新手指南：H桥全波整流器设计

电力转换是现代生活的一个重要部分，而在电子学中最重要的实用目的可能就是交流到直流的转换了。整流器是用于将交流电转换为直流电的基本电路，它们可能属于以下几类：

• 半波整流器
• 中心抽头全波整流器
• 桥式整流器

这些整流器的功能相同，即交流到直流的转换，但每种使用不同的输入配置，并且它们的输出也不同。中心抽头整流器和桥式整流器都是全波整流器（后者有时被称为“全桥整流器”），它们提供的功率转换效率高于半波整流器。中心抽头整流器和桥式整流器几乎具有相同的用途，但前者中使用的中心抽头变压器昂贵，所以通常优先选择桥式整流器，除非特定原因需要变压器的中心抽头。

在本指南中，我们将研究单相和三相电力转换的全波H桥整流器的设计和仿真。这两种都可用于工业环境，包括我公司为客户项目开发的小型控制模块中。它们在其他电子设备中无处不在，构建这些设备的仿真对于查看它们如何以高效率向下游电路提供电力非常重要。

全桥整流器电路的类型

下面展示了一个基本全桥整流器电路。这个电路通常使用四个二极管（D1-D4）以串联对的形式排列，每个半周期的交流输入期间只有两个二极管正向偏置。这四个二极管在一个紧密的环形桥状结构中连接，这种组装给它命名。这有时被称为不受控整流器，其原因将在本文后面展示。

单相与三相整流器

有时，你会看到上面的整流器以H桥配置绘制出来，如下所示。这种配置与上面的配置相同。下面还展示了一个三相整流器进行比较，它简单地使用6个二极管而不是4个，每个三相交流连接中的2个串联二极管用于控制电流流动。从它们的波形可以明显看出这两种类型的整流器之间的差异；三相整流器提供的纹波更低，但频率是单相整流器的1.5倍。

由于传统二极管是单向的且不可控的，电流只能单向流动，无法控制正向电压。因此，我们通常称这些整流器为“不可控”的，我们需要正确选择这些电路中使用的二极管，以确保整流器在预定的操作环境中能够完全正向偏置。如果您连接到交流电源，您将有足够的余地确保电路中的二极管始终正向偏置，如果首先降至低电平，然后进行整流，这更值得关注。因此，通常情况下，会先使用变压器将电压降至适度水平（12V或24V名义交流电平），然后信号通过整流器。经过平滑处理至某个直流值后，将应用最终的调节阶段以将输出电压设定为所需值。

可控整流器

这种类型的全桥整流器使用一些可控的固态元件，如MOSFETs、IGBTs、SCRs等，而不是传统的二极管。SCR常用于此，因为其电压可以通过外部直流电压的直接应用轻松变化。因此，系统可以根据需要调整不同电压的功率输出。下图显示了一个单相可控桥式整流器，其简单地将二极管替换为SCRs。

就像常规的单相整流器一样，这种可控整流器可以绘制成H桥；其结果功能完全相同。我们还可以通过使用6个SCRs（每相2个）将电路扩展到三相输入。

选择二极管

正如我上面提到的，应该清楚，在这两种类型的整流器中，负载通过的电流都是单向的，所以在任何给定的瞬间只有两个二极管是正向偏置的。在每个半周期的正向偏置桥段中，每个二极管都会有电压降。对于硅二极管，由于两个二极管将被正向偏置，总电压降必须是2*0.7 = 1.4V。如果您使用的是与变压器耦合的低电平交流电，则可能希望使用锗或肖特基二极管，因为它们在正向偏置时的电压降较低。

输出波形

通常，一旦您设置好整流器，通过在输出端并联一个平滑电容器，就可以建立直流电压。与负载并联的平滑电容器将决定叠加在输出直流波形上的纹波水平。在输入电压在一个周期内开始下降的瞬间，输出端的电容器将开始与电阻器并联放电，因此二者形成一个RC电路。电容器在半周期之间重复充电和放电，具有特定的RC时间常数。在电容器完全放电之前，充电周期开始，所以除非切断输入电源，否则电容器永远不会完全放电。

在这里，您可以使用RC时间常数来确定负载上的放电率。例如，如果我们使用一个10 kOhm的负载电阻和一个50 uF的电容器，那么RC时间常数是500 ms。这意味着，如果我们想减少输出直流电压上的纹波，那么我们需要增加平滑电容器的值或负载电阻的值（或两者都增加）。虽然输出波形不是纯直流，但增加负载电阻和足够高的平滑电容器会使输出纹波非常小，以至于可能不容易被注意到。最终的调节阶段通常会使用LDO（用于低电压）或开关调节器（用于高电压）。

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