單相橋式全控整流與單相半波可控整流電路的對(duì)比研究

羅月芳 柏澤龍 李吉成 孫坤鵬

（云南工商學(xué)院智能科學(xué)與工程學(xué)院 云南省昆明市 650500）

近年來(lái)，電力電子整流技術(shù)廣泛應(yīng)用于民用及工業(yè)領(lǐng)域。小到家用電視、手機(jī)電腦充電器，電加熱水壺等直流加熱設(shè)備，大到新能源汽車充電樁及高鐵牽引變流器，電力電子整流電路已經(jīng)深入到生產(chǎn)生活方方面面。在國(guó)家倡導(dǎo)的減碳發(fā)展之路上也將發(fā)揮更重要的作用。

單相橋式全控整流電路與單相半波可控整流電路是整流電路中的基礎(chǔ)電路，對(duì)該兩種電路的輸出及輸入的對(duì)比研究可以更好的理解兩種電路的特性，對(duì)電網(wǎng)及負(fù)載的影響等。

1 單相半波可控整流電路

1.1 電路組成

如圖1 所示，為單相半波帶阻感負(fù)載有續(xù)流二極管的可控整流電路拓?fù)鋱D，電路中主要包括一個(gè)晶閘管VT，一個(gè)二極管VD。負(fù)載采用純阻性負(fù)載R，同時(shí)預(yù)設(shè)置一個(gè)電感元件L 以保證輸出電流的連續(xù)性。

圖1：帶續(xù)流二極管的單相半波可控整流電路

1.2 工作原理

從圖1 可以看出：晶閘管VT 與二極管VD 為全電路系統(tǒng)的核心結(jié)構(gòu)，當(dāng)VT 在（2kπ+α）角度導(dǎo)通的情況下，晶閘管VT 導(dǎo)通，導(dǎo)通角為（2kπ+α）至（2kπ+π），導(dǎo)通時(shí)長(zhǎng)為（π-α）。待角度至（2kπ+π）時(shí)，晶閘管斷開(kāi)，此時(shí)輸入端電流為0，而負(fù)載端二極管VD 導(dǎo)通，電感L 續(xù)流效應(yīng)使輸出保持，電流連續(xù)，二極管VD 導(dǎo)通時(shí)長(zhǎng)為（π+α）。待到運(yùn)行至下個(gè)周期時(shí)，晶閘管及二極管導(dǎo)通重復(fù)上述過(guò)程。負(fù)載輸出電流則處于連續(xù)輸出狀態(tài)。

1.3 MATLAB模型建立

考慮到本次仿真主要通過(guò)對(duì)比相橋式全控整流電路與單相半波可控整流電路的輸入輸出波形對(duì)比，故預(yù)設(shè)輸入電壓為國(guó)網(wǎng)工頻額定電壓即：電壓AC220V，工頻f=50Hz。而輸出電壓采用DC48V，負(fù)載采用0.5Ω 電阻。則可算出輸出電流Id 為：

當(dāng)VT 處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，根據(jù)電壓關(guān)系可得到公式如下：

其中C 為常數(shù)。當(dāng)VT 導(dǎo)通瞬間其電流為：

當(dāng)VT 斷開(kāi)時(shí)，電流瞬時(shí)值表述如下：

考慮到電路工作穩(wěn)定后，理想電感僅為能量轉(zhuǎn)換器件，在晶閘管導(dǎo)通時(shí)充電。在晶閘管斷開(kāi)時(shí)向電阻放電。則可認(rèn)為帶反并聯(lián)二極管電路電流有效值與負(fù)載為純電阻的電路電流有效值相等。建立公式有：

計(jì)算得：

將式（7）帶入式（3）可得：

對(duì)式（8）中ωt求在[α,π]中最大值，可得：

電路電流平均值為：

2 單相橋式全控整流電路

2.1 電路組成

如圖2 所示，為單相橋式全控整流電路拓?fù)鋱D，電路中主要包括一阻橋式電路。負(fù)載采用純阻性負(fù)載R，同時(shí)預(yù)設(shè)置一個(gè)電感元件L 以保證輸出電流的連續(xù)性。

圖2：?jiǎn)蜗鄻蚴饺卣麟娐?/p>

2.2 工作原理

從圖2 可以看出：橋式為電路系統(tǒng)的核心結(jié)構(gòu)，當(dāng)VT1 與VT4 在（2kπ+α）角度導(dǎo)通的情況下，晶閘管VT 導(dǎo)通，導(dǎo)通角為（2kπ+α）至（2kπ+π+α），導(dǎo)通時(shí)長(zhǎng)為π。待角度至（2kπ+π）時(shí)，因VT2 與VT3 導(dǎo)通，VT1 與VT4 截止，此時(shí)輸入端電流為0，電感L 續(xù)流效應(yīng)使輸入電壓U2即使為負(fù)也可仍然工作，電流連續(xù)，同理在后半個(gè)周期VT2 與VT3 以同樣的工作方式進(jìn)行工作。

2.3 MATLAB模型建立

考慮到本次仿真主要通過(guò)對(duì)比相橋式全控整流電路與單相半波可控整流電路的輸入輸出波形對(duì)比，故預(yù)設(shè)輸入電壓為國(guó)網(wǎng)工頻額定電壓即：電壓AC220V，工頻f=50Hz。而輸出電壓采用DC48V，負(fù)載采用0.5Ω 電阻。則可算出輸出電流Id 為：

當(dāng)VT1 與VT4 處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，根據(jù)電壓關(guān)系可得到公式如下：

其中C 為常數(shù)。

考慮到電路工作穩(wěn)定后，理想電感僅為能量轉(zhuǎn)換器件，在晶閘管導(dǎo)通時(shí)充電。當(dāng)電路運(yùn)行在負(fù)向周期放電。則可認(rèn)為帶反并聯(lián)二極管電路電流有效值與負(fù)載為純電阻的電路電流有效值相等。建立公式有：

計(jì)算得：

將式（15）帶入式（13）可得：

對(duì)式（16）中ωt求在[α,π+α]中最大值，可得：

電路電流平均值為：

3 計(jì)算結(jié)果對(duì)比

單相橋式可控整流電路通過(guò)橋結(jié)構(gòu)可利用負(fù)半周期波形作為輸出，故其電壓利用率高輸出電壓為單相半波可控整流電路輸出的一倍，故經(jīng)計(jì)算：?jiǎn)蜗鄻蚴诫娐冯娏鬏敵龆鴨蜗喟氩煽卣麟娐冯娏鬏敵鰹?/p>

仿真環(huán)境按照輸入交流10V/50Hz，輸出負(fù)載為電阻為0.5Ω，電感為0.04H，控制角α 為30°設(shè)置。仿真模型搭建如圖3 和圖4 所示。

圖3：帶續(xù)流二極管負(fù)載為感阻的半波可控整流

圖4：?jiǎn)蜗鄻蚴娇煽卣麟娐?/p>

而在波動(dòng)性上由式（17）及式（9）對(duì)比可知：橋式可控整流電路的穩(wěn)定性比半波可控整流電路要略低，原因?yàn)楫?dāng)橋式電路工作在負(fù)向周期時(shí)，電感的波形變化更劇烈。具體仿真結(jié)果如圖5。

圖5：?jiǎn)蜗鄻蚴娇煽卣麟娐芳皫Юm(xù)流二極管負(fù)載為感阻的半波可控整流電路仿真結(jié)果

4 結(jié)論

本文在對(duì)單相橋式可控整流電路和半波可控整流電路理論分析的基礎(chǔ)上，建立了基于MATLAB/Simulink仿真的單相橋式全控整流與單相半波可控整流電路的仿真模型，并對(duì)其進(jìn)行了分析研究。通過(guò)仿真得出整流電路的輸出波形波動(dòng)情況除受輸入電壓波形利用率影響外，電感的工況對(duì)輸出電壓仍有很大的影響，可通過(guò)增大電感取值或調(diào)整整流電路來(lái)實(shí)現(xiàn)輸出的穩(wěn)定。因此，在實(shí)際應(yīng)用中若對(duì)輸出波形要求較高時(shí)，可調(diào)整電感的取值來(lái)減小波動(dòng)的范圍。