整流電容濾波負(fù)載實(shí)例

六期連載，整流電路AC/DC變換應(yīng)用非常廣泛，其中二極管整流在電機(jī)驅(qū)動(dòng)中是主流的方案，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。

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

二極管的損耗

以帶三相整流橋的100A 1200V三相逆變橋 FP100R12W3T7_B11為例，整流二極管的IF=f(VF)特性如圖所示，表達(dá)式為：

從圖表上讀得：

VTO=0.73V rT=0.00272ohm @25oC

二極管整流橋輸入是交流電流，但單個(gè)二極管上流過的是直流電流，那么，二極管上的損耗，即二極管上的平均功率為：

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。

為了簡化工程計(jì)算，我們對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。

那么：

在實(shí)際整流橋設(shè)計(jì)中，要考慮二極管的損耗，也要關(guān)注其峰值電流，在小電感的電路中，峰值電流θ角小，電流峰值幅度很大。

下面以單相整流和三相整流電容濾波負(fù)載為例，仿真分析電流及波形系數(shù)。

實(shí)例一：類家用空調(diào)單相整流電路

以一個(gè)類空調(diào)的整流電路為例，電容取值1500uf，電感3.5mH放在交流測，負(fù)載電阻121歐，平均功率在700瓦水平。為了說明問題同時(shí)也分析了輕載情況，負(fù)載電阻1210歐，平均功率在70瓦水平。

Ln=3.5mH時(shí)的二極管的電流和電容電壓PLECS仿真波形如下圖：二極管導(dǎo)通初期，紅色虛線以左，其電流和電容電流共同給電阻負(fù)載供電，到交流電壓足夠高電流足夠大時(shí)才給電容充電，電容電壓上升。

在仿真中我們可以獲得電流值，從而算得波形系數(shù)，在空調(diào)典型設(shè)計(jì)中電感為3.5mH時(shí)，波形系數(shù)為2.6。

同時(shí)探討在不考慮電網(wǎng)阻抗情況下，分析不同的輸入電感時(shí)的峰值電流。電感從0.2mH到5mH時(shí)，單相全橋整流的波形系數(shù)為3.8-2.5之間。

設(shè)計(jì)中要考慮平均值電流與峰值電流之比，在0.2mH小電感情況下，峰值電流高達(dá)22A，是平均值電流的18倍，這種穩(wěn)態(tài)工況對二極管的應(yīng)力也非常大，諧波電流也大，對電網(wǎng)非常不友好，遠(yuǎn)不能滿足GB17625.1低壓電氣及電子設(shè)備發(fā)出的諧波電流限值（設(shè)備每相輸入電流≤16A）要求。

這在目前工業(yè)通用變頻器設(shè)計(jì)中要考慮，以保證帶單相整流橋的IGBT PIM模塊的安全工作。

案例二：三相通用變頻器整流電路

案例以英飛凌參考設(shè)計(jì)REF-22K-GPD-INV-EASY3B為例做PLECS仿真分析。該參考設(shè)計(jì)額定功率為22kW，是為泵、風(fēng)扇、壓縮機(jī)、傳送帶等應(yīng)用開發(fā)的通用變頻器。該設(shè)計(jì)具有典型電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的外觀和內(nèi)部構(gòu)成，包括EMI濾波器、預(yù)充電電路和電容器組、隔離電源、IGBT模塊（EasyPIM 3B IGBT模塊FP100R12W3T7_B11）、控制器和帶風(fēng)扇的散熱器。它可以直接在三相電網(wǎng)上運(yùn)行。

變頻器主要參數(shù)

器件參數(shù)

三相共模電感：

標(biāo)稱電感L0=1.1mH，1.6mohm,62A，

直徑98mm，高度54mm，

型號(hào)為TDK B82748S6623N030，實(shí)際考慮直流偏磁（IR=62A,<10%），仿真時(shí)用1mH。

直流濾波電容：

電容為2200uF/450V型號(hào)為TDK B43512A5228M067,六個(gè)電容三并兩串聯(lián)，電容組電容量為3300uF。

IGBT模塊：

EasyPIM 3B IGBT模塊FP100R12W3T7_B11是帶三相整流橋，制動(dòng)單元和三相逆變器的模塊，逆變器采用100A，1200V IGBT7芯片。

其中的整流二極管每個(gè)芯片的最大正向有效值電流 IFRMSM=100A

正向浪涌電流880A@tp=10ms

VTO=0.73V rT=0.00272ohm@25oC

仿真原理圖

仿真結(jié)果可以看出，在通用變頻器的典型設(shè)計(jì)中，三相整流橋中二極管的電流波形系數(shù)并不是太大，取值在2左右，只有在沒有電感情況下，如假設(shè)線路電感為0.01mH時(shí)，電流波形系數(shù)才會(huì)超過3，這時(shí)二極管上損耗將顯著增加。

利用負(fù)載平均值電流計(jì)算二極管損耗

22kW的變頻器的負(fù)載仿真中用電阻代替，取值11.5歐姆，這樣負(fù)載的平均值電流為43.2A，流過二極管的電流為14.4A。因?yàn)榉抡鏁r(shí)已經(jīng)讀得二極管的有效值電流25.3A，這樣波形系數(shù)為1.76。代入下面公式，算出二極管損耗為12.3W，與仿真結(jié)果一致。

仿真波形供參考

結(jié)論

1 在合理的設(shè)計(jì)范圍，單相整流電容濾波電路的電流波形系數(shù)為3左右，而三相整流電容濾波電路的電流電流波形系數(shù)為2左右。

2 在線路低阻抗和輸入電感量比較小時(shí)，二極管的峰值電流影響需要考慮。

3 影響整流電容濾波電路波形系數(shù)因數(shù)很多，建議采用PLECS做仿真，以獲得二極管的損耗和峰值電流。

下一講預(yù)告 

《逆變器如何面對整流濾波非線性負(fù)載？》

摘要：解讀UPS標(biāo)準(zhǔn)，研究線路阻抗對整流電容濾波這類非線性負(fù)載的影響，同時(shí)討論針對整流電容濾波這類非線性負(fù)載逆變器輸出特性的設(shè)計(jì)對策和測試方法。

來源：英飛凌，原創(chuàng)：陳子穎