二極管的損耗與波形系數(shù)——看似簡(jiǎn)單的整流電路詳解

整流電路AC/DC變換應(yīng)用非常廣泛，比DC/AC 逆變器功率范圍更廣，數(shù)量更多。為了降低諧波電流，有源PFC應(yīng)用越來越廣泛，但二極管整流在電機(jī)驅(qū)動(dòng)中還是主流的方案，而且功率范圍很廣，所以了解二極管整流工程設(shè)計(jì)非常重要。

整流電路是電力電子課程的基礎(chǔ)內(nèi)容，占篇幅也很大，但是在書本上，工程上的重要基礎(chǔ)問題沒有細(xì)講或沒有涉及，尤其重要的整流電容濾波負(fù)載往往被忽略了，以至于使得整流電路設(shè)計(jì)在中小功率系統(tǒng)設(shè)計(jì)中也沒有得到足夠重視，直接影響系統(tǒng)成本和可靠性。而大功率整流，譬如新能源電解氫，整流知識(shí)是不可少的。

要設(shè)計(jì)好整流電路，首先要回答兩個(gè)主要問題，二極管上的電流和損耗。

二極管的特性為：

以帶三相整流橋的100A 1200V IGBTEasy3B模塊為例，型號(hào)為 FP100R12W3T7_B11，整流二極管的IF=f(VF) 特性如圖所示，其線性化表達(dá)式為：

在公式中，電流的量化涉及到二極管上的電流平均值IAV和電流有效值IRMS。在二極管上流過的是直流電流，我們計(jì)算的是直流下的平均功耗（功率），所以功耗（功率）第一個(gè)部分是直流電壓平均值與直流平均電流的積，這里需要知道流過二極管的平均電流；而電阻性的損耗（功率）是電流有效值的平方與電阻值的積，這里需要知道流過二極管電流有效值。 

為了簡(jiǎn)化工程計(jì)算，我們對(duì)于各種整流電路的不同負(fù)載波形給出了波形系數(shù)，即電流有效值與電流平均值之比。在實(shí)際計(jì)算中我們只要知道平均值電流就可以了。  

整流電路如果處理的是正弦電流，或感性負(fù)載下的方波電流，這時(shí)電流的波形系數(shù)可以通過查表獲得，如是整流電容濾波這類非線性負(fù)載，需要通過仿真和測(cè)試獲得，也可以總結(jié)一些經(jīng)驗(yàn)波形系數(shù)用于工程設(shè)計(jì)：

表：整流電路的峰值系數(shù)，平均系數(shù)和波形系數(shù)

表：正弦波的系數(shù)

測(cè)試電流比較方便的方法是在整流橋的交流輸入端測(cè)，如果有交流輸入電感，需要在電感和整流橋之間測(cè)，即圖中的iLn。

如果不是正弦電流，有效值測(cè)量必須用真有效值表，然后用波形系數(shù)換算二極管上的平均值電流。

為什么要強(qiáng)調(diào)真有效值呢？這是因?yàn)橐话惚眍^測(cè)量原理是：表的指針按照平均值偏轉(zhuǎn)，表盤按照正弦波的有效值刻度。正弦波電壓/電流的峰值，有效值和平均值的關(guān)系為：

以正弦電壓舉例大家更熟悉，如果采用的不是真有效值表，表頭讀數(shù)為220V有效值時(shí)，實(shí)際表頭測(cè)得的是平均值198V。

所以如果真的要測(cè)非正弦波形的平均值，就需要用平均值表，這就比較小眾了，建議還是用真有效值表測(cè)電流再峰值系數(shù)換算。

以正弦電流為例，計(jì)算二極管上的平均功率：假設(shè)二極管有效值電流為25A，那么平均值電流為22.5A。

簡(jiǎn)化用平均值計(jì)算，在正弦波下誤差不大：

但是，如果是非線性負(fù)載，這誤差就大了，系列文章會(huì)從應(yīng)用角度談?wù)劮蔷€性負(fù)載對(duì)整流二極管和逆變器的影響，請(qǐng)關(guān)注連載。