，只有正半周通过 R R ，在 R R 上获得了一个单向的电压 ud u d ，达到了整流的目的。但是，负载电压 ud u d 以及负载电流的大小还随时间而变化，因此，通常称它为脉动直流。

• 计算

在分析整流电路工作时，认为晶闸管（开关器件）为理想器件，即晶闸管导通时其管压降等于零，晶闸管阻断时其漏电流等于零，除非特意研究晶闸管的开通、关断过程，一般认为晶闸管的开通与关断过程瞬时完成。

- α α ：从晶闸管开始承受正向阳极电压起到施加触发脉冲止的电角度称为触发延迟角，也称触发角或控制角。
- θ θ ：晶闸管在一个电源周期中处于通态的电角度称为导通角。
-直流输出电压平均值

随着 α α 增大， Ud U d 减小，该电路中VT的 α α 移相范围为 180o 180 o 。

通过控制触发脉冲的相位来控制直流输出电压大小的方式称为相位控制方式，简称相控方式。

半波整流电路–带阻感负载

阻感负载的特点是电感对电流变化有抗拒作用，使得流过电感的电流不能发生突变。

• 电路分析
  ··晶闸管VT处于断态, id=0 i d = 0 , ud=0 u d = 0 , uVT=u2 u V T = u 2 。
  ··在 ωt1 ω t 1 时刻，即触发角 α α 处
  

  ud=u2 u d = u 2
  L的存在使 id i d 不能突变， id i d 从0开始增加。

·· u2 u 2 由正变负的过零点处， id i d 已经处于减小的过程中，但尚未降到零，因此VT仍处于通态。
·· ωt2 ω t 2 时刻，电感能量释放完毕， id i d 降至零，VT关断并立即承受反压。
··由于电感的存在延迟了VT的关断时刻，使 ud u d 波形出现负的部分，与带电阻负载时相比其平均值 Ud U d 下降。
VT处于通态时，如下方程成立：

在VT导通时刻，有 ωt=α ω t = α ， id=0 i d = 0 ，这是上式的初始条件。求解上式并将初始条件代入可得

式中， Z=R2+(ωL)2−−−−−−−−−√ Z = R 2 + ( ω L ) 2 , ϕ=arctanωLR ϕ = a r c t a n ω L R 。由此式可得出图e所示的 id i d 波形。当 ωt=θ+α ω t = θ + α 时， id=0 i d = 0 ，代入上式并整理得

若 ϕ ϕ 为定值， α α 角大， θ θ 越小。若 α α 为定值， ϕ ϕ 越大， θ θ 越大 ，且平均值 Ud U d 越接近零。为解决上述矛盾，在整流电路的负载两端并联一个二极管，称为续流二极管，用 VDR V D R 表示。

半波整流电路–带阻感负载和续流二极管

单相半波带阻感负载有续流二极管的电路

单相半波带阻感负载有续流二极管的波形

• 电路分析

  ·· u2 u 2 正半周时，与没有续流二极管时的情况是一样的。
  ··当 u2 u 2 过零变负时， VDR V D R 导通， ud u d 为零，此时为负的 u2 u 2 通过 VDR V D R 向VT施加反压使其关断，L储存的能量保证了电流 id i d 在 L−R−VDR L − R − V D R 回路中流通，此过程通常称为续流。
  ··若L足够大， id i d 连续，且 id i d 波形接近一条水平线 。

• 计算

  流过晶闸管的电流平均值 IdT I d T 和有效值 IT I T 分别为：
  
  续流二极管的电流平均值 IdDR I d D R 和有效值 IDR I D R 分别为
  
  其移相范围为 180o 180 o ，其承受的最大正反向电压均为 u2 u 2 的峰值即 2–√U2 2 U 2 。续流二极管承受的电压为 −ud − u d ，其最大反向电压为 2–√U2 2 U 2 ，亦为 u2 u 2 的峰值。

单相半波可控整流电路的特点是简单，但输出脉动大，变压器二次侧电流中含直流分量，造成变压器铁芯直流磁化。为使变压器铁芯不饱和，需增大铁芯截面积，增大了设备的容量。

全波整流电路

全波整流电路–带电阻负载

• 电路分析

  ··变压器T带中心抽头。
  ··在 u2 u 2 正半周， VT1 V T 1 工作，变压器二次绕组上半部分流过电流。
  ·· u2 u 2 负半周， VT2 V T 2 工作，变压器二次绕组下半部分流过反方向的电流。
  ··变压器也不存在直流磁化的问题。

• 全波整流的特点
  ①使用的整流器件较半波整流时多一倍。
  ②整流电压脉动较小，比半波整流小一半。无滤波电路时的输出电压 Vo=0.9V2 V o = 0.9 V 2 。
  ③变压器的利用率比半波整流时高。
  ④变压器二次绕组需中心抽头。
  ⑤整流器件所承受的反向电压较高 22–√U2 2 2 U 2 。

桥式整流电路

桥式整流电路–带电阻负载

• 电路分析

  ①闸管 VT1 V T 1 和 VT4 V T 4 组成一对桥臂， VT2 V T 2 和 VT3 V T 3 组成另一对桥臂。
  ②在 u2 u 2 正半周（即 a a 点电位高于 b b 点电位）：若4个晶闸管均不导通， id=0 i d = 0 , ud=0 u d = 0 , VT1 V T 1 、 VT4 V T 4 串联承受电压 u2 u 2 。在触发角 α α 处给 VT1 V T 1 和 VT4 V T 4 加触发脉冲， VT1 V T 1 和 VT4 V T 4 即导通，电流从电源 a a 端经 VT1 V T 1 、 R R 、 VT4 V T 4 流回电源 b b 端。
  ③当 u2 u 2 过零时，流经晶闸管的电流也降到零， VT1 V T 1 和 VT4 V T 4 关断。
  ④在 u2 u 2 负半周，仍在触发角 α α 处触发 VT2 V T 2 和 VT3 V T 3 ， VT2 V T 2 和 VT3 V T 3 导通，电流从电源 b b 端流出，经 VT3 V T 3 、 R R 、 VT2 V T 2 流回电源a端。
  ⑤到 u2 u 2 过零时，电流又降为零， VT2 V T 2 和 VT3 V T 3 关断。

• 计算

  晶闸管承受的最大正向电压和反向电压分别为 2–√2U2 2 2 U 2 和 2–√U2 2 U 2 。

整流电压平均值为：

α=0 α = 0 时， Ud=Ud0=0.9U2 U d = U d 0 = 0.9 U 2 。 α=180o α = 180 o 时， Ud=0 U d = 0 。可见， α α 角的移相范围为 180o 180 o 。

向负载输出的直流电流平均值为：

流过晶闸管的电流平均值 ：

流过晶闸管的电流有效值为：

变压器二次侧电流有效值 I2 I 2 与输出直流电流有效值 I I 相等，为

不考虑变压器的损耗时，要求变压器的容量为

S=U2I2 S = U 2 I 2

。

桥式整流电路–带阻感负载

• 电路分析
  在 u2 u 2 正半周期

  触发角 α α 处给晶闸管 VT1 V T 1 和 VT4 V T 4 加触发脉冲使其开通， ud=u2 u d = u 2 。
  负载电感很大， id i d 不能突变且波形近似为一条水平线。

  u2 u 2 过零变负时，

  由于电感的作用晶闸管 VT1 V T 1 和 VT4 V T 4 中仍流过电流 id i d ，并不关断。

  ωt=π+α ω t = π + α 时刻

  触发 VT2 V T 2 和 VT3 V T 3 ， VT2 V T 2 和 VT3 V T 3 导通， u2 u 2 通过 VT2 V T 2 和 VT3 V T 3 分别向 VT1 V T 1 和 VT4 V T 4 施加反压使 VT1 V T 1 和 VT4 V T 4 关断，流过 VT1 V T 1 和 VT4 V T 4 的电流迅速转移到 VT2 V T 2 和 VT3 V T 3 上，此过程称为换相，亦称换流。

• 计算
  整流电压平均值为：
  

  当 α=0 α = 0 时， Ud0=0.9U2 U d 0 = 0.9 U 2 。 α=90o α = 90 o 时， Ud=0 U d = 0 。晶闸管移相范围为 90o 90 o 。
  晶闸管承受的最大正反向电压均为 2–√U2 2 U 2 。

  晶闸管导通角 θ θ

  晶闸管导通角 θ θ 与 α α 无关，均为 180o 180 o ，其电流平均值和有效值分别为: IdT=12Id I d T = 1 2 I d 和 IT=12–√Id=0.707Id I T = 1 2 I d = 0.707 I d 。
  变压器二次侧电流 i2 i 2 的波形为正负各 180o 180 o 的矩形波，其相位由 α α 角决定，有效值 I2=Id I 2 = I d 。

桥式整流电路–带反电动势负载

当负载为蓄电池、直流电动机的电枢（忽略其中的电感）等时，负载可看成一个直流电压源，对于整流电路，它们就是反电动势负载。

• 电路分析
  
  
  当负载为蓄电池、直流电动机的电枢（忽略其中的电感）等时，负载可看成一个直流电压源，对于整流电路，它们就是反电动势负载。

• 电路分析
  |u2|>E | u 2 | > E 时，

  |u2|>E | u 2 | > E 时，才有晶闸管承受正电压，有导通的可能。

  晶闸管导通之后

  ud=u2 u d = u 2 ， id=dd−ER i d = d d − E R ，直至 |u2|=E | u 2 | = E ， id i d 即降至 0 0 使得晶闸管关断，此后 ud=E u d = E 。

  与电阻负载时相比，晶闸管提前了电角度 δ δ 停止导电， δ δ 为停止导电角。
  

  δ=arcsinE2–√U2 δ = a r c s i n E 2 U 2
  
  当 α<δ α < δ 时

  触发脉冲到来时，晶闸管承受负电压，不可能导通。

触发脉冲有足够的宽度，保证当触发脉冲有足够的宽度，保证当 ωt=δ ω t = δ 时刻有晶闸管开始承受正电压时，触发脉冲仍然存在。这样，相当于触发角被推迟为 δ δ 。

• 电流断续

id i d 波形在一周期内有部分时间为 0 0 的情况，称为电流断续。
负载为直流电动机时，如果出现电流断续，则电动机的机械特性将很软。为了克服此缺点，一般在主电 路中直流输出侧串联一个平波电抗器。电感量足够大使电流连续，晶闸管每次导通 180o 180 o ，这时整流电压 ud u d 的波形和负载电流 id i d 的波形与电感负载电流连续时的波形相同， ud u d 的计算公式亦一样。

为保证电流连续所需的电感量L可由下式求出：

• 单相全波与单相全控桥的区别
  单相全波中变压器结构较复杂，材料的消耗多。
  单相全波只用2个晶闸管，比单相全控桥少2个，相应地，门极驱动电路也少2个；但是晶闸管承受的最大电压是单相全控桥的2倍。
  单相全波导电回路只含1个晶闸管，比单相桥少1个，因而管压降也少1个。
  从上述后两点考虑，单相全波电路有利于在低输出电压的场合应用。

类型	半波整流	全波整流	桥式整流
脉动性直流电的频率	50Hz不利于滤波	100Hz有利于滤波	100Hz有利于滤波
整流效率	低，只用半周交流电	高，使用正负半周交流电	高，使用正负半周交流电
对电源变压器的要求	不要求有抽头，变压器成本低	要求有抽头，变压器成本高	不要求有抽头，变压器成本低
整流二极管承受的反向电压	2–√U2 2 U 2	22–√U2 2 2 U 2	2–√U2 2 U 2
电路结构	简单	一般	复杂
所用二极管数量	一只	两只	四只