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H 桥全波整流器设计与仿真初学者指南
H 桥全波整流器设计与仿真初学者指南
电源转换是现代生活的重要组成部分，对于电子产品的实际用途而言，最重要的可能是 AC 到 DC 的转换。整流器是用于将交流转换为直流的基本电路，它们可能属于以下类别之一：
半波整流器
中心抽头全波整流器
桥式整流器
这些整流器的功能是相同的，即AC 到 DC 的转换，但每个都使用不同的输入配置，它们有不同的输出。中心抽头整流器和桥式整流器都是全波整流器，它们提供比半波整流器更高的功率转换效率。中心抽头整流器和桥式整流器的用途几乎相同，但前者使用的中心抽头变压器价格昂贵，因此通常首选桥式整流器，除非由于特定原因需要变压器上的中心抽头。
在本指南中，我们将介绍用于单相和三相电源转换的 H 桥全波整流器的设计和仿真。两者都可用于工业环境，包括我公司为客户项目开发的小型控制模块。它们在其他电子设备中无处不在，使用这些构建模拟对于了解它们如何高效地向下游电路供电非常重要。
桥式整流电路的类型
一个基本的桥式整流电路如下所示。该电路通常使用串联成对排列的四个二极管 (D1-D4)，在交流输入的每个半周期期间，只有两个二极管正向偏置。该整流器中的四个二极管连接在一个闭环、桥状结构上，该组件由此得名。这有时被称为不受控制的整流器，其原因将在本文后面介绍。
不可控单相桥式整流器
单相与三相整流器
有时，您会看到以 H 桥配置抽出的上述整流器，如下所示。这个配置和上面的配置完全一样。下面还显示了用于比较的三相整流器，它仅使用 6 个二极管而不是 4 个，其中 2 个串联二极管用于控制三相交流连接中每相的电流。这两种整流器的区别应该从它们的波形上看出来；三相整流器的纹波要低得多，但频率是单相整流器的 1.5 倍。
单相与三相桥式整流器
由于传统二极管是单向的，不受控制，电流只允许单向流动，无法控制正向电压。出于这个原因，我们通常称这些整流器为“不受控制的”，我们需要正确选择这些电路中使用的二极管，以确保整流器在预期的工作环境中完全正向偏置。
可控整流器
这种类型的桥式整流器使用一些受控的固态元件，如 MOSFET、IGBT、SCR 等，而不是传统的二极管。通常使用 SCR，因为它的电压可以通过直接施加外部直流电压轻松改变。因此，系统可以根据需要调整不同电压的功率输出。下图显示了单相可控桥式整流器，只需用 SCR 替换二极管即可。
可控单相整流器
就像普通的单相整流器一样，这种可控整流器可以作为H桥引出；结果功能完全相同。我们还可以通过使用 6 个 SCR（每相 2 个）将电路扩展到三相输入。
选择二极管
正如我上面提到的，应该清楚的是，在两种类型的整流器中，流经负载的电流都在一个方向上流动，因此在任何给定时刻，只有两个二极管被正向偏置。在每个半周期期间，正向偏置电桥部分中的每个二极管都有一个压降。对于硅二极管，总压降必须为 2*0.7 = 1.4 V。如果您使用较低电平的变压器耦合交流电，那么您可能需要使用锗或肖特基二极管，因为它们在正向偏置时具有较低的压降。
输出波形
通常，一旦您设置了整流器，就会通过在输出端添加一个平滑电容器来设置直流电压。在下面的一组图中，使用 SPICE 程序模拟了一个简单的单相整流器（没有变压器），以显示平滑电容器如何影响输出。电容器的输出连接到 1 kΩ 负载。电容器和负载将有一些时间常数，决定电容器在整流器输入的两个半周期之间放电的速度。让我们在三种情况下看这些结果：
无平滑电容器，1 kΩ 负载
下图显示了我们简单的单相桥式整流器的输出波形。有两种波形：黑波为输入信号，蓝波为输出。输入正弦波被完全整流，即负半周表现为正电压。从这里，我们可以添加一个与负载并联的平滑电容器，以显示我们可以接近直流波形的程度。
没有平滑电容器的负载输出波形
5 uF 平滑电容器，1 kΩ 负载
添加一个5uF的平滑电容后，我们的波形看起来是一个相当不错的直流信号，但仍然不是纯直流。电容器在半周期之间以特定的 RC 时间常数反复充电和放电。在电容器完全放电之前，充电周期开始，因此除非切断输入电源，否则电容器永远不会完全放电。在这里，您可以使用 RC 时间常数来确定 1 kΩ 负载上的放电率。
带有 5 uF 平滑电容器的负载波形
50 uF 平滑电容器，1 kΩ 负载
正如预期的那样，当我们将平滑电容器的值增加 10 倍时，输出直流电压上的纹波会大大降低。将平滑电容器从 5 uF 增加到 50 uF 会将 RC 时间常数增加 10 倍，因此我们现在拥有几乎无纹波的 DC 输出。请注意，输出波形不是纯直流，但对于这个特定的负载电阻，纹波似乎很小，在这个尺度上不容易注意到。
带有 50 uF 平滑电容器的负载波形
请注意，此 SPICE 仿真是使用 1 kΩ 的纯电阻负载完成的，但如果负载电阻较小，则电容器放电速度会更快。这就是为什么您可以在创建布局和制作电路板原型之前，根据给定负载的RC 时间常数来很好地表征该电路的原因。