【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(shù)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。
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IF=f(VF)特性如圖所示，表達式為：
從圖表上讀得：
VTO=0.73V rT=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IAV和電流有效值IRMS。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，這里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，這里需要知道流過二極管電流有效值。
為了簡化工程計算，我們對于各種整流電路的不同負載波形給出了波形系數(shù)，即電流有效值與電流平均值之比。在實際計算中我們只要知道平均值電流就可以了。
那么：
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(shù)。
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。
Ln=3.5mH時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(shù)，在空調典型設計中電感為3.5mH時，波形系數(shù)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系數(shù)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(wěn)態(tài)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(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、風扇、壓縮機、傳送帶等應用開發(fā)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）、控制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(shù)
器件參數(shù)
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（IR=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 IFRMSM=100A
正向浪涌電流880A@tp=10ms
VTO=0.73V rT=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(shù)并不是太大，取值在2左右，只有在沒有電感情況下，如假設線路電感為0.01mH時，電流波形系數(shù)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，這樣波形系數(shù)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(shù)為3左右，而三相整流電容濾波電路的電流電流波形系數(shù)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系數(shù)因數(shù)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性負載？》
摘要：解讀UPS標準，研究線路阻抗對整流電容濾波這類非線性負載的影響，同時討論針對整流電容濾波這類非線性負載逆變器輸出特性的設計對策和測試方法。
來源：英飛凌，原創(chuàng)：陳子穎
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