整流是通過(guò)固態(tài)半導(dǎo)體器件將交流電源連接到直流負(fù)載的過(guò)程。

整流通過(guò)二極管、晶閘管、晶體管或轉(zhuǎn)換器將振蕩的正弦交流電壓源轉(zhuǎn)換為恒定的直流電壓供應(yīng)。這一整流過(guò)程可以采取多種形式，包括半波、全波、不可控和全控整流器，將單相或三相電源轉(zhuǎn)換為恒定的直流電平。在本教程中，我們將探討單相整流及其所有形式。

整流器是交流電源轉(zhuǎn)換的基本構(gòu)建模塊之一，半波或全波整流通常由半導(dǎo)體二極管執(zhí)行。二極管允許交流電流在正向流動(dòng)，同時(shí)阻止反向電流流動(dòng)，從而產(chǎn)生固定的直流電壓電平，使其成為理想的整流器件。

然而，通過(guò)二極管整流的直流電并不像從電池等電源獲得的直流電那樣純凈，而是由于交流電源的影響，其電壓會(huì)以紋波的形式疊加變化。

要進(jìn)行單相整流，我們需要一個(gè)固定電壓和頻率的交流正弦波形，如圖所示。

交流正弦波形

正弦波形

交流波形通常有兩個(gè)相關(guān)的數(shù)值。第一個(gè)數(shù)值表示波形沿x軸的旋轉(zhuǎn)程度，即發(fā)電機(jī)從0度旋轉(zhuǎn)到360度。這個(gè)值稱為周期（T），定義為完成一個(gè)完整波形周期所需的時(shí)間間隔。

周期以度、時(shí)間或弧度為單位測(cè)量。正弦波的周期（T）和頻率（?）之間的關(guān)系定義為：T = 1/?。

第二個(gè)數(shù)值表示沿y軸的電流或電壓的幅值。這個(gè)數(shù)值給出了從零到某個(gè)峰值或最大值（AMAX、VMAX或IMAX）的瞬時(shí)值，表示正弦波在再次回到零之前的最大幅值。對(duì)于正弦波形，有兩個(gè)最大值或峰值，一個(gè)為正半周期，另一個(gè)為負(fù)半周期。

除了這兩個(gè)值外，還有兩個(gè)值對(duì)我們進(jìn)行整流非常重要。一個(gè)是正弦波形的平均值，另一個(gè)是其有效值（RMS值）。波形的平均值是通過(guò)將半個(gè)周期內(nèi)的電壓（或電流）瞬時(shí)值相加得到的，計(jì)算公式為：0.6365*VP。

需要注意的是，對(duì)稱正弦波的一個(gè)完整周期的平均值將為零，因?yàn)槠骄氩ū幌喾吹钠骄?fù)半波抵消。即 +1 + (-1) = 0。

正弦波的有效值（RMS值）表示向電阻提供與相同值的直流電源相同的能量。正弦電壓（或電流）的均方根值（rms）定義為：0.7071*VP。

單相整流器

所有單相整流器都使用固態(tài)器件作為其主要交流到直流的轉(zhuǎn)換器件。單相不可控半波整流器是最簡(jiǎn)單且可能是小功率級(jí)別中最廣泛使用的整流電路，因?yàn)樗鼈兊妮敵鍪苓B接負(fù)載的電抗影響較大。

對(duì)于不可控整流電路，半導(dǎo)體二極管是最常用的器件，并且通過(guò)排列形成半波或全波整流電路。使用二極管作為整流器件的優(yōu)勢(shì)在于，它們是通過(guò)設(shè)計(jì)具有單向pn結(jié)的單向器件。

這個(gè)pn結(jié)通過(guò)消除電源的一半，將雙向交流電源轉(zhuǎn)換為單向電流。根據(jù)二極管的連接方式，例如，當(dāng)二極管正向偏置時(shí)，可以通過(guò)交流波形的正半部分，而當(dāng)二極管反向偏置時(shí)，消除負(fù)半周期。

反之亦然，通過(guò)消除波形的正半部分或通過(guò)負(fù)半部分。無(wú)論哪種方式，單個(gè)二極管整流器的輸出僅由360度波形的一半組成，如圖所示。

半波整流

半波整流

上述單相半波整流器配置通過(guò)交流電源波形的正半部分，同時(shí)消除負(fù)半部分。通過(guò)反轉(zhuǎn)二極管的方向，我們可以通過(guò)負(fù)半部分并消除交流波形的正半部分。因此，輸出將是一系列正或負(fù)脈沖。

因此，在每個(gè)周期的一半時(shí)間內(nèi)，沒(méi)有電壓或電流施加到連接的負(fù)載RL上。換句話說(shuō)，負(fù)載電阻RL上的電壓僅由半波形組成，無(wú)論是正半波還是負(fù)半波，因?yàn)樗鼉H在輸入周期的一半時(shí)間內(nèi)工作，因此稱為半波整流器。

希望我們可以看到，二極管只允許電流在一個(gè)方向上流動(dòng)，產(chǎn)生由半周期組成的輸出。這種脈動(dòng)輸出波形不僅每個(gè)周期都在變化，而且僅存在50%的時(shí)間，并且在純電阻負(fù)載下，這種高電壓和電流紋波含量達(dá)到最大。

這種脈動(dòng)直流意味著負(fù)載電阻RL上的等效直流值僅為正弦波形值的一半。由于波形正弦函數(shù)的最大值為1（sin(90o)），半個(gè)正弦波的平均或直流值定義為：0.637 x 最大幅值。

因此，在正半周期期間，AAVE等于0.637*AMAX。然而，由于反向偏置二極管的整流作用，負(fù)半周期被移除，因此在此期間波形的平均值將為零，如圖所示。

正弦波的平均值

正弦波的平均值

因此，對(duì)于半波整流器，50%的時(shí)間平均值為0.637*AMAX，50%的時(shí)間為零。如果最大幅值為1，則負(fù)載電阻RL上的平均或直流等效值為：

半波整流器平均值

因此，半波整流器的脈動(dòng)直流電壓或電流的平均值表達(dá)式為：

請(qǐng)注意，最大值A(chǔ)MAX是輸入波形的值，但我們也可以使用其RMS值或“均方根”值來(lái)找到單相半波整流器的等效直流輸出值。

為了確定半波整流器的平均電壓，我們將RMS值乘以0.9（波形因數(shù)）并將乘積除以2，即乘以0.45，得到：

然后我們可以看到，半波整流器電路根據(jù)二極管的方向?qū)⒔涣鞑ㄐ蔚恼氩糠只蜇?fù)半部分轉(zhuǎn)換為脈動(dòng)直流輸出，其等效直流值為0.318*AMAX或0.45*ARMS，如圖所示。

半波整流器平均電壓

半波整流器平均電壓

整流示例1

一個(gè)單相半波整流器連接到50V RMS 50Hz交流電源。如果整流器用于供應(yīng)150歐姆的電阻負(fù)載。計(jì)算負(fù)載上產(chǎn)生的等效直流電壓、負(fù)載電流和負(fù)載消耗的功率。假設(shè)二極管為理想特性。

首先，我們需要將50伏RMS轉(zhuǎn)換為其峰值或最大電壓等效值（這不是必需的，但它有幫助）。

a) 最大電壓幅值VM

b) 等效直流電壓VDC

c) 負(fù)載電流IL

d) 負(fù)載消耗的功率PL

實(shí)際上，由于整流二極管的正向偏置電壓降為0.7伏，VDC會(huì)略低。

單相半波整流器的主要缺點(diǎn)之一是，在可用輸入正弦波形的一半時(shí)間內(nèi)沒(méi)有輸出，導(dǎo)致我們看到的平均值較低?？朔@一問(wèn)題的一種方法是使用更多二極管來(lái)產(chǎn)生全波整流器。

全波整流

與之前的半波整流器不同，全波整流器利用輸入正弦波形的兩個(gè)半部分來(lái)提供單向輸出。這是因?yàn)槿ㄕ髌骰旧嫌蓛蓚€(gè)半波整流器連接在一起以供應(yīng)負(fù)載。

單相全波整流器通過(guò)使用四個(gè)二極管以橋式排列來(lái)實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，通過(guò)正半部分波形，但將正弦波的負(fù)半部分反轉(zhuǎn)為脈動(dòng)直流輸出。

盡管整流器的電壓和電流輸出是脈動(dòng)的，但它不會(huì)反轉(zhuǎn)方向，使用輸入波形的全部100%，從而提供全波整流。

單相全波橋式整流器

單相全波橋式整流器

這種二極管的橋式配置提供了全波整流，因?yàn)樵谌魏螘r(shí)候四個(gè)二極管中有兩個(gè)是正向偏置的，而另外兩個(gè)是反向偏置的。因此，與半波整流器的單個(gè)二極管相比，有兩個(gè)二極管在導(dǎo)通路徑中。

因此，由于串聯(lián)連接的兩個(gè)二極管的正向電壓降，VIN和VOUT之間的電壓幅值會(huì)有所不同。在這里，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，我們假設(shè)二極管是理想的。

那么單相全波整流器是如何工作的呢？在VIN的正半周期期間，二極管D1和D4正向偏置，而二極管D2和D3反向偏置。

然后，對(duì)于輸入波形的正半周期，電流沿以下路徑流動(dòng)：D1 – A – RL – B – D4并返回電源。

在VIN的負(fù)半周期期間，二極管D3和D2正向偏置，而二極管D4和D1反向偏置。

對(duì)于輸入波形的負(fù)半周期，電流沿以下路徑流動(dòng)：D3 – A – RL – B – D2并返回電源。

在這兩種情況下，輸入波形的正半周期和負(fù)半周期都會(huì)產(chǎn)生正輸出峰值，無(wú)論輸入波形的極性如何，因此負(fù)載電流i始終以相同的方向通過(guò)負(fù)載RL在節(jié)點(diǎn)A和B之間流動(dòng)。因此，電源的負(fù)半周期在負(fù)載上變?yōu)檎胫芷凇?/p>

因此，無(wú)論哪一組二極管導(dǎo)通，節(jié)點(diǎn)A總是比節(jié)點(diǎn)B更正。因此，負(fù)載電流和電壓是單向的或直流的，給我們以下輸出波形。

全波整流器輸出波形

全波整流器輸出波形

盡管這種脈動(dòng)輸出波形使用了輸入波形的100%，但其平均直流電壓（或電流）并不在同一值。我們記得上面提到的，半個(gè)正弦波的平均或直流值定義為：0.637 x 最大幅值。

然而，與上面的半波整流不同，全波整流器每個(gè)輸入波形有兩個(gè)正半周期，因此平均值不同，如圖所示。

全波整流器平均值

全波整流器平均值

在這里，我們可以看到，對(duì)于全波整流器，每個(gè)正峰值的平均值為0.637*AMAX，并且由于每個(gè)輸入波形有兩個(gè)峰值，這意味著有兩個(gè)平均值相加。

因此，全波整流器的直流輸出電壓是之前半波整流器的兩倍。如果最大幅值為1，則負(fù)載電阻RL上的平均或直流等效值為：

全波整流器平均值

因此，全波整流器的電壓或電流的平均值表達(dá)式為：

如前所述，最大值A(chǔ)MAX是輸入波形的值，但我們也可以使用其RMS值或均方根值來(lái)找到單相全波整流器的等效直流輸出值。為了確定全波整流器的平均電壓，我們將RMS值乘以0.9，得到：

然后我們可以看到，全波整流器電路將交流波形的正半部分和負(fù)半部分都轉(zhuǎn)換為脈動(dòng)直流輸出，其值為0.637*AMAX或0.9*ARMS，如圖所示。

全波整流器平均電壓

全波整流器平均電壓

整流示例2

使用四個(gè)二極管構(gòu)建一個(gè)單相全波橋式整流器電路，需要為1kΩ的純電阻負(fù)載提供220伏直流電。計(jì)算所需的輸入電壓的RMS值、從電源汲取的總負(fù)載電流、每個(gè)二極管通過(guò)的負(fù)載電流以及負(fù)載消耗的總功率。假設(shè)二極管為理想特性。

a) 整流器電源電壓VRMS

b) 負(fù)載電流IL

c) 每個(gè)二極管通過(guò)的負(fù)載電流ID

負(fù)載電流由每個(gè)周期的兩個(gè)二極管提供，因此：

d) 負(fù)載消耗的功率PL

全波半控橋式整流器

全波整流比簡(jiǎn)單的半波整流器有許多優(yōu)勢(shì)，例如輸出電壓更一致，具有更高的平均輸出電壓，整流過(guò)程使輸入頻率加倍，并且如果需要平滑電容器，則需要較小的電容值。但我們可以通過(guò)在橋式整流器設(shè)計(jì)中使用晶閘管代替二極管來(lái)改進(jìn)設(shè)計(jì)。

通過(guò)將單相橋式整流器中的二極管替換為晶閘管，我們可以創(chuàng)建一個(gè)相位控制的交流到直流整流器，用于將恒定的交流電源電壓轉(zhuǎn)換為可控的直流輸出電壓。相位控制整流器，無(wú)論是半控還是全控，在可變電壓電源和電機(jī)控制中有許多應(yīng)用。

單相橋式整流器被稱為“不可控整流器”，因?yàn)槭┘拥妮斎腚妷褐苯觽鬟f到輸出端子，提供固定的平均直流等效值。要將不可控橋式整流器轉(zhuǎn)換為單相半控整流器電路，我們只需要用晶閘管（SCR）替換兩個(gè)二極管，如圖所示。

半控橋式整流器

半控橋式整流器

在半控整流器配置中，使用兩個(gè)晶閘管和兩個(gè)二極管控制平均直流負(fù)載電壓。正如我們?cè)陉P(guān)于晶閘管的教程中學(xué)到的，只有當(dāng)晶閘管的陽(yáng)極（A）比陰極（K）更正并且在其柵極（G）端施加觸發(fā)脈沖時(shí)，晶閘管才會(huì)導(dǎo)通（“ON”狀態(tài)）。否則它將保持不活動(dòng)狀態(tài)。

我們還了解到，一旦“ON”，只有當(dāng)柵極信號(hào)被移除并且陽(yáng)極電流低于晶閘管的保持電流IH時(shí)，晶閘管才會(huì)再次“OFF”，因?yàn)榻涣麟娫措妷悍聪蚱盟?。因此，通過(guò)在交流電源電壓經(jīng)過(guò)陽(yáng)極到陰極電壓的零電壓交叉后延遲施加到晶閘管柵極端子的觸發(fā)脈沖一段時(shí)間或角度（α），我們可以控制晶閘管何時(shí)開(kāi)始導(dǎo)通電流，從而控制平均輸出電壓。

半控橋式整流器

半控整流器波形

在輸入波形的正半周期期間，電流沿以下路徑流動(dòng)：SCR1和D2，并返回電源。在VIN的負(fù)半周期期間，導(dǎo)通通過(guò)SCR2和D1并返回電源。

很明顯，來(lái)自頂部組的一個(gè)晶閘管（SCR1或SCR2）和來(lái)自底部組的相應(yīng)二極管（D2或D1）必須一起導(dǎo)通才能使任何負(fù)載電流流動(dòng)。

因此，平均輸出電壓VAVE取決于半控整流器中包含的兩個(gè)晶閘管的觸發(fā)角度α，因?yàn)閮蓚€(gè)二極管是不可控的，只要正向偏置就會(huì)通過(guò)電流。因此，對(duì)于任何柵極觸發(fā)角度α，平均輸出電壓由下式給出：

半控整流器平均輸出電壓

半控整流器輸出電壓

請(qǐng)注意，當(dāng)α = 1時(shí)，最大平均輸出電壓發(fā)生，但仍然僅為0.637*VMAX，與單相不可控橋式整流器相同。

我們可以通過(guò)將所有四個(gè)二極管替換為晶閘管來(lái)進(jìn)一步控制橋式整流器的平均輸出電壓，從而得到一個(gè)全控橋式整流器電路。

全控橋式整流器

單相全控橋式整流器通常被稱為交流到直流轉(zhuǎn)換器。全控橋式轉(zhuǎn)換器廣泛用于直流電機(jī)的速度控制，并且通過(guò)將橋式整流器的所有四個(gè)二極管替換為晶閘管來(lái)輕松實(shí)現(xiàn)，如圖所示。

全控橋式整流器

全控橋式整流器

在全控整流器配置中，使用每個(gè)半周期的兩個(gè)晶閘管控制平均直流負(fù)載電壓。晶閘管SCR1和SCR4在正半周期期間作為一對(duì)觸發(fā)，而晶閘管SCR3和SCR4也在負(fù)半周期期間作為一對(duì)觸發(fā)。即SCR1和SCR4觸發(fā)后180度。

然后，在連續(xù)導(dǎo)通模式下，四個(gè)晶閘管不斷作為交替對(duì)切換，以維持平均或等效直流輸出電壓。與半控整流器一樣，輸出電壓可以通過(guò)改變晶閘管的觸發(fā)延遲角度（α）來(lái)完全控制。

因此，單相全控整流器在連續(xù)導(dǎo)通模式下的平均直流電壓表達(dá)式為：

全控整流器平均輸出電壓

全控整流器輸出電壓

通過(guò)將觸發(fā)角度α從π變化到0，平均輸出電壓從VMAX/π變化到-VMAX/π。因此，當(dāng)α < 90o時(shí)，平均直流電壓為正，當(dāng)α > 90o時(shí)，平均直流電壓為負(fù)。即功率從直流負(fù)載流向交流電源。

然后，我們?cè)谶@個(gè)關(guān)于單相整流的教程中看到，單相整流器可以采取多種形式將交流電壓轉(zhuǎn)換為直流電壓，從不可控的單二極管半波整流器到使用四個(gè)晶閘管的全控全波橋式整流器。

半波整流器的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單且成本低，因?yàn)樗恍枰粋€(gè)二極管。然而，它的效率不高，因?yàn)橹皇褂昧溯斎胄盘?hào)的一半，產(chǎn)生的平均輸出電壓較低。

全波整流器比半波整流器更高效，因?yàn)樗褂昧溯斎胝也ǖ膬蓚€(gè)半周期，產(chǎn)生了更高的平均或等效直流輸出電壓。全波橋式電路的一個(gè)缺點(diǎn)是它需要四個(gè)二極管。

相位控制整流使用二極管和晶閘管（SCR）的組合將交流輸入電壓轉(zhuǎn)換為可控的直流輸出電壓。全控整流器在其配置中使用四個(gè)晶閘管，而半控整流器使用晶閘管和二極管的組合。

因此，無(wú)論我們?nèi)绾尾僮鳎瑢⒄医涣鞑ㄐ无D(zhuǎn)換為穩(wěn)態(tài)直流電源的過(guò)程稱為整流。