《全波橋式整流電路》課件

全波橋式整流電路交流電轉(zhuǎn)換為直流電的關(guān)鍵電路課程目標(biāo)掌握電路原理理解全波橋式整流的基本工作機(jī)制實(shí)踐應(yīng)用能力能夠設(shè)計(jì)和調(diào)試實(shí)際電路分析問(wèn)題能力目錄基本概念整流定義與類(lèi)型工作原理電路分析與波形實(shí)際應(yīng)用設(shè)計(jì)與故障排除前沿技術(shù)新技術(shù)與發(fā)展趨勢(shì)1.整流電路基礎(chǔ)整流的定義將交流電轉(zhuǎn)換為單向脈動(dòng)直流電的過(guò)程基本功能改變電流方向，使負(fù)半周期電流轉(zhuǎn)為正向?qū)崿F(xiàn)方式利用二極管單向?qū)щ娞匦酝瓿赊D(zhuǎn)換1.2整流的類(lèi)型半波整流僅利用交流電的一個(gè)半周期電路簡(jiǎn)單，僅需一個(gè)二極管轉(zhuǎn)換效率低，輸出紋波大全波整流利用交流電的全部周期電路較復(fù)雜，需要多個(gè)二極管轉(zhuǎn)換效率高，輸出平滑1.3整流電路的應(yīng)用領(lǐng)域電子設(shè)備計(jì)算機(jī)、手機(jī)等數(shù)字設(shè)備電源工業(yè)電源電機(jī)驅(qū)動(dòng)、工控系統(tǒng)家用電器電視、冰箱等家電電源醫(yī)療設(shè)備診斷儀器、監(jiān)護(hù)設(shè)備2.全波橋式整流電路概述變壓器提供交流電源輸入四個(gè)二極管組成橋式結(jié)構(gòu)負(fù)載連接于橋輸出端濾波電容平滑輸出波形2.2全波橋式整流的優(yōu)勢(shì)高轉(zhuǎn)換效率利用交流電的全部周期進(jìn)行轉(zhuǎn)換紋波小輸出波形平滑度高電壓利用率高不需要中心抽頭變壓器結(jié)構(gòu)緊湊集成度高，易于制造2.3與其他整流電路的比較特性半波整流全波中心抽頭全波橋式二極管數(shù)量1個(gè)2個(gè)4個(gè)變壓器要求簡(jiǎn)單中心抽頭普通型效率低中高紋波因數(shù)1.210.480.483.全波橋式整流電路工作原理正半周期交流電正半周期時(shí)導(dǎo)通二極管D1和D3導(dǎo)通電流流向電流從上到下通過(guò)負(fù)載3.2負(fù)半周期負(fù)半周期交流電負(fù)半周期時(shí)導(dǎo)通二極管D2和D4導(dǎo)通電流流向電流仍從上到下通過(guò)負(fù)載3.3電流流向分析交流輸入變壓器次級(jí)提供交變電壓二極管整流橋式結(jié)構(gòu)使電流方向固定負(fù)載電流無(wú)論輸入正負(fù)，負(fù)載電流方向不變?yōu)V波平滑濾波電容儲(chǔ)能釋能平滑波形4.電路組成部件變壓器隔離電源并提供所需電壓安全隔離防止高壓電擊危險(xiǎn)電壓變換根據(jù)需求升高或降低電壓4.2二極管單向?qū)щ娦哉驅(qū)?，反向截止常?jiàn)類(lèi)型1N4001系列、1N5401系列關(guān)鍵參數(shù)正向電流、反向耐壓、開(kāi)關(guān)速度包裝形式軸向、表面貼裝、模塊化4.3負(fù)載電阻功能消耗電能轉(zhuǎn)換為所需形式功率必須能承受電路中的最大功率阻值決定電路中的電流大小散熱大功率負(fù)載需考慮散熱問(wèn)題5.波形分析正弦交流輸入頻率為50/60Hz的標(biāo)準(zhǔn)電網(wǎng)交流電幅值通常為220V或110V有效值周期每秒50或60個(gè)完整周期5.2整流后的輸出電壓波形全波整流波形將負(fù)半周期翻轉(zhuǎn)為正值頻率特性波形頻率為輸入的兩倍幅值變化輸出波形最大值略低于輸入（二極管壓降）5.3脈動(dòng)直流的概念脈動(dòng)直流特點(diǎn)電流方向恒定電壓值周期性變化未經(jīng)濾波的整流輸出純直流區(qū)別電壓值恒定無(wú)周期性波動(dòng)需通過(guò)濾波獲得6.數(shù)學(xué)模型交流輸入電壓v(t)=Vm·sin(ωt)理想整流輸出vo(t)=|Vm·sin(ωt)|3實(shí)際輸出考慮二極管壓降vo(t)=|Vm·sin(ωt)|-2Vd6.2平均輸出電壓2Vm/π理想平均電壓不考慮二極管壓降時(shí)的數(shù)學(xué)計(jì)算結(jié)果0.637Vm系數(shù)表示約為峰值的63.7%2Vd二極管壓降每個(gè)導(dǎo)通周期有兩個(gè)二極管串聯(lián)6.3有效值計(jì)算輸入交流整流后7.性能參數(shù)81.2%整流效率輸出功率與輸入功率之比48.2%紋波因數(shù)紋波有效值與平均值的比值2Vd電壓損失二極管導(dǎo)通壓降造成的損失7.2紋波因數(shù)紋波因數(shù)定義交流分量與直流分量之比計(jì)算公式r=Vac/Vdc橋式整流標(biāo)準(zhǔn)值約為48.2%濾波后的改善可降至5%以下7.3轉(zhuǎn)換效率負(fù)載功率二極管損耗變壓器損耗其他損耗8.二極管選擇正向電流要求必須大于負(fù)載所需最大電流安全系數(shù)通常選擇額定值的1.5-2倍溫度降額高溫環(huán)境需降低電流使用值8.2反向電壓要求峰值反向電壓PIV≥2.83×Vrms浪涌保護(hù)考慮電網(wǎng)浪涌影響安全裕度通常選擇理論值2倍以上8.3開(kāi)關(guān)速度考慮普通整流二極管低頻應(yīng)用(50/60Hz)開(kāi)關(guān)速度要求不高價(jià)格低廉快恢復(fù)二極管高頻應(yīng)用(>1kHz)反向恢復(fù)時(shí)間短適用于開(kāi)關(guān)電源9.變壓器設(shè)計(jì)變壓比選擇輸出電壓=輸入電壓×變壓比×0.9考慮整流損耗二極管壓降和紋波因素濾波后電壓降電容濾波會(huì)提高平均電壓9.2功率計(jì)算1.23Pdc變壓器功率系數(shù)變壓器視在功率與直流輸出功率比值1.5PT安全裕度額定功率應(yīng)為計(jì)算值的1.5倍η>90%變壓器效率優(yōu)質(zhì)變壓器效率指標(biāo)9.3溫度考慮溫升限制銅損和鐵損導(dǎo)致溫度上升絕緣等級(jí)決定最高允許運(yùn)行溫度散熱設(shè)計(jì)自然冷卻或強(qiáng)制風(fēng)冷10.濾波電路整流輸出存在問(wèn)題脈動(dòng)大，不適合直接使用電子設(shè)備需求穩(wěn)定直流電壓，紋波小濾波解決方案平滑波形，降低紋波10.2電容濾波電容并聯(lián)接在整流輸出與負(fù)載并聯(lián)充電階段電壓上升時(shí)電容儲(chǔ)能放電階段電壓下降時(shí)電容放電3波形平滑有效降低紋波幅度10.3電感濾波電感特性抵抗電流變化電流平滑保持電流連續(xù)性穩(wěn)定電壓降低負(fù)載電壓波動(dòng)10.4LC濾波1高效濾波結(jié)合電感和電容優(yōu)勢(shì)二階濾波紋波衰減速度更快π型結(jié)構(gòu)C-L-C級(jí)聯(lián)獲得更佳效果11.實(shí)際應(yīng)用案例11.2充電器交流輸入標(biāo)準(zhǔn)電網(wǎng)電源輸入橋式整流轉(zhuǎn)換為脈動(dòng)直流濾波穩(wěn)壓平滑電壓波形充電控制控制電池充電過(guò)程11.3工業(yè)電源大功率應(yīng)用工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備供電散熱要求高需強(qiáng)制冷卻系統(tǒng)保護(hù)功能豐富過(guò)壓、過(guò)流、短路保護(hù)高可靠性設(shè)計(jì)冗余設(shè)計(jì)，長(zhǎng)壽命12.故障分析與排除二極管擊穿反向擊穿或過(guò)流損壞變壓器過(guò)熱過(guò)載或短路導(dǎo)致濾波電容失效老化膨脹或漏液12.2故障診斷方法目視檢查觀(guān)察元件有無(wú)變色、鼓包2萬(wàn)用表測(cè)量測(cè)電壓、電阻、通斷3示波器觀(guān)察分析波形異常替換法更換可疑元件進(jìn)行驗(yàn)證12.3維修技巧安全第一斷電操作，放電濾波電容整組更換橋式整流器通常整組更換質(zhì)量提升使用更高規(guī)格元件替換焊接技巧控制溫度，避免熱損傷13.電路仿真仿真軟件Multisim、LTspice、Proteus等虛擬測(cè)試無(wú)需實(shí)際搭建即可驗(yàn)證設(shè)計(jì)性能分析波形、頻譜、功率等多維分析參數(shù)優(yōu)化快速調(diào)整元件參數(shù)找最佳值13.2電路模型構(gòu)建原理圖繪制創(chuàng)建電路原理圖參數(shù)設(shè)置設(shè)定元件參數(shù)和模型測(cè)試點(diǎn)布置放置電壓、電流探針?lè)抡媾渲迷O(shè)置仿真類(lèi)型和時(shí)間13.3仿真結(jié)果分析14.實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)驗(yàn)證原理證實(shí)全波橋式整流工作原理測(cè)量參數(shù)獲取關(guān)鍵電氣參數(shù)數(shù)據(jù)比較性能與理論計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析濾波效果觀(guān)察不同濾波方式的效果14.2實(shí)驗(yàn)器材信號(hào)源交流電源或信號(hào)發(fā)生器測(cè)量設(shè)備示波器、萬(wàn)用表電路元件變壓器、二極管、電阻、電容14.3實(shí)驗(yàn)步驟搭建電路按原理圖連接元件接通電源通電前檢查接線(xiàn)測(cè)量波形觀(guān)察并記錄各點(diǎn)波形采集數(shù)據(jù)記錄電壓電流值添加濾波連接濾波電路并測(cè)量14.4數(shù)據(jù)記錄與分析測(cè)量點(diǎn)理論值實(shí)測(cè)值誤差輸入有效值12V11.85V-1.25%輸出平均值10.8V10.2V-5.6%紋波電壓4.8V5.1V+6.25%濾波后紋波0.5V0.62V+24%15.電路改進(jìn)效率提升方法降低導(dǎo)通損耗1肖特基二極管較低的正向壓降2散熱優(yōu)化提高散熱效率并聯(lián)技術(shù)大電流時(shí)并聯(lián)降低熱量15.2EMI抑制技術(shù)共模電感抑制共模干擾Y電容濾除高頻共模噪聲X電容濾除差模干擾屏蔽技術(shù)阻斷電磁輻射傳播15.3熱管理優(yōu)化散熱片設(shè)計(jì)增加散熱面積強(qiáng)制風(fēng)冷提高空氣流通導(dǎo)熱材料提高熱傳導(dǎo)效率布局優(yōu)化熱點(diǎn)分散，避免熱集中16.相關(guān)新技術(shù)傳統(tǒng)整流二極管導(dǎo)通壓降大效率相對(duì)較低熱損耗較高同步整流用MOSFET替代二極管導(dǎo)通電阻低，損耗小效率可提升3-5%16.2軟開(kāi)關(guān)技術(shù)硬開(kāi)關(guān)問(wèn)題開(kāi)關(guān)損耗大，EMI嚴(yán)重諧振電路創(chuàng)造零電壓或零電流切換條件效率提升降低開(kāi)關(guān)損耗，減少干擾16.3數(shù)字控制整流智能控制微控制器調(diào)節(jié)整流參數(shù)自適應(yīng)調(diào)節(jié)根據(jù)負(fù)載變化優(yōu)化性能狀態(tài)監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)監(jiān)控電路工作狀態(tài)智能保護(hù)快速響應(yīng)異常情況17.全波橋式整流在新能源領(lǐng)域的應(yīng)用太陽(yáng)能發(fā)電光伏逆變器中的關(guān)鍵部件風(fēng)力發(fā)電風(fēng)機(jī)輸出電能處理儲(chǔ)能系統(tǒng)電池充放電管理17.2風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)風(fēng)能捕獲風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)交流發(fā)電發(fā)電機(jī)產(chǎn)生變頻交流電3整流轉(zhuǎn)換整流器將交流轉(zhuǎn)為直流逆變輸出逆變器轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)電網(wǎng)電力17.3電動(dòng)汽車(chē)充電系統(tǒng)交流輸入市電輸入充電樁全波整流轉(zhuǎn)換為直流電功率因數(shù)校正提高電網(wǎng)友好性DC-DC轉(zhuǎn)換調(diào)整電壓匹配電池要求18.全波橋式整流的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)高頻化工作頻率不斷提高小型化體積和重量持續(xù)