整流電容濾波負載原理

摘要

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，但是在書本上，工程上的重要基礎問題沒有細講或沒有涉及，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(tǒng)設計中也沒有得到足夠重視，直接影響系統(tǒng)成本和可靠性。

第二講《二極管的損耗與波形系數》講了基礎知識，二極管和測量技術的基本概念，第三講以《阻感性負載和反電動勢負載》梳理了整流電路的分析方法。本講開始講整流橋的非線性負載和逆變器的非線性負載。

在交流供電的電源，家用電器，電機驅動器中，電容濾波這一非線性負載非常普遍。

電容濾波負載峰值電流遠高于平均值電流，也使得有效值電流比較大，這對整流橋電流造成大的應力。由于電流的諧波大，往往超過電磁兼容中諧波電流的限制，一般功率大于80W電路就需要加電感濾波，這也抑制了峰值電流。

單相整流電路的電容濾波負載分析

整流電路的電容濾波負載中的電容是儲能器件，它的作用是平滑整流橋輸出電壓的紋波Ubrumm，其儲存的能量和負載耗能相當，其端電壓uc在就是ud，其作用是反電動勢，上一講已經有了知識的鋪墊。

電容濾波整流電路中的二極管電流是不連續(xù)的，是非線性的，只有輸入電壓uL1>ud時，即t1~t2期間才有電流iL1對電容充電iC和對負載供電iL。在區(qū)間外，由于二極管反偏，連給負載供電機會都沒有。要在短時間給負載供能，這時峰值電流比平均值電流大好多，相應的有效值，即均方根電流也會大不少（見下面仿真數據）。

這樣的電路的缺點是電流峰值大，高次諧波大，受電磁兼容標準和法規(guī)的限制，一般功率大于80W電路就需要加電感濾波。

電流估算

在劉進軍主編的《電力電子技術》電容濾波的單相不可控整流電路中給出了一張圖表，負載大小（阻值）和濾波電容與對θ值和δ值的影響，圖中的電流波形是理想波形，上升沿是突變。

從圖中可以讀出δ值在40-70度，θ值在20-40度之間，除非不按照規(guī)則設計，采用特別大或特別小的電容。特別大的電容，在放電周期放掉電有限，母線紋波電壓很小，充電的θ角??；而很小的電容，母線紋波電壓很大，這時隨著交流電壓的上升，很快進入充電狀態(tài)，充電時間比較長，充電的θ角大。但出于成本考慮和母線紋波電壓的要求，充電的θ角不會太離譜。如果有濾波電感這表不適用。

按照GB/T 7260.3-2003不間斷電源設備(UPS)第3部分:確定性能的方法和試驗要求中資料性附錄基準非線性負載的規(guī)定，以1000VA負載為例，RL＝121Ω,C=1210μf。具體規(guī)定參考續(xù)篇《逆變器如何面對整流濾波非線性負載？》。

從上表中讀出：θ＝24°,δ=65°

對于10ms的半周期，其導通時間為t=24/180*10ms=1.33 ms，這與下表的仿真結果非常接近。

注：Rs=0.2Ω，是線路阻抗

知道δ值在40-70度，θ值在20-40度之間，我們可以計算在二極管導通時電容和電阻上的電流。這種電路在沒有輸入阻抗限制，哪怕在穩(wěn)態(tài)時，整流橋輸出電流也比較大。

在圖中可以讀出，二極管從t=0開始導通，到t=θ/2，時達到峰值，所以電流峰值計算如下：

這與上述的仿真結果比較接近。

但無論峰值電流多大，由于電容沒有消耗電能，其整流橋輸出的電流平均值就是電阻上的平均值，二極管電流平均值是電阻上電流平均值的一半。

二極管的平均值電流很容易計算，但計算二極管損耗時需要有效值，就需要知道峰值系數。

對于非線性負載的設計，建議采用仿真獲得設計參數。

線路阻抗對電流的影響

線路阻抗電流的峰值會有很大的影響，阻抗從0.05Ω增加到5Ω，線路上峰值電流時的壓降僅U=IR=4*5=20V，在311V占比僅6%，但對抑制峰值電流效果很明顯。按照GB/T 7260.3-2003中基準非線性負載的規(guī)定，串聯的線性電阻，其消耗有功功率為總表觀功率的4%。在實際系統(tǒng)設計中會采用交流側或直流側的電感，目的是降低系統(tǒng)的諧波電流，同時也減低峰值電流。

從理論分析和仿真模擬可以看出，整流二極管的應力與線路阻抗有很大關系，實際系統(tǒng)需要滿足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）。如果是二極管整流，需要通過串聯電感來滿足諧波電流，這時峰值電流不會太大。

下一講預告 

《整流電容濾波負載實例》

摘要：以家用空調作為單相整流電容濾波電路和英飛凌22kW通用變頻器為三相整流電容濾波電路為例，通過PLECS仿真驗證設計參數，給出波形系數的經驗值，方便工程計算。