第四章二極管整流電路

4.1簡介4.2整流電路的基本概念4.3單相橋式二極管整流電路4.4單相雙重電壓整流電路4.5單相整流電路對三相四線制系統的中線電流的影響4.6三相全橋整流電路4.7單相整流電路與三相整流電路的比較4.8開通時的瞬間沖擊電流和過電壓

4.9電流諧波和低功率因數的影響與對應的改善措施

小結

首頁第四章二極管整流電路

下頁返回4.1簡介多數情況下，通過對交流電的整流得到直流電。

整流電路將交流電轉變為直流電的裝置。二極管整流電路的功率從交流側流向直流側。多數情況下，整流電路的交流側輸入沒有變壓器，而是直接與工作電源相連。usidud+-is交流電源整流模塊下頁上頁返回第四章二極管整流電路

輸出的直流電壓中含有一定紋波，通常在直流側并聯一個大電容以穩定輸出的直流電壓。在不考慮線路電感的前提下，該電容器的充電電壓接近交流輸入電壓的峰值。在50或60Hz的交流輸入電壓的峰值附近，通過整流電路的電流非常大，電流不連續。在每半個周期內，電流在一個有限的時間段內為零，這種整流電路的運行產生大量的畸變電流。下頁上頁返回第四章二極管整流電路

二極管整流電路是整流電路的基礎，在此基礎上采用全控型電力電子器件，實現整流電路的功率因數、諧波、交流側電流波形的改善和動態特性的控制。在對整流電路的分析中，假定二極管是理想的，即導通時管壓降為零（導通電阻為零），斷開時呈現的阻抗為無窮大。下頁上頁返回第四章二極管整流電路

4.2整流電路的基本概念4.2.1純電阻負載

輸出電壓ud和輸出電流id中含有大量的紋波，這種電路在實際應用中意義不大。usuduD+-idR+-t0us

udidi+us-uDuL

R+-+uR-+ud-L+-下頁上頁返回第四章二極管整流電路

4.2.2感性負載電感與電阻相串聯，將負荷部分變為感性負載。t=0時之前，電源電壓us為負，電路中電流為零。t=0時，二極管出現正向偏置，電流準備流過二極管。下頁上頁返回第四章二極管整流電路

t>0時，二極管用短路代替。電路中的電流由下面微分方程確定：i+us-uL

R+uR-+ud-L+-電感電壓：

uL=L·di/dt

i+us-uL

R+uR-+ud-L+-uD+-ABT=1/ft1t00t2t1t3下頁上頁返回第四章二極管整流電路

usiuRuDt1之前，us>uR（uL=us－uR值為正），電流不斷增大，電感的儲能也隨之增加。

t1之后，uL為負值，電流隨之減小。t2時刻后，雖然輸入的電源電壓us變負，但是電流仍維持正向導通。t00tuDfquL下頁上頁返回第四章二極管整流電路

t3時刻，電流減小到零，二極管停止導通，整個電路相當于開路。此時電感電壓并不等于零。i+us-uL

R+uR-+ud-L+-uD+-ABT=1/ft1t00t2t1t3usiuRuDt00tuDfquL下頁上頁返回第四章二極管整流電路

t3時刻電感電壓為:uL(t)=L·di/dt對上式兩邊同時積分，積分區間從0～t3，且i(0)和i(t3)為零，于是有：由此可知:改寫后得:下頁上頁返回第四章二極管整流電路

式可分解為:面積A和B的關系為：當面積A=B時，電流在t3時刻降低為零。ABT=1/ft1t00t2t1t3usiuRuDt00tuDfquL下頁上頁返回第四章二極管整流電路

在t3時刻之后，R和L上的電壓為零，二極管上的電壓等于－us(t)，極性相反。波形在每個周期T(=1/f)內重復ABT=1/ft1t00t2t1t3usiuRuDt00tuDfquL下頁上頁返回第四章二極管整流電路

在t2到t3的區間內負載電壓ud(t)為負，與純電阻性負載相比，這種情況下的負載平均電壓顯著降低。ABT=1/ft1t00t2t1t3usiuRuDt00tuDfquLi+us-uL

R+uR-+ud-L+-+Ed-+us

-uDuL

udLi下頁上頁返回第四章二極管整流電路

4.2.3含直流電壓源的負載負載部分由電感和電勢為Ed的直流電壓源組成。usm下頁上頁返回第四章二極管整流電路

0tt1t2t3usit0BAt0uLuD

當us(t)超過Ed時，二極管在t1時刻開始導通。電流在t2時刻達到峰值（us與Ed再次相等時）。

t3時刻電流衰減到零。A和B面積相等，由此可確定t3的值。下頁上頁返回第四章二極管整流電路

4.3單相橋式二極管整流電路idisiL+us(t)-+ud-Cd

Ls交流輸入等效模型并聯在直流側的大電容起濾波作用下頁上頁返回第四章二極管整流電路

4.3.1Ls=0

的理想電路idisiL+us(t)-+ud-Cd

Ls

假定Ls=0，用電阻R或直流電流源表示整流電路的直流側。idis+us(t)-udNPRVD4VD3VD2VD1idis+us(t)-udNPVD4VD3VD2VD1id下頁上頁返回第四章二極管整流電路

+Ed-+us

-uDuL

udLi在整流電路直流輸出部分一般都要串聯一個大電感，如圖所示，以得到平穩的輸出電流。idis+us(t)-udNPVD4VD3VD2VD1id用恒定直流電流源近似表示感性負載，是整流電路的分析中是常用的方法。下頁上頁返回第四章二極管整流電路

idisudPVD4NVD1VD2VD3id+us(t)-當us(t)大于零時，二極管VD1有id流過，us(t)將作為反向偏置電壓施加在二極管VD3上。因Ls=0，電流id瞬間轉向二極管VD3，反向偏置電壓施加在二極管VD1上。當us(t)小于零時，下頁上頁返回第四章二極管整流電路

idisudPVD4NVD1VD2VD3id+us(t)-當us(t)大于零時，二極管VD2流過電流id，us(t)作為反向偏置電壓施加在二極管VD4上。電流id瞬間轉向二極管VD4，電源電壓對二極管VD2呈現反偏。當us(t)小于零時，下頁上頁返回第四章二極管整流電路

0tusist0Idt=0udidt0usIdt0t=0id=Idud兩個電路中，當us大于零時，二極管VD1和VD2導通，此時，ud=us(t)，is=id

;當us(t)小于零時，二極管VD3和VD4導通，則ud=－us(t)，is=－id。下頁上頁返回第四章二極管整流電路

idisudPVD4NVD1VD2VD3id+us(t)-直流側輸出電壓為：交流側電流為：假定Ls

=0，兩個電流值之間的轉換瞬時完成。下頁上頁返回第四章二極管整流電路

0tusist0Idt=0udidt0usIdt0t=0id=Idud在圖中取任意時刻為起始時間t=0，然后對在半個周期上進行積分（w=2pf，wT/2=p），可以得到兩個電路的直流輸出電壓的平均值Ud0。下頁上頁返回第四章二極管整流電路

即:下標0代表Ls=0理想情況，Us為輸入電壓的有效值。0tusist0Idt=0udidt0usIdt0t=0id=Idud下頁上頁返回第四章二極管整流電路

f1=50Hzwt0usisis1根據有效值的基本定義有：Is=Id對is進行傅立葉分解，理想情況下的基波分量為：式中，下標“h”表示諧波次數，下頁上頁返回第四章二極管整流電路

h011.035791311is中的各次諧波分量如圖所示，由此所計算出的諧波總畸變率為：

THD=48.43%is1波形曲線與us波形同相位:DPF=1.0

f1=50Hzwt0usisis1下頁上頁返回第四章二極管整流電路

右圖所示單相二極管整流電路，Ls為零，直流側為恒定電流，Id=10A。試計算負載所吸收的平均功率。idis+us(t)-udNPVD4VD3VD2VD1id若us為正弦電壓曲線，

Us=120V，頻率50Hz；若us為下圖所示的矩形波。200V120°120°60°60°60°120°f=50Hz200Vwt例1下頁上頁返回第四章二極管整流電路

解

(1)

us為正弦電壓曲線，Us=120V，Ud=0.9Us=108VPd=UdId=1080W(2)根據整流電路的工作原理可知，直流輸出電壓波形如圖所示，所求平均電壓和負載吸收的功率分別為：200V120°120°60°60°60°120°f=50Hzwt下頁上頁返回第四章二極管整流電路

4.3.2Ls對電流換流的影響isId+

-udVD4VD1VD2VD3Lsus(t)換流時間交流側電流is從+Id

到－Id（或相反）轉換過程中所需的時間間隔。換流電流從一個二極管轉到另一個二極管的過程。換路

換流換流時間所對應的電角度用符號g表示。下頁上頁返回第四章二極管整流電路

Id+-VD1VD2+-+ud-uLisus(t)

正弦電壓源恒定電流源Ls

=0時?

wt0usisud下頁上頁返回第四章二極管整流電路

Id+-VD1VD2+-+ud-uLisus(t)

wt=0之前：us﹤0，Id在VD2中流通，ud

=0，is=0。

wt=0：us﹥0

，VD1上承受正向偏置電壓，開始導通。uLId+-D1D2+-+ud=0-isIdiD1LsiD2us(t)

理想二極管的導通壓降uVD=0下頁上頁返回第四章二極管整流電路

根據兩網孔電流基爾霍夫電流定律，流過二極管的電流為:iVD2=Id

－is

當wt=g

：is→Id

iVD2>0，VD2導通二極管VD2在wt=g

時停止導通。uL=0Id+-D1D2+-+ud=us-is=IdiD1LsiD2us(t)+-uLIdD1D2+-+ud=0-isIdiD1LsiD2us(t)

下頁上頁返回第四章二極管整流電路

換流重疊角換流時間間隔所對應的電角度，用符號g表示。換流開始時，電感中電流is的值為零，換流結束時電感中的電流為Id。uLIdD1D2+-+ud=0-isIdiD1LsiD2us(t)

交流輸入電壓或換流電流為：下頁上頁返回第四章二極管整流電路

上式右邊可寫成wLs

dis/d(wt)：對上式兩邊同時積分，換流角度為0～g，對應的is從0變化到Id，因此有：對電感電壓uL在換流期間內的積分Ag下頁上頁返回第四章二極管整流電路

0wtusud=0udwt0uL00wtis對電壓的積分結果為圖中的面積Ag

：下頁上頁返回第四章二極管整流電路

由上兩式可得:重新整理后得：

如果Ls

=0，則cosg

=1，即g=0。不考慮線路電感，整流電路的換流瞬時完成。下頁上頁返回第四章二極管整流電路

Ls的值越大，越能清晰表示換流過程。圖中，Ls

=0，ud的平均電壓Ud0為：wt0usisud下頁上頁返回第四章二極管整流電路

Ag0wtusud=0udwt0uL00wtis當

Ls

≠0，g

≠0，ud=0，因此：下頁上頁返回第四章二極管整流電路

式可改寫為：將代入上式得：下頁上頁返回第四章二極管整流電路

考慮線路電感時，平均輸出電壓從不考慮線路電感的平均輸出電壓Ud0中減去△Ud，△Ud為：下頁上頁返回第四章二極管整流電路

isId+

-udVD4VD1VD2VD3Lsus(t)isIdudVD4VD1VD2VD3Lsus+-+-ABwt0usAgudud=0wt0uLAgwt0is下頁上頁返回第四章二極管整流電路

wt=0之前，二極管VD3和VD4有電流Id流過,is=－Id與右圖所示電路中Ls

=0的情況一樣idis+us(t)-udNPVD4VD3VD2VD1idisIdudVD4VD1VD2VD3Lsus+-+-AB下頁上頁返回第四章二極管整流電路

計算電路形式用于分析電路在0<wt<g期間的電流換流過程。計算電路形式isIdudVD4VD1VD2VD3Lsus+-+-ABisIdusud=0+-BVD2VD4VD1igigVD3AId下頁上頁返回第四章二極管整流電路

isIdusud=0+-BVD2VD4VD1igigVD3AIdt=0時，us>0，二極管VD3和VD4相當于短路，二極管VD1和VD2處于正向偏置。

假定所采用的二極管相同，兩個換流電流相等。換流期間四個二極管都導通，ud=0。下頁上頁返回第四章二極管整流電路

根據網孔電流分析原理，換流期間的二極管電流和線電流is為：

換流開始時，換流電流ig為0

。換流結束時，ig增大到Id。isIdusud=0+-BVD2VD4VD1igigVD3AId下頁上頁返回第四章二極管整流電路

當wt=g時，iVD1=iVD2=Id，is=Id，電流從二極管VD3、VD4到VD1、VD2的換流期間，電感Ls中的電流從－Id變為Id。isIdusud=0+-BVD2VD4VD1igigVD3AId下頁上頁返回第四章二極管整流電路

對右上圖中理想電路的分析了解到，利用下列等式，對右下圖中電壓波形進行積分。wt0usAgudud=0wt0uLAgwt0usisud下頁上頁返回第四章二極管整流電路

求得曲線所圍成的面積Ag

為：根據上式可推得：移項整理后得：is(0)=－Id

wt0usAgudud=0wt0uLAg下頁上頁返回第四章二極管整流電路

在不考慮線路電感的理想情況下（Ls

=0），輸出電壓ud根據式ud

=

Ud0=0.9Us

計算。若考慮線路電感Ls時，Ud的計算可根據以下等式求得：下頁上頁返回第四章二極管整流電路

電壓ud在半個周波上存在局部變形，即積分“損失”的部分，該面積的大小為Ag，輸出電壓為：wt0usAgudud=0wt0uLAg下頁上頁返回第四章二極管整流電路

分析圖中電路的換流基本過程，其中us為正弦電壓曲線，Id

=10A。Us=120V，頻率50Hz，Ls=0，計算Ud和平均功率Pd；Us=120V，頻率50Hz，Ls=5mH，計算g、Ud和Pd；Id+-VD1VD2+-+ud-uLisus(t)

例2下頁上頁返回第四章二極管整流電路

解(1)

Ls=0wt0usud(2)

Ls

=5mH

g=24.85°下頁上頁返回第四章二極管整流電路

4.3.3直流側接恒定電壓源的情況ud(t)=Ud

用該電路形式近似模擬直流側接大電容的整流電路相當于在左圖中用直流電源置換電路中的電解電容isid+

-UdVD4VD1VD2VD3Lsus+

-+

-ABidisiL+us(t)-+ud-Cd

Lsud下頁上頁返回第四章二極管整流電路

假設，us≤Ud，電流id=0。根據此假設的有關電壓、電流波形如下圖所示wt00qpqbqf+qbusidwt0ABuLId下頁上頁返回第四章二極管整流電路

udwt00qpqbqf+qbusidwt0ABuLId

假設條件下的等值電路id+Ud-usLs+-下頁上頁返回第四章二極管整流電路

當us在θb點大于Ud時，二極管VD1和VD2處于導通狀態。電流在θp點達到最大值，過了該點uL小于零。

A和B面積相等時的對應點為θf，該點的電流值為零，同時A和B相互為負。從θf到π+θb，電流值一直為零。udwt00qpqbqf+qbusidwt0ABuLId下頁上頁返回第四章二極管整流電路

采用標幺化數值進行比較，電壓Ud的基準值取Ud0，Id以短路電流Isc為基準，短路電流為：短路電流整流電路處于短路狀態時，交流電壓源us直接加在電感Ls兩端所形成的電流有效值。下頁上頁返回第四章二極管整流電路

0.100.1200.080.060.040.021.201.251.301.351.401.451.501.551.60當Ud逼近交流輸入電壓的峰值時，其直流電流趨向于零。下頁上頁返回第四章二極管整流電路

4.3.4實際的二極管橋式整流電路負載部分用等值電阻代替idis+us-udCd

LsRLRsidisiL+us(t)-+ud-Cd

Ls下頁上頁返回第四章二極管整流電路

4.3.4.1極不連續電流下的分析計算假定電路運行已造成了id的極不連續，如圖所示，每半個周波內，id的波形只是在us波形的其中一小段不為零，在us的兩個過零點附近基本上都為零。udwt00qpqbqf+qbusidwt0ABuLId下頁上頁返回第四章二極管整流電路

利用Matlab對下圖中的全橋整流電路進行仿真，輸入參數為：Us

=120V，頻率60Hz，Ls=1mH，Rs=1mΩ，Cd=1000μF，RL

=20Ω。假定采用理想二極管，△t=25ms。例3idis+us-udCd

LsRLRs下頁上頁返回第四章二極管整流電路

解

在ud(tb)初值正確的情況下,利用Matlab程序,得仿真結果的波形：200150100500-5023456789121110T/2tft(ms)idudus下頁上頁返回第四章二極管整流電路

4.6三相全橋整流電路三相交流電壓供電，與單相整流電路相比，三相整流電路紋波含量低，具有較高的功率處理能力，更適應用于工業生產實際中。idia-+udCd

LsRLbLsLsacVD2VD1VD3VD5VD4VD6n-+-+下頁上頁返回第四章二極管整流電路

4.6.1Ls=0的理想電路用負載電阻RL代替恒流源Id，兩種電路的工作情況基本相同。Id

-+udbPacVD2VD1VD3VD5VD4VD6n-+-+Nia-+udRL

bPacVD2VD1VD3VD5VD4VD6n-+-+Nia下頁上頁返回第四章二極管整流電路

整流電路的另一種畫法-+udId

PacVD2n-+-+NiaId

upnnuNnVD6VD4bVD1VD3VD5Id

-+udbPacVD2VD1VD3VD5VD4VD6n-+-+Nia-+udId

PacVD2n-+-+NiaId

upnnuNnVD6VD4bVD1VD3VD5陽極電位最高的二極管導通，其余兩個管子電壓反向偏置關斷下頁上頁返回第四章二極管整流電路

Ls=0

時：陰極電位最低的二極管導通，其余兩個管子電壓反向偏置關斷0p/6-p/6AUd0下頁上頁返回第四章二極管整流電路

uPn是直流側正極性端P點相對于交流電壓中性點n的電壓。uNn是直流側負極性端N相對于交流電壓中性點n的電壓。0wtuanubnucnuPnuNnud0wt-+udId

PacVD2n-+-+NiaId

upnnuNnVD6VD4bVD1VD3VD5三相電壓波形下頁上頁返回第四章二極管整流電路

利用KVL分析直流側電流恒定的三相整流電路，可得直流側電壓：六脈動整流電路在每個周期內，整流輸出電壓波形由6個脈動波組成。

每個脈動波的波形對應一個線電壓，線電壓的組合共有6種。下頁上頁返回第四章二極管整流電路

直流電壓由6個線電壓的部分區間所形成，每個二極管導通120°。0p/6-p/6AUd00wtuanubnucnuPnuNnud0wt下頁上頁返回第四章二極管整流電路

wt0wt00wt1200VD11200VD4600VD4VD1iaibVD6VD3VD6VD3icVD2VD5VD2VD5三相電流波形下頁上頁返回第四章二極管整流電路

wt0wt00wt1200VD11200VD4600VD4VD1iaibVD6VD3VD6VD3icVD2VD5VD2VD5a相電流關系：ia=IdVD1導通-Id

VD4導通0VD1和VD4都不導通下頁上頁返回第四章二極管整流電路

根據Ls=0的假設條件，從一個二極管到另一個二極管的換流過程瞬時完成。

穩定輸出的情況下，每個周期的6個脈沖波相同，只需分析其中一個脈沖波的直流電壓平均值或交流輸入電流的有效值，計算出直流輸出電壓在60°或p/3弧度時間段內的平均值。-+udId

PacVD2n-+-+NiaId

upnnuNnVD6VD4bVD1VD3VD5下頁上頁返回第四章二極管整流電路

0p/6-p/6AUd00wtuanubnucnuPnuNnud0wt平均值的積分區間選擇三相線電壓中具有最高值的相作為積分區間，并以該區間的起始時刻作為積分開始時刻。下頁上頁返回第四章二極管整流電路

0p/6-p/6AUd00wtuanubnucnuPnuNnud0wt以線電壓uab為例，則有線電壓有效值下頁上頁返回第四章二極管整流電路

0p/6-p/6AUd00wtuanubnucnuPnuNnud0wt面積A為:下頁上頁返回第四章二極管整流電路

0p/6-p/6AUd00wtuanubnucnuPnuNnud0wt用時間間隔p/3除A，得：如用相電壓U表示直流輸出電壓的平均值，則:下頁上頁返回第四章二極管整流電路

wt0usisis1根據圖中相電流波形，可得到理想情況下線電流is的有效值：is的基波分量is1的有效值為:下頁上頁返回第四章二極管整流電路

根據h次諧波和基波分量關系，h次諧波電流Ish為：h=5，7，11，13，…is1與相電壓us同相位,所以：DPF=1.001.0131175hIsh/Is11/131/111/71/5下頁上頁返回第四章二極管整流電路

4.6.2

Ls對換流過程的影響實際上，變壓器繞組有漏感，線路有分布電感，由于電感對電流的變化起阻礙作用，電感電流不能突變，因此，換流過程不能瞬時完成。-+udId

bacVD2VD1VD3VD5VD4VD6n-+-+iaLs下頁上頁返回第四章二極管整流電路

-+udId

bacVD2VD1VD3VD5VD4VD6n-+-+iaLs假設t=0或wt=0是換流初始時刻,在這一時刻之前，電流id流經二極管VD5和VD6。下頁上頁返回第四章二極管整流電路

設兩相間電壓差為:udiff=uan

–ucn根據網孔電流列寫回路方程得相應相電流:uLaudm-+-+-+LsidicLscbauLc+-NPigIdn下頁上頁返回第四章二極管整流電路

換流重疊角在tg時刻換流過程結束，對應的電角度g=wtg

a，c兩相換流時的相電流波形IdIdg0wt0iaic下頁上頁返回第四章二極管整流電路

交流側電感上的電壓為：因為：ic=Id–ig所以：dic/dt=d(Id–ig)/dt=–dig/dt

uLaudm-+-+-+LsidicLscbauLc+-NPigIdn下頁上頁返回第四章二極管整流電路

利用KVL，并結合前面的微分方程，可推得：從而有：對上式兩邊同乘以w，并進行積分得：下頁上頁返回第四章二極管整流電路

根據所選擇的初始時刻，電壓差(uan–ucn)為：將上式代入得：整理后得：下頁上頁返回第四章二極管整流電路

電流的換流是瞬時完成：Ls=0零，cosg=1，g=0，換流開始wt=0時，電壓uPn等于uan，見下圖：wt0wt00wt1200VD11200VD4600VD4VD1iaibVD6VD3VD6VD3icVD2VD5VD2VD5g0g下頁上頁返回第四章二極管整流電路

wt0uanubnucnuPnAguNnAgLs≠0時，0<wt<wtg的區間內有：

換相過程中，電壓uPn為同時導通的兩個二極管所對應的兩個相電壓的平均值。下頁上頁返回第四章二極管整流電路

g0gwt0uanubnucnuPnAguNnAg換流期間，平均輸出電壓有一定的損失，所減小的面積Ag為：

換相壓降換流期間，輸出的平均電壓Ud降低的數值。平均直流輸出電壓為：Ls

=0時直流輸出電壓平均值下頁上頁返回第四章二極管整流電路

4.6.2.1．直流側接恒定電壓ud(t)=Ud假定直流側的電流id是不連續的，因此，任何時刻，上、下兩組二極管中只有一個二極管導通。idia-+udCd

LsRLbLsLsacVD2VD1VD3VD5VD4VD6n-+-+idia-+UdLsbLsLsacVD2VD1VD3VD5VD4VD6n-+-+下頁上頁返回第四章二極管整流電路

idia-+UdLs