【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：erjiguandaotongchuqi，hongsexuxianyizuo，qidianliuhedianrongdianliugongtonggeidianzufuzaigongdian，daojiaoliudianyazugougaodianliuzugoudashicaigeidianrongchongdian
，dianrongdianyashangsheng。

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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