【电赛公开课】模拟电路基础知识讲座_第39课时_整流和逆变电路

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查看: 9119回复: 8 发表于 2019-5-28 09:56:06   只看该作者
关于电赛公开课
《模拟电路基础知识讲座》由 TI 邀请青岛大学傅强老师录制,深入浅出的介绍了模拟电路及电源相关的基础知识,帮助大家由浅入深地了解产品,更轻松的进行产品的选型和设计。
本课程共计80节视频内容,视频解析文字课40节,每周二、周四更新,欢迎同学观看学习。

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本节文字课程相关视频:
1. 单相整流电路
2. 全桥与半桥逆变
3. 间接变流与多重逆变

本节我们将讲解如何通过单相交流电得到直流电,也就是整流电路。三相整流电路涉及功率较大,本课程不再涉及。
常用的单相整流电路有三种:单相半波整流电路,单相全波整流电路,单相全桥整流电流电路。

1、单相半波整流电路
首先澄清一个直流电的概念,即没有负压就是直流电,恒压直流只是直流电的特殊形式。如图1所示,我们可以通过电阻上的电流来判断电压的大小和方向:电流在电阻上的压降就是电压。
(1)由于D1二极管的存在,电阻RL上电流只能是自上而下,所以电压Uo为直流。
(2)如图2仿真波形所示,只有交流电的正半周期负载电阻上才有电流,形成半个正弦波形,输出电压低于输入电压一个二极管管压降。

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图1 无滤波电容的单相半波整流电路

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图2 无滤波电容的单相半波整流电路仿真波形

为了得到接近恒定电压的直流,可以给整流电路的输出加上滤波电容,如图3所示。
(1)仿真电路中,滤波电容取值1000uF,轻负载电阻值1k,时间常数RC计算约为1s,远大于工频周期20ms,所以滤波效果应非常明显。
(2)如图3所示的仿真波形验证理论计算结果,输出电压为较平直的直流。

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图3 带滤波电容的轻负载单相半波整流电路

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图4 带滤波电容的轻负载单相半波整流电路仿真波形

改变负载电阻,可以考察滤波效果的变化。
(1)如图5所示的仿真电路中,滤波电容仍取值1000uF,负载电阻值100Ω,时间常数RC计算约为100ms,与工频周期20ms在同一数量级,所以输出电压纹波应该比较明显。
(2)如图6所示的仿真波形验证理论计算结果,输出电压可见明显波动。

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图5 带滤波电容的中负载单相半波整流电路

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图6 带滤波电容的中负载单相半波整流电路仿真波形

如图7所示,继续将负载电阻改小(重负载),滤波电容仍取值1000uF,负载电阻值10Ω,时间常数RC计算约为10ms,已低于工频周期20ms,所以滤波效果很差,如图8所示。

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图7 带滤波电容的重负载单相半波整流电路

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图8 带滤波电容的重负载单相半波整流电路仿真波形

通过以上仿真和讨论可知,整流电路要得到较为恒定的直流电压输出,需要接滤波电容。成本最低的滤波电路为电容滤波,滤波电容的取值与负载电阻的大小有关。两者共同构成的时间常数RC,其与工频周期的比例关系,决定了滤波效果的好坏。简单来说,重负载(小阻值负载)需要大滤波电容,轻负载(大阻值负载)仅需要小滤波电容就能取得良好滤波效果。

2、单相全波整流电路
如图9所示为单相全波整流电路,单相全波整流电路需要使用一个中心抽头变压器,中心抽头作为输出的地。
(1)在交流电正半周期,电流通过N2线圈,D1二极管、负载、地构成回路,实现在负载电阻上加载上正下负半波电压。
(2)在交流电负半周期,电流通过N3线圈,D2二极管、负载、地构成回路,同样实现在负载电阻上加载上正下负半波电压。

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图9 不带滤波电容的单相全波整流电路

图10为不带滤波电容的单相全波整流电路仿真波形。
(1)变压器两端输出电压VM是单端对地电压U2幅值的两倍。
(2)输出电压Uo相当于是U2电压做整流处理,并且低一个二极管管压降。

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图10 不带滤波电容的单相全波整流电路仿真波形

如图11所示,对比单相半波整流电路与单相全波整流电路的区别。
(1)图11(a)和图11(b)使用了同样的1000uF滤波电容和10Ω负载。
(2)图11(c)不带滤波电容,以输出完整“绝对值”正弦波形作为参考。

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图11 单相半波和单相全波整流电路对比

图12所示为仿真波形:
(1)全波与半波整流电路的时间常数一致,所以一半衰减曲线重合(蓝色区域)。
(2)滤波后,全波整流比半波整流多出黄色面积的电压。

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图12 单相半波和单相全波整流电路对比仿真波形

全波整流的效果要好于半波整流。所付出的代价则是,使用了中心抽头变压器且电压利用率只有一半,多使用一个二极管。

3、单相全桥整流电路
不使用中心抽头变压器也可以实现类似“全波”整流的效果,如图13所示为单相全桥整流电路。
(1)交流电正半周期,电流自下而上通过N2线圈,二极管D1,负载R1,二极管D4构成回路。在负载R1上生成上正下负的半波电压输出。
(2)交流电负半周期,电流自上而下通过N2线圈,二极管D2,负载R1,二极管D3构成回路。同样在负载R1上生成上正下负的半波电压输出。

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图13 单相全桥整流电路

如图14所示为单相全桥整流电路的仿真波形,由于每次电流都需要经过两个二极管才能到达负载,所以输出电压要降低2个二极管管压降。

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图14 单相全桥整流电路仿真波形

将全波整流与全桥整流电路进行对比,如图15所示。全桥整流与全波整流均可以实现正负半波整流效果,他们最大的区别就是输出电压全波整流仅需扣除1个二极管管压降,而全桥整流需要扣除2个二极管管压降。

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图15 单相全桥整流电路与全波整流电路仿真波形对比

4、整流电路小结
从所用器件来说,半波整流、全波整流、全桥整流所用二极管数目分别为1/2/4。但是二极管并不值钱,无论是数量还是耐压都不是选型首要考虑的问题,电路效率和变压器成本才是值得考虑得问题。
参考表1,在高压电路中,二极管管压降所占比例不大,优先选择全桥整流电路,以节约变压器费用。而在低压电路中,可选择高成本好效果的全波整流,或者是低成本普通效果的半波整流。

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表1 整流电路选型表

前面介绍的斩波电路(除电流可逆斩波电路外)都坚持只用1个开关,这是因为电力电子开关不仅本身比较值钱(相比电路中其他元件),而且还不好伺候(需要驱动控制)。如果是花钱买大电感大电容,只不过是多花钱,放上就能用了。
当负载需要改变电压电流方向时,就需要多开关的桥式电源电路了。

5 全桥逆变电路
全桥电路也叫H桥电路,它的用途非常广泛,其根本之处就在于可以对负载加载正负电压(电流)。
1) 用于驱动直流电机时,可以实现电机正反转,改变开关占空比就可以调速。
2) 用于驱动喇叭时,就是效率极高的D类功放。

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图16 全桥电路

3) 如图16所示,对角线开关交替工作可以输出交流电,此时的全桥电路称为逆变电路,也就是从直流电得到交流电。如果开关的占空比按正弦规律变化,输出则可等效出正弦交流电。

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图17 全桥电路逆变工作模式瞬时现象仿真

4) 同一桥臂的两个开关(例如SW1和SW2)不能同时导通,否则电源会发生短路。由于电力半导体开关从收到控制信号到真正关断需要一定的时间,所以SW1和SW2的控制信号必须预留出保证两只开关均关断的时间,这个最短所需时间称为死区时间(Dead time)。不同类型开关所需死区时间不一样,MOSFET 开关关断时间在微秒至数十微秒。


6 半桥逆变电路
全桥电路的原理很好理解,但有时我们不需要4个开关也可以实现逆变电路。如图18所示,用2个大容量电容取代H桥的两个开关,就构成了半桥逆变电路。
1) 由于C1和C2电容值很大,所以可以认为它们的电压在一个周期内几乎不变,按V1电压10V计算,C1和C2电压应该保持5V。

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图18 半桥电路

2) SW1导通时(SW2断开),RL与C1并联,被加载了右正左负的5V电压;SW2导通时(SW1断开),RL与C2并联,被加载了左正右负的5V电压;负载RL上形成的交流电压如图19所示,注意,半桥电路输出电压只有全桥电路的一半。

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图19 半桥逆变电路瞬时现象仿真

3) 半桥电路与全桥电路一样可以使用占空比变化的 SPWM 来控制,从而输出正弦波电压。与全桥电路不同的是,半桥电路的两个开关必须对称互补工作,否则C1和C2电压将不再平衡,电路的工作状态就完全不同,读者可自行仿真。

欢迎大家留言作答以下题目,答案将在下期公开课公布。在答案公布前作答正确的同学,还将获得5枚赫兹币奖励哦~

课后问答:

选择题
1、在低压电路中,全桥整流最大的缺点是什么?
A.电路复杂        
B.元件成本高        
C.效率低

2、全波整流与半波整流相比,最大优点是什么?
A.成本低        
B.输出电压波形好        
C.效率高

3、SPWM 逆变的目的是什么?
A.提高效率        
B.减低成本        
C.输出得到正弦波

4、半桥逆变需要几个开关?
A . 1
B.  2        
C.  3        
D.  4

5、对于 SPWM 逆变,下列说法正确的是?
A.  载波是正弦波
B.  载波的频率比调制波低        
C.  SPWM 输出需要滤波

参考答案:
1 C
2 B
3 C
4 B
5 C




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