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发表于 2019-5-28 09:56:06
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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。
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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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
| 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。
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。
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。
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。
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。
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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