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設計中也沒有得到足夠重視，直接影響系統成本和可靠性。

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角小；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，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定，以1000VA負載為例，RL＝121Ω,C=1210μf。具體規定參考續篇《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，哪怕在穩態時，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%。在實際系統設計中會采用交流側或直流側的電感，目的是降低系統的諧波電流，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，實際系統需要滿足GB17625.1低壓電氣及電子設備發出的諧波電流限值（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。