【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，而且功率範圍很廣
，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逆變器功率範圍更廣，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，而且功率範圍很廣，所以了解二極管整流工程設計非常重要。

整(zheng)流(liu)電(dian)路(lu)是(shi)電(dian)力(li)電(dian)子(zi)課(ke)程(cheng)的(de)基(ji)礎(chu)內(nei)容(rong)
，占(zhan)篇(pian)幅(fu)也(ye)很(hen)大(da)，但(dan)是(shi)在(zai)書(shu)本(ben)上(shang)，工(gong)程(cheng)上(shang)的(de)重(zhong)要(yao)基(ji)礎(chu)問(wen)題(ti)沒(mei)有(you)細(xi)講(jiang)或(huo)沒(mei)有(you)涉(she)及(ji)
，尤(you)其(qi)重(zhong)要(yao)的(de)整(zheng)流(liu)電(dian)容(rong)濾(lv)波(bo)負(fu)載(zai)往(wang)往(wang)被(bei)忽(hu)略(lve)了(le)，以(yi)至(zhi)於(yu)使(shi)得(de)整(zheng)流(liu)電(dian)路(lu)設(she)計(ji)在(zai)中(zhong)小(xiao)功(gong)率(lv)係(xi)統(tong)設(she)計(ji)中(zhong)也(ye)沒(mei)有(you)得(de)到(dao)足(zu)夠(gou)重(zhong)視(shi)
，直(zhi)接(jie)影(ying)響(xiang)係(xi)統(tong)成(cheng)本(ben)和(he)可(ke)靠(kao)性(xing)。

要設計好整流電路
，要回答兩個主要問題
，二極管上的電流和損耗。

二極管的損耗

以帶三相整流橋的100A 1200V三相逆變橋 FP100R12W3T7_B11為例，整流二極管的I_F=f(V_F)特性如圖所示，表達式為：

從圖表上讀得：

V_TO=0.73V r_T=0.00272ohm @25oC

二極管整流橋輸入是交流電流
，但單個二極管上流過的是直流電流
，那麼
，二極管上的損耗

，即二極管上的平均功率為：

在公式中，電流的量化涉及到二極管上的電流平均值I_AV和電流有效值I_RMS。在二極管上流過的是直流電流，我們計算的是直流下的平均功耗（功率），所以功耗（功率）第一個部分是直流電壓平均值與直流平均電流的積，這裏需要知道流過二極管的平均電流；而電阻性的損耗（功率）是電流有效值的平方與電阻值的積
，這裏需要知道流過二極管電流有效值。

為wei了le簡jian化hua工gong程cheng計ji算suan
，我wo們men對dui於yu各ge種zhong整zheng流liu電dian路lu的de不bu同tong負fu載zai波bo形xing給gei出chu了le波bo形xing係xi數shu，即ji電dian流liu有you效xiao值zhi與yu電dian流liu平ping均jun值zhi之zhi比bi。在zai實shi際ji計ji算suan中zhong我wo們men隻zhi要yao知zhi道dao平ping均jun值zhi電dian流liu就jiu可ke以yi了le。

那麼：

在實際整流橋設計中，要考慮二極管的損耗，也要關注其峰值電流，在小電感的電路中，峰值電流θ角小，電流峰值幅度很大。

下麵以單相整流和三相整流電容濾波負載為例，仿真分析電流及波形係數。

實例一：類家用空調單相整流電路

以一個類空調的整流電路為例，電容取值1500uf，電感3.5mH放在交流測，負載電阻121歐，平均功率在700瓦水平。為了說明問題同時也分析了輕載情況
，負載電阻1210歐，平均功率在70瓦水平。

L_n=3.5mH時的二極管的電流和電容電壓PLECS仿真波形如下圖：二(er)極(ji)管(guan)導(dao)通(tong)初(chu)期(qi)，紅(hong)色(se)虛(xu)線(xian)以(yi)左(zuo)
，其(qi)電(dian)流(liu)和(he)電(dian)容(rong)電(dian)流(liu)共(gong)同(tong)給(gei)電(dian)阻(zu)負(fu)載(zai)供(gong)電(dian)

，到(dao)交(jiao)流(liu)電(dian)壓(ya)足(zu)夠(gou)高(gao)電(dian)流(liu)足(zu)夠(gou)大(da)時(shi)才(cai)給(gei)電(dian)容(rong)充(chong)電(dian)，電(dian)容(rong)電(dian)壓(ya)上(shang)升(sheng)。

在仿真中我們可以獲得電流值，從而算得波形係數
，在空調典型設計中電感為3.5mH時
，波形係數為2.6。

同時探討在不考慮電網阻抗情況下
，分析不同的輸入電感時的峰值電流。電感從0.2mH到5mH時，單相全橋整流的波形係數為3.8-2.5之間。

設計中要考慮平均值電流與峰值電流之比，在0.2mH小電感情況下，峰值電流高達22A，是平均值電流的18倍，這種穩態工況對二極管的應力也非常大
，諧波電流也大，對電網非常不友好
，遠不能滿足GB17625.1低壓電氣及電子設備發出的諧波電流限值（設備每相輸入電流≤16A）要求。

這在目前工業通用變頻器設計中要考慮
，以保證帶單相整流橋的IGBT PIM模塊的安全工作。

案例二：三相通用變頻器整流電路

案例以英飛淩參考設計REF-22K-GPD-INV-EASY3B為例做PLECS仿真分析。該參考設計額定功率為22kW
，是為泵

、風扇、壓縮機、傳送帶等應用開發的通用變頻器。該設計具有典型電機驅動器的外觀和內部構成
，包括EMI濾波器
、預充電電路和電容器組、隔離電源
、IGBT模塊（EasyPIM 3B IGBT模塊FP100R12W3T7_B11）、控製器和帶風扇的散熱器。它可以直接在三相電網上運行。

變頻器主要參數

器件參數

三相共模電感：

標稱電感L₀=1.1mH，1.6mohm,62A，

直徑98mm，高度54mm
，

型號為TDK B82748S6623N030，實際考慮直流偏磁（I_R=62A,<10%）
，仿真時用1mH。

直流濾波電容：

電容為2200uF/450V型號為TDK B43512A5228M067,六個電容三並兩串聯，電容組電容量為3300uF。

IGBT模塊：

EasyPIM 3B IGBT模塊FP100R12W3T7_B11是帶三相整流橋
，製動單元和三相逆變器的模塊
，逆變器采用100A，1200V IGBT7芯片。

其中的整流二極管每個芯片的最大正向有效值電流 I_FRMSM=100A

正向浪湧電流880A@tp=10ms

V_TO=0.73V r_T=0.00272ohm@25oC

仿真原理圖

仿真結果可以看出，在通用變頻器的典型設計中
，三相整流橋中二極管的電流波形係數並不是太大
，取值在2左右
，隻有在沒有電感情況下

，如假設線路電感為0.01mH時，電流波形係數才會超過3，這時二極管上損耗將顯著增加。

利用負載平均值電流計算二極管損耗

22kW的變頻器的負載仿真中用電阻代替
，取值11.5歐姆，這樣負載的平均值電流為43.2A
，流過二極管的電流為14.4A。因為仿真時已經讀得二極管的有效值電流25.3A，這樣波形係數為1.76。代入下麵公式，算出二極管損耗為12.3W，與仿真結果一致。

仿真波形供參考

結論

1 在合理的設計範圍，單相整流電容濾波電路的電流波形係數為3左右，而三相整流電容濾波電路的電流電流波形係數為2左右。

2 在線路低阻抗和輸入電感量比較小時

，二極管的峰值電流影響需要考慮。

3 影響整流電容濾波電路波形係數因數很多
，建議采用PLECS做仿真
，以獲得二極管的損耗和峰值電流。

下一講預告 

《逆變器如何麵對整流濾波非線性負載
？》

摘要：解讀UPSbiaozhun，yanjiuxianluzukangduizhengliudianronglvbozheleifeixianxingfuzaideyingxiang，tongshitaolunzhenduizhengliudianronglvbozheleifeixianxingfuzainibianqishuchutexingdeshejiduiceheceshifangfa。

來源：英飛淩
，原創：陳子穎  

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