2.1 不可控整流电路

2.1.1 单相不可控整流电路

AC—DC电力变换可以利用电力二极管的单相导电性实现。由于二极管整流电路输出的直流电压仅由交流输入电压的大小决定，故称为不可控整流电路。

单相不可控整流电路的交流侧接单相电源。图2 1（a）为最简单的单相半波不可控整流电路，带电阻性负载。电阻负载的特点是电压与电流成正比，波形相同，相位相同。在生产实际中，有些负载基本上属于纯电阻或电阻性负载，如电阻加热炉、电解槽和电镀装置等。

该电路采用一只二极管VD₁作为整流器件。电源变压器原边电压瞬时值为u₁。副边电压瞬时值为u₂，其对应的工作波形如图2 1（b）所示。当u₂处于正半周时，二极管VD₁导通，负载电压u_d=u₂；当u₂处于负半周时，VD₁承受反压而截止，u_d=0。负载电流i_d波形与负载电压u_d波形相似，相位相同，但幅值不同。表21为单相半波不可控整流电路带电阻性负载时，各区间工作情况。

图21 单相半波不可控整流电路带电阻性负载

（a）整流电路；（b）工作波形

表2 1

单相半波不可控整流电路带电阻性负载时各区间工作情况

图2 2（a）为单相半波不可控整流电路，带阻感性负载。其对应的工作波形如图2 2（b）所示，当u₂处于正半周时，二极管VD₁导通，负载电压u_d=u₂，由于电感L有阻止电流变化的作用，在电感L两端产生极性为上正下负的感应电势e_L；在u₂从正峰值点逐渐下降并过零变负时，电感中的电流将随之减小。由于电感L有阻止电流变化的作用，在电感L两端产生相反方向的感应电势e_L，极性为下正上负。此电压与电源电压u₂叠加，使得二极管VD₁在u₂处于负半周后，仍然承受一段时间的正向电压而继续导通，从而将电源电压通过二极管VD，加到负载两端，出此负载两端电压u_d会出现负值。负载电压u_d和负载电流i_d的波形如图2 2（b）所示。表2 2为单相半波不可控整流电路带阻感性负载时，各区间工作情况。图22 不带续流二极管的单相半波不可控整流电路带阻感性负载的电路和波形

（a）整流电路；（b）工作波形

表22单相半波不可控整流电路带阻感性负载（无续流二极管）时各区间工作情况

在u₂过零变负后，由于电感L的续流作用，使负载两端电压u_d出现负值。为避免这种现象发生，应在负载两端反并联一只二极管VD₂，为负载电流提供续流通路，并切断电源与负载之间的电流通路。如图2 3（a）所示。在电源电压u₂为正时，续流二极管VD₂因承受反压而处于关断状态；而电源电压u₂过零变负时，在电感L两端产生极性为下正上负的感应电势e_L，使VD₂因承受正压而导通，将负载短路，输出电压u_d近似等于零。因此输出电压u_d的波形与带电阻性负载时的负载电压u_d波形相同。若负载中的电感量极大，则负载电流i_d连续，且近似为一条水平直线。负载电流i_d由i_VD1和i_VD2两部分组成，如图2 3（b）所示。表2 3为单相半波不可控整流电路带大电感负载，且并联续流二极管时，各区间工作情况。

图23 带续流二极管的单相半波不可控整流电路带大电感负载的电路和波形

（a）整流电路；（b）工作波形

表23单相半波不可控整流电路带阻感性负载（有续流二极管）时各区间工作情况

从图21中的负载电压u_d波形可以看出，半波整流时，负载电压仅为交流电源的正半周电压，造成交流电源利用率偏低，输出电压脉动大，因此实际应用较少。若能将交流电源的负半周电压也得到利用，即获得如图2 4（a）中的负载电压波形，则负载电压平均值u_d可提高一倍，电源利用率大大提高。为此可采用图2 4（b）中的单相全波整流电路，其在交流电源的正、负半周工作情况如图2 4（c）和（d）所示，单相全波整流电路带电阻性负载时各区间工作情况见表3-4。

图24 单相全波整流电路带电阻性负载的电路和波形

（a）单相全波整流电路负载电压波形；（b）单相全波整流电路；

（c）交流输入正半波整流电路工作图；（d）交流输入负半波整流电路工作图

表2 4

单相全波整流电路带电阻性负载时各区间工作情况

从图2 4（b）可以看出，单相全波整流电路必须要有一个带中心抽头的变压器，且二极管承受的最高电压为2㊣2U₂，对二极管的耐压要求较高。为了获得全波整流电路的负载电压波形，并克服全波整流电路的缺点，可采用单相桥式整流电路，如图2 5（a）所示。在单相输入的AC—DC整流电路中，单相桥式整流电路应用极为广泛。

图25 单相桥式整流电路

（a）单相桥式整流电路；（b）交流输入正半波整流电路工作图；（c）交流输入负半波整流电路工作图

表25为单相桥式整流电路带电阻性负载时，各区工作情况。

表2 5

单相桥式整流电路带电阻性负载时各区间工作情况

通过对单相半波整流电路、单相全波整流电路和单相桥式整流电路的分析可知，在单相半波整流电路中，交流电源中的电流是单方向的，其中含有较大的直流分量，电源变压器存在直流磁化现象。为了使变压器铁芯不饱和，需相应增大铁芯的截面积，从而导致设备容量增加，这是单相半波整流电路应用较少的主要原因之一。而在单相全波整流电路和单相桥式整流电路中，电源电流是双向流动的，既使得交流电源得到了充分的利用，也不存在电源变压器直流磁化现象，能有效克服单相半波整流电路的缺点。

2.1.2 三相不可控整流电路

单相交流整流电路所能提供的输出功率通常较小，一般在2.5kW以下，若要求电源提供更大的直流输出功率，就需要利用三相交流电源和三相整流电路，其中最常见、应用最普遍的是三相桥式整流电路。

由于三相桥式整流电路多用于中、大功率场合，因此很少采用单个二极管进行组合，而多采用三相整流模块，如图2 6（a）所示。三相桥式整流电路内部结构如图2 6（b）所示，其中阴极连接在一起的3只二极管（VD₁，VD₃，VD₅）组成共阴极组，阳极连接

在一起的3只二极管（VD₄，VD₆，VD₂）组成共阳极组。

三相桥式整流电路工作时，共阴极组的3只二极管中，阳极交流电压最高的那只二极管优先导通，使另外两只二极管承受反压而处于关断状态；同理，共阳极组的3只二极管中，阴极交流电压最低的那只二极管优先导通，使另外两只二极管承受反压而处于关断状态。即任意时刻，共阳极组和共阴极组中各有一只二极管处于导通状态，其工作波形如图

2 6（c）所示。

图26 三相桥式不可控整流电路和负载电压波形

（a）整流模块；（b）整流电路；（c）电压波形

在负载电压u_d波形Ⅰ段中，a相电压最高，而b相电压负值最大，因此VD₁和VD₆导

通，u_d=u_a-u_b=u_ab；在ωt₁时刻，由于u_G比u_b更负，因此共阳极组VD₂导通，而VD₆承受反压关断，u_d=u_d-u_d=u_ac；在ωt₂时刻，由于u_b＞u_a，因此共阴极组VD₃导通，而

VD₁承受反压关断，u_d=u_b-u_c=u_bc以此类推。由此不难看出，输出负载电压u_d为线电压中最大的一个，其波形为线电压u₂₁的包络线。输出负载电压u_d一个周期脉动6次，每次脉动的波形相同，故三相桥式整流电路也被称为6脉波整流电路。这种电路的输出负载电压波形比单相桥式整流电路的输出负载电压波形更平滑，因而更容易滤波。

将负载电压u_d波形中的一个周期分成6段，每段各60°，在每段中导通的极管及输出整流电压的情况如表26所示。

表2 6

三相桥式整流电路各区间工作情况

由表2 6可知，6只二极管的导通顺序为 VD₁—VD₂—VD₃—VD₄—VD₅—VD₆—

VD₁ ，相位依次相差60°，这也正是VD₁～VD₆命名的原因。共阴极组VD₁ ，VD₃ ，VD₅依

次导通120°，共阳极组VD₄ ，VD₆ ，VD₂也依次导通120°。而同一相上、下两个桥臂的两

只二极管VD₁与VD₄ ，VD₃与VD₆ ，VD₅与VD₂ ，导通相位则互差180°。对于变压器二次

绕组，每相绕组的电流均为双向电流，且正、反向电流的有效值和平均值相等。

在单相全波电路中，每只二极管只承受交流电源相电压的峰值，而在三相桥式整流电路中，每只二极管都要承受交流电源线电压的峰值，因此三相整流电路中的二极管需要更高的耐压值。