电力电子技术 第九章——二极管整流器

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一、单相不可控整流电路

1、纯电阻负载

（1）下图所示的是纯电阻负载的单相半波整流器原理图及其输入输出波形，其中使用的是“理想二极管”，认为其正向导通电压为0。

（2）下图所示的是纯电阻负载的两种全波整流器原理图及其输出波形（输入波形与上面一例相同），其中使用的均为“理想二极管”，认为它们的正向导通电压均为0。

2、R-L负载

（1）当负载是电感与电阻串联时，单相半波整流器原理图及其输入输出波形如下图所示。

（2）当负载有电感且电感值很大时（感值越大，纹波越小），应用小波纹近似，可将它视为电流源（理想电流源无内阻，其自身不会产生压降），于是二极管整流桥电路原理图及其输入输出波形如下图所示（图一为纯电阻负载，图二为有大电感负载）。

（3）实际上，输入的交流电压源并非理想，它常常带有寄生电感，如下图所示，以下分析寄生电感对电路的影响。

        首先分析二极管整流半桥电路，理想情况下，假定输入侧的电感感值为0，那么不难得出输入输出波形如下图所示，电路只存在两个状态——仅D1导通和仅D2导通，电流的换向是瞬间的，不存在第三个状态

        然而，当输入侧的电感感值不为0时，由于电感电流不能突变，它阻碍了的瞬间换向，因此在换向过程中电路将处于第三个状态，此状态下两个二极管均导通

        二极管整流半桥电路的结果可推演到二极管整流全桥电路中，如下图所示，主要原则就是电感电流不能突变，它会阻碍的瞬间换向，形成一个“缓冲”

3、R-C负载

（1）当负载是电容与电阻并联，且负载电容的容值非常大时，二极管整流全桥电路原理图及其输入输出波形如下图所示如下图所示。

（2）下图所示的是带电容负载的二极管整流全桥电路原理图及其输入输出波形，与上面不同的是，此处暂不考虑输入侧寄生电感和寄生电阻的影响，讨论的电容负载其容值并非无穷大，那么电容电压的纹波便会影响二极管的导通状态。

（3）下图所示的是带电容负载的二极管整流全桥电路原理图及其输入输出波形，与上面不同的是，输出侧增加了一个电感元件，它负责削弱电流尖峰，同时也能起到降低损耗的作用。

（4）实际中一个输入端可能连接多个输出端，如下图所示，然而实际中无法完全忽略输入端的寄生电感和寄生电阻的影响，如果其中一个输出端的负载产生异常，影响了输入电流，根据串联分压原理，这将引起输入端的节点电压不稳定，从而引起线路电压失真。

二、三相不可控整流电路

1、阻性负载

        下图所示的是负载为纯阻性的最简单的三相全桥整流电路原理图及其输入输出波形；单个电源的功率有限，三个电源可以增加输出功率，而所谓三相电，即三个输入电压源的相位不同，每个电压源与其它两个电压源有120°的相位差

        将电路中的二极管分为两组，D1、D3、D5轮替导通，D2、D4、D6轮替导通，原则为P点连接（即与之导通）三相电中电势最高的点，N点连接（即与之导通）三相电中电势最低的点，具体可回顾《模拟电路》中多二极管并联的分析方法

        状态1下，a相电压高于b相电压与c相电压，b相电压低于a相电压和c相电压，不难得出D1、D6导通

        状态2下，a相电压高于b相电压与c相电压，c相电压低于a相电压和b相电压，不难得出D1、D2导通

        状态3下，b相电压高于a相电压与c相电压，c相电压低于a相电压和b相电压，不难得出D3、D2导通

        状态4下，b相电压高于a相电压与c相电压，a相电压低于c相电压和b相电压，不难得出D3、D4导通

        状态5下，c相电压高于a相电压与b相电压，a相电压低于c相电压和b相电压，不难得出D5、D4导通

        状态6下，c相电压高于a相电压与b相电压，b相电压低于c相电压和a相电压，不难得出D5、D6导通

        不难发现，6个状态的时间各占整个交流周期的六分之一，每个二极管的导通时间各占整个交流周期的三分之一

2、感性负载

（1）下图所示的是负载为感性且电感感值非常大的最简单的三相全桥整流电路原理图及其输入输出波形，由于电感感值非常大，因此可将其等效为电流源，由于电流源与电阻都不主动输出电压，因此二极管的导通规则和负载为纯阻性的三相全桥整流电路是一样的，根据二极管的导通规则，自然可以得出输入三相电的电流波形。

        有大电感负载情况下，对输入电流做傅里叶级数展开，可以找到期望得到的周期正弦电流，相比于单相半波整流器，三相全桥整流电路的正弦电流波形更加契合输入电压，也就是说，供电的质量更高了

（2）实际上，输入的交流电压源并非理想，它常常带有寄生电感，如下图所示，以下分析寄生电感对电路的影响。

        以D5、D6导通切换到D1、D6导通为例，根据经验，不难得出电流换向过程中D5和D1会同时导通，D5上的电流逐渐减小，D1上的电流逐渐增大

        电流的连续变化是电感造成的，在电流换向期间，输入电压的变化量将全部施加在寄生电感上，直到完成换向，如下图所示

3、容性负载

（1）当负载是电容与电阻并联时，三相全桥整流电路原理图及其输入输出波形如下图所示如下图所示。

        根据二极管整流全桥电路的分析经验，不难得出，当三相电中其中一相高于电容电压且未达到峰值时，其中一对二极管导通，等于三相电中电压最高一相的电压，相应地，二极管会有一个突变的导通电流，波形呈现三角锯齿状，输入电源对电容进行充电

        当三相电中电压最高一相的电压达到峰值时，由于输入电压的变化速度往往比电容电压快，根据二极管整流全桥电路的分析经验，该相电压下降时二极管将关断，电容对电阻负载进行放电

（2）为了抑制二极管导通时的电流突变，可以在输出侧串联一个电感，同样的，它负责削弱电流尖峰，此处不再进行赘述。

（3）容性负载的三相全桥整流电路有一个边界，当超过这个边界时，三相输入电流及输出电流的波形将产生交叠，如下图所示。

（4）实际中无法完全忽略输入端的寄生电感和寄生电阻的影响，如下图所示，其中负载中的电容容值非常大，可将负载等效为电压源，根据以往的分析经验，不难得出当导通的二极管产生变化时，中间会有一个“过渡态”用于电流连续变化，此时输入电压的变化量将全部施加在寄生电感上，此处不再详细展开。