不受控制的校正器是什么原理

不受控制的校正器是动力电子中最简单的AC-DC转换电路之一。 这些电路被称为“不受控制的 ” , 因为它们使用无节制的电动电子设备, 如二极管。 在不受控制的校正器中, AC 到DC 是通过二极管转换的, 它们是被动的电子设备, 允许电流只流向一个方向。

单相半波和全波整变器是最直接的无控制的整变器类型,通常用于低功率应用,效率不是重大关切问题,而三相半波和全波整变器则用于可获取三相空调功率的高功率应用,中央调压器、电压复变器、电压复变器和其他无控制的整变器等也在各种应用中使用,过滤是不受控制的整变器中的一个关键因素,因为这些电路的输出通常具有相当数量的AC波纹。使用电容器和导管等过滤器有助于减轻AC波纹,并提供更稳定的DC电压输出。虽然无控制的整变器的效率比更复杂、更受控制的整变器要低,但由于其简单和可靠,它们仍然是许多有控制的电子功力系统不可或缺的组成部分。

三相二极管整流器的主要电路表层由三个二极管组成,与变压器二次绕线的三个阶段的每一个阶段相连。二极管通常在不受控制的桥接安排下配置,并与电压源的三个阶段相连接。二极管对输入的 AC 电压进行校正,结果产生DC 电压。

电路以二极管的特性为基础运行,二极管是半导体电子装置,它只允许流向一个方向。当二极管的前向偏斜时,当其阳极的电压大于对阴极的电压时,电路起低阻力作用,使流能通过它。相反,当二极管的反向偏向时,即其阴极的电压大于对阳极的电压,它起到高度阻力的作用,防止水流流动。二极管的这一特性对整形电路的运作至关重要。

Single-Phase Half-Wave Rectifiers

单相半波整流器是设计上简单的基本不受控制的整流器。 此电路由单二极管和一个连成一个AC源的负负阻力器组成。 在AC电压正半循环期间,二极管是前向偏移的,进行流流动,但负半循环期间,二极管变成反向偏移的,没有流经负负阻力器。 因此, 横穿负载阻力器的输出压强正在压动DC, 输入的AC的波形只有一半得到利用 。

单阶段半波校正装置与一些缺点有关,其中包括低效率,通常约为40%,这是因为在AC电压的负半周期期间,当二极管不运行时,一半的输入功率丧失,此外,校正装置产生的输出功率显示高波纹电压,这可能对电子设备构成挑战。

Figure 2: Digression: The efficiency of a half-wave diode rectifier

假设抵抗者R对面的峰顶电压是Vmax.

DC平均电压计算如下:

因此:

AC 电路中的rms 电流以这种方式计算:

输入的 AC 功率和输出 DC 功率等于 :

此处:

RS- 变压器二级刮风阻力

rD- 装载二极管阻力

R - 抗负负载

半波校正器的效率定义为负载与输入AC电源的DC功率比率:

$$eta = frac{P_{dc}}{P_{ac}} = frac{I_{dc}^{2} cdot R}{I_{rms}^{2} cdot (R_s + r_D + R)} approx frac{I_{dc}^{2} cdot R}{I_{rms}^{2} cdot R} = left(frac{I_{max}}{pi}right)^{2} left(frac{2}{I_{max}}right)^{2} = frac{4}{pi^{2}} = 40.53%$$

尽管效率低,波纹电压高,但单阶段半波整流器在小型电力供应或电路中有一些应用,在这些电路中,低成本至关重要,产出波纹电压可以容忍。

Three-Phase Half-Wave Rectifiers

三阶段半波校正装置用于电力电子应用,需要将三阶段空调功率转换为DC功率,比单阶段功率要高,因为使用了AC功率的所有三个阶段,但DC电压的输出仍经历电压,需要额外过滤,以实现稳定的DC电压。

三阶段半波校正装置的优点是简单,因为它只需要三个二极管,但其输出电压低于其他类型的校正装置,因为三个阶段中只有一个阶段是一次使用的。

Figure 3: Half-Wave Three-Phase Diode Rectifier

让我们假设第五阶段的电压A0°开始于0°。 在0°与30°之间的时间间隔期间,二元D的电压3阴极最高者(V)C> 五A> 五B因此,二元D3和二极管D1和D2在此之后,在30°至150°的30°至150°之间的时间间隔内,二极管D的电压1阳极最高(30°-90°:V)A> 五C> 五B; 90°-150°:VA> 五B> 五C因此,二元D1和二极管D2和D3下图描述了(负载的)整流器输出的电压波形。

Figure 4: Output Voltage Waveform of Half-Wave Three-Phase Diode Rectifier

如果我们指定峰顶输入电压为VP,输出电压波形的平均值为:

这可以限制其应用,特别是在需要高DC电压的情况下,三阶段半波整流还造成输入流高度的调音扭曲,这可能造成诸如电力传输和分配系统损失增加以及电磁干扰增加等问题。

三阶段半波校正装置虽然产出电压较低,但能带来一些好处,例如由于只使用了三个二极管而简单和成本较低,然而,其输入流中高度的调和扭曲可能导致诸如传输和分配系统断电和电磁干扰等问题,因此,在设计动力电子系统时,必须考虑不同整化型的利弊之间的权衡。

Three-Phase Full-Wave Rectifiers

图5显示了一个无管制的三相二极管整形电路,它使用由六个二极管组成的全波桥配置,电路输入与三相电源连接,而输出与DC载荷连接,电路的功能说明如下。

Figure 5: Uncontrolled Full-Wave Three-Phase Diode Rectifier

让我们假设A阶段的电压从0°开始(见下图)。

Figure 6: Output Voltage Waveform of Full-Wave Three-Phase Diode Rectifier

所以,负载电压等于: V负载=五C- 五级B

所以,负载电压等于: V负载=五A- 五级B

时间从0°到30°
VC> 五A> 五BD 5和D4正在
下层D1FOF (电压电极五)A低于阴极电压五C)
下层D2FOF (电压电极五)B低于阴极电压五A)
下层D3FOF (电压电极五)B低于阴极电压五C)
下层D6FOF (电压电极五)B低于阴极电压五C)

2) 30°至90°的时段
VA> 五C> 五BD 1和D4正在
下层D2FOF (电压电极五)B低于阴极电压五A)
下层D3FOF (电压电极五)B低于阴极电压五A)
下层D5FOF (电压电极五)C低于阴极电压五A)
下层D6FOF (电压电极五)B低于阴极电压五C)

以上图中描述了(负载)整流器输出的电压波形。

Other Single-Phase Rectifier Types

在有动力的电子系统中,使用了各种不受控制的校正装置,其中之一是中央加压的校正装置,在低功率环境下常用。这种校正装置使用中央加压变压器和两个二极管来创建压动DC电压输出。与此同时,桥梁校正装置是另一类不受控制的校正装置,由于它能产生全波校正输出,因此在很多应用中经常使用。桥梁校正装置由四个二极管组成,在桥结构中安排了四个二极管来生成DC输出。

电压双轨整变器是另一种不受控制的整变器,用于需要比典型的整变器高的DC电压输出的应用中,这种整变器使用两个二极元和两个电容器来增加单级AC源的输出电压;此外,在特定应用中还使用其他不受控制的整变器表层,其中包括高功率DC应用的Graetz电路和高压DC应用的Cockcroft-Walton乘数。这些整变器使用二极管和电容器混合生成高功率或高压DC输出。无论使用的是哪一种不受控制的整变器,通常需要过滤来尽量减少输出波形中存在的波波波。电容器、导管或两者的结合用来平滑输出波形和尽量减少波波波。

Filtering

过滤是设计不受控制的校正装置时需要考虑的一个关键因素,因为它有助于平滑输出电压和减少波纹电压。 Ripple 电压是指经校正的AC信号的脉冲性质造成的输出电压波的微小波动。这些变化可能导致电子系统精确度下降、电磁干扰加剧以及电子部件可靠性降低等问题。

电容器过滤器由与负载抗力平行连接的电容器组成。随着电压的上升,电容器将积累电荷,吸收电路的能量。相反,随着压载阻力的下降,电容器将把其储存的能量排入电路,防止电压下降过低。减压的程度取决于过滤电容器的能力值,而更大的电容器值提供更好的过滤性能。

最后,另一种办法是结合使用电容器和感应器过滤器,称为LC过滤器。 LC过滤器比仅仅使用电容器或感应器过滤器提供更好的过滤性能,尽管它们对于设计和实施更为复杂。过滤器类型和设计的选择是基于具体的应用要求,例如所需的波纹减缩水平、成本和体积限制。

        责任编辑：彭菁