20大经典电路——桥式整流电路 / 开普饭

正向电压大到一定值（门槛电压UthUth ），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−t0td=t1−t0
电流下降时间：tf=t2−t1tf=t2−t1
反向恢复时间：trr=td+tftrr=td+tf
恢复特性的软度：tf/tdtf/td，或称恢复系数，用SrSr表示。

·②由零偏置转换为正向偏置

先出现一个过冲UFPUFP，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tfrtfr

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，UFPUFP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5us5us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5us5us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50ns50ns），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100ns100ns以下，甚至达到20 30ns20 30ns。

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 40ns10 40ns），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TT、整流二极管VTVT和负载电阻RR组成。变压器把市电电压u1u1（多为220V）变换为所需要的交变电压u2u2，VTVT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u1u1和u2u2表示，有效值分别用U1U1和U2U2表示，其中U2U2的大小根据需要的直流输出电压udud的平均值UdUd确定。在0～π0～π时间内，u2u2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，u2u2通过它加在负载电阻RR上，在π～2ππ～2π时间内，u2u2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，RR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RR，在RR上获得了一个单向的电压udud，达到了整流的目的。但是，负载电压udud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。

-αα：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。
-θθ：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αα增大，UdUd减小，该电路中VT的αα移相范围为180o180o。

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

id=0

,ud=0

ud=0

,uVT=u2

uVT=u2

。
··在ωt1

ωt1

时刻，即触发角α

α

处

ud=u2ud=u2
L的存在使idid不能突变，idid从0开始增加。

··u2u2由正变负的过零点处，idid已经处于减小的过程中，但尚未降到零，因此VT仍处于通态。
··ωt2ωt2时刻，电感能量释放完毕，idid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udud波形出现负的部分，与带电阻负载时相比其平均值UdUd下降。
VT处于通态时，如下方程成立：

在VT导通时刻，有ωt=αωt=α，id=0id=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, ϕ=arctanωLR 。由此式可得出图e所示的 id波形。当ωt=θ+α时，id=0，代入上式并整理得

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

流过晶闸管的电流平均值IdT和有效值IT分别为：

续流二极管的电流平均值IdDR和有效值IDR分别为

其移相范围为180o，其承受的最大正反向电压均为u2的峰值即√2U2 。续流二极管承受的电压为−ud，其最大反向电压为√2U2 ，亦为u2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正半周，VT1工作，变压器二次绕组上半部分流过电流。
··u2负半周，VT2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。
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2√2U2。

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

晶闸管承受的最大正向电压和反向电压分别为√22U2和√2U2 。

整流电压平均值为：

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

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与输出直流电流有效值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。

桥式整流电路–带阻感负载

电路分析
在u2正半周期

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

u2过零变负时，

由于电感的作用晶闸管VT1和VT4中仍流过电流id，并不关断。

ωt=π+α时刻

触发VT2和VT3，VT2和VT3导通，u2通过VT2和VT3分别向VT1和VT4施加反压使VT1和VT4关断，流过VT1和VT4的电流迅速转移到VT2和VT3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时，Ud0=0.9U2。α=90o时，Ud=0。晶闸管移相范围为90o。
晶闸管承受的最大正反向电压均为√2U2。

晶闸管导通角θ

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

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时，

|u2|>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，id=dd−ER，直至|u2|=E，id即降至0使得晶闸管关断，此后ud=E。

与电阻负载时相比，晶闸管提前了电角度δ停止导电，δ为停止导电角。

δ=arcsinE√2U2

当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。

电流断续

id波形在一周期内有部分时间为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，这时整流电压ud的波形和负载电流id的波形与电感负载电流连续时的波形相同，ud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	√2U2	2√2U2	√2U2
电路结构	简单	一般	复杂
所用二极管数量	一只	两只	四只

20大经典电路——桥式整流电路

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