Anfängerleitfaden für das Design von H-Brücken-Gleichrichtern mit voller Welle

Die Leistungsumwandlung ist ein wesentlicher Bestandteil des modernen Lebens, und wahrscheinlich der wichtigste für praktische Zwecke in der Elektronik ist die Umwandlung von AC in DC. Gleichrichter sind die wesentlichen Schaltungen, die verwendet werden, um AC in DC umzuwandeln, und sie können in eine der folgenden Kategorien fallen:

• Halbwellengleichrichter
• Mittelpunktgekoppelter Vollwellengleichrichter
• Brückengleichrichter

Die Funktionalität dieser Gleichrichter ist die gleiche, d.h. AC-DC-Umwandlung, aber jeder verwendet eine andere Eingangskonfiguration und sie haben unterschiedliche Ausgänge. Der mittelpunktgekoppelte Gleichrichter und der Brückengleichrichter sind beide Vollwellengleichrichter (letzterer wird manchmal als "Vollbrückengleichrichter" bezeichnet), und sie bieten eine höhere Leistungsumwandlungseffizienz als ein Halbwellengleichrichter. Mittelpunktgekoppelte Gleichrichter und Brückengleichrichter dienen fast dem gleichen Zweck, aber der mittelpunktgekoppelte Transformator, der im ersteren verwendet wird, ist teuer, daher wird in der Regel ein Brückengleichrichter bevorzugt, es sei denn, die Mittelanzapfungen eines Transformators sind aus einem bestimmten Grund erforderlich.

In diesem Leitfaden werden wir uns mit dem Entwurf und der Simulation eines Vollwellen-H-Brückengleichrichters für einphasige und dreiphasige Leistungsumwandlung befassen. Beide können in einem industriellen Umfeld verwendet werden, einschließlich in kleinen Steuermodulen, die mein Unternehmen für Kundenprojekte entwickelt hat. Sie sind allgegenwärtig in anderen elektronischen Geräten, und der Aufbau einer Simulation mit diesen ist wichtig, um zu sehen, wie sie Strom mit hoher Effizienz an nachgeschaltete Schaltungen liefern können.

Arten von Vollbrückengleichrichterschaltungen

Ein grundlegender Vollbrückengleichrichter Schaltkreis ist unten gezeigt. Dieser Schaltkreis verwendet normalerweise vier Dioden (D1-D4), die in Serienpaaren angeordnet sind und nur zwei Dioden sind während jedes Halbzyklus des AC-Eingangs in Durchlassrichtung vorgespannt. Die vier Dioden in diesem Gleichrichter sind in einer geschlossenen Schleife, brückenähnlichen Struktur verbunden und diese Montage gibt ihm seinen Namen. Dies wird manchmal als ungesteuerter Gleichrichter bezeichnet, der Grund dafür wird später in diesem Artikel gezeigt.

Einphasige vs. dreiphasige Gleichrichter

Manchmal sehen Sie den oben genannten Gleichrichter in einer H-Brücken-Konfiguration dargestellt, die unten gezeigt ist. Diese Konfiguration ist die gleiche wie die oben genannte. Unten ist auch ein dreiphasiger Gleichrichter zum Vergleich gezeigt, der einfach 6 Dioden anstelle von 4 verwendet, wobei 2 Seriendioden verwendet werden, um den Stromfluss für jede Phase in einer dreiphasigen AC-Verbindung zu steuern. Die Unterschiede zwischen den beiden Arten von Gleichrichtern sollten aus ihren Wellenformen ersichtlich sein; der dreiphasige Gleichrichter bietet viel weniger Ripple, aber bei 1,5-facher Frequenz des einphasigen Gleichrichters.

Da konventionelle Dioden unidirektional und ungesteuert sind, wird der Stromfluss nur in eine Richtung zugelassen, und es gibt keine Möglichkeit, die Vorwärtsspannung zu steuern. Aus diesem Grund bezeichnen wir diese Gleichrichter normalerweise als „ungesteuert“, und wir müssen die in diesen Schaltungen verwendeten Dioden sorgfältig auswählen, um sicherzustellen, dass der Gleichrichter in der vorgesehenen Betriebsumgebung vollständig in Vorwärtsrichtung vorgespannt ist. Wenn Sie an das Wechselstromnetz angeschlossen sind, haben Sie genügend Spielraum, um sicherzustellen, dass die Dioden in diesem Schaltkreis immer in Vorwärtsrichtung vorgespannt sind, dies ist mehr eine Sorge, wenn Sie zuerst auf ein niedriges Niveau herunterfahren und dann eine Gleichrichtung anwenden. Aus diesem Grund wird oft ein Transformator verwendet, um zuerst auf ein moderates Niveau herunterzutransformieren (12 V oder 24 V nominelles Wechselspannungsniveau), dann wird das Signal durch den Gleichrichter geleitet. Nach der Glättung auf einen gewissen Gleichspannungswert wird eine abschließende Regelstufe angewendet, um die Ausgangsspannung auf den erforderlichen Wert einzustellen.

Gesteuerte Gleichrichter

Diese Art von Vollbrückengleichrichter verwendet gesteuerte Halbleiterkomponenten wie MOSFETs, IGBTs, SCRs usw. anstelle von konventionellen Dioden. Ein SCR wird häufig verwendet, da seine Spannung leicht durch direkte Anwendung einer externen Gleichspannung variiert werden kann. Dadurch kann das System die Leistungsabgabe für verschiedene Spannungen bei Bedarf anpassen. Das Bild unten zeigt einen einphasigen gesteuerten Brückengleichrichter, der einfach den Austausch der Dioden durch SCRs beinhaltet.

Genau wie der reguläre einphasige Gleichrichter kann dieser gesteuerte Gleichrichter als H-Brücke dargestellt werden; die resultierende Funktionalität ist genau die gleiche. Wir können die Schaltung auch auf einen dreiphasigen Eingang erweitern, indem wir 6 SCRs verwenden (2 für jede Phase).

Auswahl von Dioden

Wie ich oben erwähnt habe, sollte klar sein, dass der Strom durch die Last in beiden Arten von Gleichrichtern in eine Richtung fließt, sodass zu jedem gegebenen Zeitpunkt nur zwei der Dioden in Vorwärtsrichtung vorgespannt sind. Es gibt einen Spannungsabfall über jeder Diode im vorwärts vorgespannten Brückenabschnitt während jedes Halbzyklus. Bei Siliziumdioden muss der gesamte Spannungsabfall 2*0,7 = 1,4 V betragen, weil zwei Dioden in Vorwärtsrichtung vorgespannt sein werden. Wenn Sie mit niedrigeren, transformatorgekoppelten Wechselspannungen arbeiten, möchten Sie möglicherweise Germanium- oder Schottky-Dioden verwenden, da diese einen niedrigeren Spannungsabfall bei Vorwärtsvorspannung aufweisen.

Ausgangssignale

Normalerweise wird, sobald Sie Ihren Gleichrichter eingerichtet haben, eine Gleichspannung durch Hinzufügen eines Glättungskondensators über die Ausgänge eingestellt. Der Glättungskondensator parallel zur Last bestimmt das Niveau der Welligkeit, die der Ausgangs-Gleichspannung überlagert ist. In dem Moment, in dem die Eingangsspannung während eines Zyklus zu fallen beginnt, beginnt der Kondensator über dem Ausgang parallel zum Widerstand zu entladen, sodass die beiden einen RC-Kreis bilden. Der Kondensator lädt und entlädt sich wiederholt mit einer bestimmten RC-Zeitkonstante zwischen den Halbzyklen. Bevor der Kondensator vollständig entladen kann, beginnt der Ladezyklus, sodass der Kondensator nie vollständig entladen wird, es sei denn, die Eingangsleistung wird unterbrochen.

Hier können Sie die RC-Zeitkonstante verwenden, um diese Entladerate über die Last zu bestimmen. Wenn wir zum Beispiel einen Lastwiderstand von 10 kOhm mit einem 50 uF Kondensator verwenden, dann ist die RC-Zeitkonstante 500 ms. Das bedeutet, dass wir, wenn wir die Welligkeit auf der Ausgangs-Gleichspannung reduzieren wollen, den Wert des Glättungskondensators oder des Lastwiderstands (oder beides) erhöhen müssen. Obwohl die Ausgangswellenform nicht rein Gleichstrom ist, führt das Erhöhen des Lastwiderstands und das Glätten des Kondensators dazu, dass die Ausgangswelligkeit so klein wird, dass sie möglicherweise nicht leicht bemerkt wird. Die letzte Regelstufe wird normalerweise ein LDO (für niedrige Spannung) oder ein Schaltregler (für hohe Spannung) sein.

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