【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(dòng)中是主流的方案，而且功率范圍很廣，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逆變器功率范圍更廣，數量更多。為了降低諧波電流，有源PFC應用越來(lái)越廣泛，但二極管整流在電機驅動(dòng)中還是主流的方案，而且功率范圍很廣，所以了解二極管整流工程設計非常重要。

整流電路是電力電子課程的基礎內容，占篇幅也很大，但是在書(shū)本上，工程上的重要基礎問(wèn)題沒(méi)有細講或沒(méi)有涉及，尤其重要的整流電容濾波負載往往被忽略了，以至于使得整流電路設計在中小功率系統設計中也沒(méi)有得到足夠重視，直接影響系統成本和可靠性。

要設計好整流電路，要回答兩個(gè)主要問(wèn)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(gè)二極管上流過(guò)的是直流電流，那么，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(guò)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(gè)部分是直流電壓平均值與直流平均電流的積，這里需要知道流過(guò)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，這里需要知道流過(guò)二極管電流有效值。

為了簡(jiǎn)化工程計算，我們對于各種整流電路的不同負載波形給出了波形系數，即電流有效值與電流平均值之比。在實(shí)際計算中我們只要知道平均值電流就可以了。

那么：

在實(shí)際整流橋設計中，要考慮二極管的損耗，也要關(guān)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。

下面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系數。

實(shí)例一：類(lèi)家用空調單相整流電路

以一個(gè)類(lèi)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(shuō)明問(wèn)題同時(shí)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(shí)的二極管的電流和電容電壓PLECS仿真波形如下圖：二極管導通初期，紅色虛線(xiàn)以左，其電流和電容電流共同給電阻負載供電，到交流電壓足夠高電流足夠大時(shí)才給電容充電，電容電壓上升。

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

同時(shí)探討在不考慮電網(wǎng)阻抗情況下，分析不同的輸入電感時(shí)的峰值電流。電感從0.2mH到5mH時(shí)，單相全橋整流的波形系數為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(tài)工況對二極管的應力也非常大，諧波電流也大，對電網(wǎng)非常不友好，遠不能滿(mǎn)足GB17625.1低壓電氣及電子設備發(fā)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(yè)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

案例以英飛凌參考設計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(fēng)扇、壓縮機、傳送帶等應用開(kāi)發(fā)的通用變頻器。該設計具有典型電機驅動(dòng)器的外觀(guān)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）、控制器和帶風(fēng)扇的散熱器。它可以直接在三相電網(wǎng)上運行。

變頻器主要參數

器件參數

三相共模電感：

標稱(chēng)電感L₀=1.1mH，1.6mohm,62A，

直徑98mm，高度54mm，

型號為T(mén)DK B82748S6623N030，實(shí)際考慮直流偏磁（I_R=62A,<10%），仿真時(shí)用1mH。

直流濾波電容：

電容為2200uF/450V型號為T(mén)DK B43512A5228M067,六個(gè)電容三并兩串聯(lián)，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，制動(dòng)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(gè)芯片的最大正向有效值電流 I_FRMSM=100A

正向浪涌電流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系數并不是太大，取值在2左右，只有在沒(méi)有電感情況下，如假設線(xiàn)路電感為0.01mH時(shí)，電流波形系數才會(huì )超過(guò)3，這時(shí)二極管上損耗將顯著(zhù)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(guò)二極管的電流為14.4A。因為仿真時(shí)已經(jīng)讀得二極管的有效值電流25.3A，這樣波形系數為1.76。代入下面公式，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 在合理的設計范圍，單相整流電容濾波電路的電流波形系數為3左右，而三相整流電容濾波電路的電流電流波形系數為2左右。

2 在線(xiàn)路低阻抗和輸入電感量比較小時(shí)，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系數因數很多，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 

《逆變器如何面對整流濾波非線(xiàn)性負載？》

摘要：解讀UPS標準，研究線(xiàn)路阻抗對整流電容濾波這類(lèi)非線(xiàn)性負載的影響，同時(shí)討論針對整流電容濾波這類(lèi)非線(xiàn)性負載逆變器輸出特性的設計對策和測試方法。

來(lái)源：英飛凌，原創(chuàng )：陳子穎  

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