什么是橋式整流電路？

在前面全波整流電路那篇文章中已經(jīng)講到過(guò)了，橋式整流電路其實(shí)是全波整流電路的一種。

橋式整流電路是由四個(gè)二極管連接在一個(gè)閉環(huán)“橋”配置中，以產(chǎn)生所需的輸出。

這種橋式電路的主要優(yōu)點(diǎn)是不需要特殊的中心抽頭變壓器，從而減小了尺寸和成本。單個(gè)次級繞組連接到二極管橋網(wǎng)絡(luò )的一側，負載連接到另一側，如下圖所示。

橋式整流電路電路圖

橋式整流電路工作原理

在輸入交流波形二極管的正半周期期間，D1 和 D2 正向偏置，D3 和 D4 反向偏置。當電壓超過(guò)二極管D1 和 D2 的閾值電平時(shí)，開(kāi)始導通 - 負載電流開(kāi)始流過(guò)它，如下圖紅線(xiàn)的路徑所示。

橋式整流電路原理圖

橋式整流電路正半周期工作原理

在正半周期間，二極管 D3-D2 得到正向偏置，并起到閉合開(kāi)關(guān)的作用。二極管 D1-D4 反向偏置并且不導通，因此就像打開(kāi)開(kāi)關(guān)一樣。因此我們在輸出端得到正半周。

橋式整流電路正半周期原理圖

橋式整流電路正半周期電流流向圖

橋式整流電路負半周期工作原理

在負半周期間，二極管 D1-D4 正向偏置，并起到閉合開(kāi)關(guān)的作用。二極管 D3-D2 反向偏置并且不導通，因此就像打開(kāi)開(kāi)關(guān)一樣。因此我們在輸出端得到正半周。

橋式整流電路負半周期原理圖

橋式整流電路負半周期電流流向圖

橋式整流電路輸出波形圖

從以上4個(gè)圖可以看出，在正半周和負半周期間，流經(jīng)負載電阻R L的電流方向是相同的。因此，正半周和負半周的輸出直流信號的極性相同。輸出直流信號的極性可以是完全正極也可以是負極。如果二極管的方向反轉，那么我們會(huì )得到一個(gè)完整的負直流電壓。

因此，橋式整流電路在輸入交流信號的正半周期和負半周期期間都允許電流。

橋式整流電路的輸出波形如下圖所示，我們可以看到交流電壓的負部分經(jīng)過(guò)橋式整流電路后轉換為正周期。

橋式整流電路特性參數計算

橋式整流電路的主要參數包括以下幾個(gè)：

• 紋波系數

• 峰值反向電壓 (PIV)

• 效率

紋波系數

使用因子測量輸出直流信號的平滑度稱(chēng)為紋波因子。這里，平滑的直流信號可以被認為是包括很少紋波的輸出直流信號，而高脈動(dòng)直流信號可以被認為是包括高紋波的輸出信號。在數學(xué)上，它可以定義為紋波電壓與純直流電壓的分數。

對于橋式整流器，紋波因子的參數計算公式為：

Γ = √ (Vrms2/VDC)?1

橋式整流器的紋波系數值為0.48

PIV（峰值反向電壓）

峰值反向電壓或 PIV 可以定義為當二極管在整個(gè)負半周期內以反向偏置條件連接時(shí)來(lái)自二極管的最高電壓值。橋式電路包括四個(gè)二極管，如 D1、D2、D3 和 D4。

在正半周期中，兩個(gè)二極管（如 D1 和 D3）處于導通位置，而 D2 和 D4 二極管均處于非導通位置。同樣，在負半周，D2 和 D4 等二極管處于導通位置，而 D1 和 D3 等二極管處于非導通位置。

效率

整流器的效率主要決定整流器將AC（交流電）變?yōu)镈C（直流電）的能力。整流器的效率可以定義為；它是 DC o/p 功率和 AC i/p 功率的比值。橋式整流器的最大效率為 81.2%。

η = DC o/p 功率/AC i/p 功率

橋式整流電路的分類(lèi)

橋式整流電路根據這些因素分為幾種類(lèi)型：電源類(lèi)型、控制能力、橋式電路配置等。橋式整流電路主要分為單相和三相整流電路。這兩種類(lèi)型進(jìn)一步分為非控制型、半控制型和全控制型整流電路。下面描述了其中一些類(lèi)型的整流電路。

單相和三相橋式整流電路

電源的性質(zhì)，即單相或三相電源決定了這些整流電路。單相橋式整流電路由四個(gè)二極管組成，用于將交流轉換為直流，而三相整流器使用六個(gè)二極管，如圖所示。根據二極管、晶閘管等電路元件的不同，這些整流電路也可以是不受控或受控的整流電路。

單相和三相橋式整流電路

非受控橋式整流電路

如圖所示，該橋式整流電路使用二極管對輸入信號進(jìn)行整流。由于二極管是一種單向器件，僅允許電流沿一個(gè)方向流動(dòng)。使用整流電路中的這種二極管配置，它不允許功率根據負載要求而變化。所以這種類(lèi)型的整流電路用于恒定或固定電源。

非受控橋式整流電路

可控橋式整流電路

在這種類(lèi)型的整流器中，AC/DC 轉換器或整流器——代替不受控制的二極管，使用可控固態(tài)器件（如 SCR、MOSFET、IGBT 等）來(lái)改變不同電壓下的輸出功率。通過(guò)在不同的時(shí)刻觸發(fā)這些設備，負載的輸出功率得到適當的改變。

可控橋式整流電路

橋式整流電路設計注意事項

使用橋式整流電路從交流輸入提供直流輸出時(shí)，需要考慮以下幾點(diǎn)：

• 電壓降： 千萬(wàn)不要忘記，流過(guò)橋式整流電路的電流會(huì )通過(guò)兩個(gè)二極管。結果，輸出電壓將下降這個(gè)量。由于大多數橋式整流電路使用硅二極管，因此該壓降至少為 1.2 伏，并且會(huì )隨著(zhù)電流的增加而增加。因此，可以實(shí)現的最大電壓輸出至少比交流輸入的峰值電壓低 1.2 伏。

• 計算整流器中散發(fā)的熱量： 二極管將使電壓下降至少 1.2 伏（假設為標準硅二極管），隨著(zhù)電流的增加，該電壓將上升。它是由二極管兩端的標準電壓降以及二極管內的電阻引起的。要注意，電流在任何半個(gè)周期內都通過(guò)電橋內的兩個(gè)二極管。首先是一組兩個(gè)二極管，然后是另一個(gè)。需要查閱橋式整流電路的二極管或整個(gè)橋式整流電路電子元件的datasheet，以查看設想電流水平的電壓降。電壓降和通過(guò)整流電路的電流會(huì )產(chǎn)生熱量，需要散熱。在某些情況下，這可以通過(guò)空氣冷卻輕松消散，但在其他情況下，橋式整流電路可能需要用螺栓固定到散熱器上。為此，許多橋式整流電路被構造成用螺栓固定在散熱器上。

• 峰值反向電壓： 確保不超過(guò)橋式整流電路或單個(gè)二極管的峰值反向電壓非常重要，否則二極管可能會(huì )擊穿。橋式整流電路中二極管的 PIV 額定值低于與中心抽頭變壓器一起使用的兩個(gè)二極管配置所需的額定值。如果忽略二極管壓降，對于相同的輸出電壓，橋式整流電路需要的二極管 PIV 額定值是中心抽頭整流電路的一半。這可能是使用此配置的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。二極管兩端的峰值反向電壓等于峰值次級電壓Vsec，因為在半個(gè)周期內，二極管 D1 和 D4 導通，而二極管 D2 和 D3 反向偏置。全波橋式整流電路顯示峰值反向電壓假設完美的二極管上沒(méi)有電壓降，使用這一點(diǎn)，可以看出 A 點(diǎn)和 B 點(diǎn)將具有相同的電位，C 點(diǎn)和 D 點(diǎn)也是如此。這意味著(zhù)來(lái)自變壓器的峰值電壓將出現在負載上。每個(gè)非導電二極管上也出現相同的電壓。

橋式整流電路優(yōu)缺點(diǎn)

橋式整流器的優(yōu)點(diǎn)

• 輸出直流信號中的低紋波：橋式整流器的直流輸出信號比半波整流器更平滑。換言之，與半波整流器相比，橋式整流器具有更少的紋波。但是，橋式整流器的紋波系數與中心抽頭全波整流器相同。

• 整流效率高：與半波整流器相比，橋式整流器的整流效率非常高。但是，橋式整流器和中心抽頭全波整流器的整流效率是相同的。

• 低功耗：在半波整流器中，只允許輸入交流信號的一個(gè)半周期，而阻斷輸入交流信號的剩余半周期。結果，幾乎一半的應用輸入功率被浪費了。

然而，在橋式整流電路中，電流在輸入交流信號的正負半周期間都是允許的。所以輸出直流功率幾乎等于輸入交流功率。

橋式整流器的缺點(diǎn)

橋式整流電路看起來(lái)很復雜：在半波整流器電路中，僅使用一個(gè)二極管，而在中心抽頭全波整流電路中使用兩個(gè)二極管。但在橋式整流電路中，我們使用四個(gè)二極管進(jìn)行電路操作。所以橋式整流電路看起來(lái)比半波整流電路和中心抽頭全波整流電路復雜。

與中心抽頭全波整流電路相比，功率損耗更大：在電子電路中，我們使用的二極管越多，電壓降就會(huì )越大。橋式整流電路的功率損耗幾乎等于中心抽頭全波整流電路。然而，在橋式整流電路中，與中心抽頭全波整流電路相比，電壓降略高。這是由于兩個(gè)額外的二極管（總共四個(gè)二極管）。

在中心抽頭全波整流電路中，每個(gè)半周期只有一個(gè)二極管導通。所以電路中的電壓降為0.7伏。但在橋式整流電路中，兩個(gè)串聯(lián)的二極管在每個(gè)半周期導通。因此，電壓降是由于兩個(gè)等于 1.4 伏（0.7 + 0.7 = 1.4 伏）的二極管而發(fā)生的。但是，由于該電壓降造成的功率損耗非常小。