单相整流

整流是通过固态半导体器件将交流电源连接到直流负载的过程。

整流通过二极管、晶闸管、晶体管或转换器将振荡的正弦交流电压源转换为恒定的直流电压供应。这一整流过程可以采取多种形式，包括半波、全波、不可控和全控整流器，将单相或三相电源转换为恒定的直流电平。在本教程中，我们将探讨单相整流及其所有形式。

整流器是交流电源转换的基本构建模块之一，半波或全波整流通常由半导体二极管执行。二极管允许交流电流在正向流动，同时阻止反向电流流动，从而产生固定的直流电压电平，使其成为理想的整流器件。

然而，通过二极管整流的直流电并不像从电池等电源获得的直流电那样纯净，而是由于交流电源的影响，其电压会以纹波的形式叠加变化。

要进行单相整流，我们需要一个固定电压和频率的交流正弦波形，如图所示。

交流正弦波形

正弦波形

交流波形通常有两个相关的数值。第一个数值表示波形沿x轴的旋转程度，即发电机从0度旋转到360度。这个值称为周期（T），定义为完成一个完整波形周期所需的时间间隔。

周期以度、时间或弧度为单位测量。正弦波的周期（T）和频率（ƒ）之间的关系定义为：T = 1/ƒ。

第二个数值表示沿y轴的电流或电压的幅值。这个数值给出了从零到某个峰值或最大值（AMAX、VMAX或IMAX）的瞬时值，表示正弦波在再次回到零之前的最大幅值。对于正弦波形，有两个最大值或峰值，一个为正半周期，另一个为负半周期。

除了这两个值外，还有两个值对我们进行整流非常重要。一个是正弦波形的平均值，另一个是其有效值（RMS值）。波形的平均值是通过将半个周期内的电压（或电流）瞬时值相加得到的，计算公式为：0.6365*VP。

需要注意的是，对称正弦波的一个完整周期的平均值将为零，因为平均正半波被相反的平均负半波抵消。即 +1 + (-1) = 0。

正弦波的有效值（RMS值）表示向电阻提供与相同值的直流电源相同的能量。正弦电压（或电流）的均方根值（rms）定义为：0.7071*VP。

单相整流器

所有单相整流器都使用固态器件作为其主要交流到直流的转换器件。单相不可控半波整流器是最简单且可能是小功率级别中最广泛使用的整流电路，因为它们的输出受连接负载的电抗影响较大。

对于不可控整流电路，半导体二极管是最常用的器件，并且通过排列形成半波或全波整流电路。使用二极管作为整流器件的优势在于，它们是通过设计具有单向pn结的单向器件。

这个pn结通过消除电源的一半，将双向交流电源转换为单向电流。根据二极管的连接方式，例如，当二极管正向偏置时，可以通过交流波形的正半部分，而当二极管反向偏置时，消除负半周期。

反之亦然，通过消除波形的正半部分或通过负半部分。无论哪种方式，单个二极管整流器的输出仅由360度波形的一半组成，如图所示。

半波整流

半波整流

上述单相半波整流器配置通过交流电源波形的正半部分，同时消除负半部分。通过反转二极管的方向，我们可以通过负半部分并消除交流波形的正半部分。因此，输出将是一系列正或负脉冲。

因此，在每个周期的一半时间内，没有电压或电流施加到连接的负载RL上。换句话说，负载电阻RL上的电压仅由半波形组成，无论是正半波还是负半波，因为它仅在输入周期的一半时间内工作，因此称为半波整流器。

希望我们可以看到，二极管只允许电流在一个方向上流动，产生由半周期组成的输出。这种脉动输出波形不仅每个周期都在变化，而且仅存在50%的时间，并且在纯电阻负载下，这种高电压和电流纹波含量达到最大。

这种脉动直流意味着负载电阻RL上的等效直流值仅为正弦波形值的一半。由于波形正弦函数的最大值为1（sin(90o)），半个正弦波的平均或直流值定义为：0.637 x 最大幅值。

因此，在正半周期期间，AAVE等于0.637*AMAX。然而，由于反向偏置二极管的整流作用，负半周期被移除，因此在此期间波形的平均值将为零，如图所示。

正弦波的平均值

正弦波的平均值

因此，对于半波整流器，50%的时间平均值为0.637*AMAX，50%的时间为零。如果最大幅值为1，则负载电阻RL上的平均或直流等效值为：

半波整流器平均值

因此，半波整流器的脉动直流电压或电流的平均值表达式为：

请注意，最大值AMAX是输入波形的值，但我们也可以使用其RMS值或“均方根”值来找到单相半波整流器的等效直流输出值。

为了确定半波整流器的平均电压，我们将RMS值乘以0.9（波形因数）并将乘积除以2，即乘以0.45，得到：

然后我们可以看到，半波整流器电路根据二极管的方向将交流波形的正半部分或负半部分转换为脉动直流输出，其等效直流值为0.318*AMAX或0.45*ARMS，如图所示。

半波整流器平均电压

半波整流器平均电压

整流示例1

一个单相半波整流器连接到50V RMS 50Hz交流电源。如果整流器用于供应150欧姆的电阻负载。计算负载上产生的等效直流电压、负载电流和负载消耗的功率。假设二极管为理想特性。

首先，我们需要将50伏RMS转换为其峰值或最大电压等效值（这不是必需的，但它有帮助）。

a) 最大电压幅值VM

b) 等效直流电压VDC

c) 负载电流IL

d) 负载消耗的功率PL

实际上，由于整流二极管的正向偏置电压降为0.7伏，VDC会略低。

单相半波整流器的主要缺点之一是，在可用输入正弦波形的一半时间内没有输出，导致我们看到的平均值较低。克服这一问题的一种方法是使用更多二极管来产生全波整流器。

全波整流

与之前的半波整流器不同，全波整流器利用输入正弦波形的两个半部分来提供单向输出。这是因为全波整流器基本上由两个半波整流器连接在一起以供应负载。

单相全波整流器通过使用四个二极管以桥式排列来实现这一点，通过正半部分波形，但将正弦波的负半部分反转为脉动直流输出。

尽管整流器的电压和电流输出是脉动的，但它不会反转方向，使用输入波形的全部100%，从而提供全波整流。

单相全波桥式整流器

单相全波桥式整流器

这种二极管的桥式配置提供了全波整流，因为在任何时候四个二极管中有两个是正向偏置的，而另外两个是反向偏置的。因此，与半波整流器的单个二极管相比，有两个二极管在导通路径中。

因此，由于串联连接的两个二极管的正向电压降，VIN和VOUT之间的电压幅值会有所不同。在这里，为了简化计算，我们假设二极管是理想的。

那么单相全波整流器是如何工作的呢？在VIN的正半周期期间，二极管D1和D4正向偏置，而二极管D2和D3反向偏置。

然后，对于输入波形的正半周期，电流沿以下路径流动：D1 – A – RL – B – D4并返回电源。

在VIN的负半周期期间，二极管D3和D2正向偏置，而二极管D4和D1反向偏置。

对于输入波形的负半周期，电流沿以下路径流动：D3 – A – RL – B – D2并返回电源。

在这两种情况下，输入波形的正半周期和负半周期都会产生正输出峰值，无论输入波形的极性如何，因此负载电流i始终以相同的方向通过负载RL在节点A和B之间流动。因此，电源的负半周期在负载上变为正半周期。

因此，无论哪一组二极管导通，节点A总是比节点B更正。因此，负载电流和电压是单向的或直流的，给我们以下输出波形。

全波整流器输出波形

全波整流器输出波形

尽管这种脉动输出波形使用了输入波形的100%，但其平均直流电压（或电流）并不在同一值。我们记得上面提到的，半个正弦波的平均或直流值定义为：0.637 x 最大幅值。

然而，与上面的半波整流不同，全波整流器每个输入波形有两个正半周期，因此平均值不同，如图所示。

全波整流器平均值

全波整流器平均值

在这里，我们可以看到，对于全波整流器，每个正峰值的平均值为0.637*AMAX，并且由于每个输入波形有两个峰值，这意味着有两个平均值相加。

因此，全波整流器的直流输出电压是之前半波整流器的两倍。如果最大幅值为1，则负载电阻RL上的平均或直流等效值为：

全波整流器平均值

因此，全波整流器的电压或电流的平均值表达式为：

如前所述，最大值AMAX是输入波形的值，但我们也可以使用其RMS值或均方根值来找到单相全波整流器的等效直流输出值。为了确定全波整流器的平均电压，我们将RMS值乘以0.9，得到：

然后我们可以看到，全波整流器电路将交流波形的正半部分和负半部分都转换为脉动直流输出，其值为0.637*AMAX或0.9*ARMS，如图所示。

全波整流器平均电压

全波整流器平均电压

整流示例2

使用四个二极管构建一个单相全波桥式整流器电路，需要为1kΩ的纯电阻负载提供220伏直流电。计算所需的输入电压的RMS值、从电源汲取的总负载电流、每个二极管通过的负载电流以及负载消耗的总功率。假设二极管为理想特性。

a) 整流器电源电压VRMS

b) 负载电流IL

c) 每个二极管通过的负载电流ID

负载电流由每个周期的两个二极管提供，因此：

d) 负载消耗的功率PL

全波半控桥式整流器

全波整流比简单的半波整流器有许多优势，例如输出电压更一致，具有更高的平均输出电压，整流过程使输入频率加倍，并且如果需要平滑电容器，则需要较小的电容值。但我们可以通过在桥式整流器设计中使用晶闸管代替二极管来改进设计。

通过将单相桥式整流器中的二极管替换为晶闸管，我们可以创建一个相位控制的交流到直流整流器，用于将恒定的交流电源电压转换为可控的直流输出电压。相位控制整流器，无论是半控还是全控，在可变电压电源和电机控制中有许多应用。

单相桥式整流器被称为“不可控整流器”，因为施加的输入电压直接传递到输出端子，提供固定的平均直流等效值。要将不可控桥式整流器转换为单相半控整流器电路，我们只需要用晶闸管（SCR）替换两个二极管，如图所示。

半控桥式整流器

半控桥式整流器

在半控整流器配置中，使用两个晶闸管和两个二极管控制平均直流负载电压。正如我们在关于晶闸管的教程中学到的，只有当晶闸管的阳极（A）比阴极（K）更正并且在其栅极（G）端施加触发脉冲时，晶闸管才会导通（“ON”状态）。否则它将保持不活动状态。

我们还了解到，一旦“ON”，只有当栅极信号被移除并且阳极电流低于晶闸管的保持电流IH时，晶闸管才会再次“OFF”，因为交流电源电压反向偏置它。因此，通过在交流电源电压经过阳极到阴极电压的零电压交叉后延迟施加到晶闸管栅极端子的触发脉冲一段时间或角度（α），我们可以控制晶闸管何时开始导通电流，从而控制平均输出电压。

半控桥式整流器

半控整流器波形

在输入波形的正半周期期间，电流沿以下路径流动：SCR1和D2，并返回电源。在VIN的负半周期期间，导通通过SCR2和D1并返回电源。

很明显，来自顶部组的一个晶闸管（SCR1或SCR2）和来自底部组的相应二极管（D2或D1）必须一起导通才能使任何负载电流流动。

因此，平均输出电压VAVE取决于半控整流器中包含的两个晶闸管的触发角度α，因为两个二极管是不可控的，只要正向偏置就会通过电流。因此，对于任何栅极触发角度α，平均输出电压由下式给出：

半控整流器平均输出电压

半控整流器输出电压

请注意，当α = 1时，最大平均输出电压发生，但仍然仅为0.637*VMAX，与单相不可控桥式整流器相同。

我们可以通过将所有四个二极管替换为晶闸管来进一步控制桥式整流器的平均输出电压，从而得到一个全控桥式整流器电路。

全控桥式整流器

单相全控桥式整流器通常被称为交流到直流转换器。全控桥式转换器广泛用于直流电机的速度控制，并且通过将桥式整流器的所有四个二极管替换为晶闸管来轻松实现，如图所示。

全控桥式整流器

全控桥式整流器

在全控整流器配置中，使用每个半周期的两个晶闸管控制平均直流负载电压。晶闸管SCR1和SCR4在正半周期期间作为一对触发，而晶闸管SCR3和SCR4也在负半周期期间作为一对触发。即SCR1和SCR4触发后180度。

然后，在连续导通模式下，四个晶闸管不断作为交替对切换，以维持平均或等效直流输出电压。与半控整流器一样，输出电压可以通过改变晶闸管的触发延迟角度（α）来完全控制。

因此，单相全控整流器在连续导通模式下的平均直流电压表达式为：

全控整流器平均输出电压

全控整流器输出电压

通过将触发角度α从π变化到0，平均输出电压从VMAX/π变化到-VMAX/π。因此，当α < 90o时，平均直流电压为正，当α > 90o时，平均直流电压为负。即功率从直流负载流向交流电源。

然后，我们在这个关于单相整流的教程中看到，单相整流器可以采取多种形式将交流电压转换为直流电压，从不可控的单二极管半波整流器到使用四个晶闸管的全控全波桥式整流器。

半波整流器的优点是简单且成本低，因为它只需要一个二极管。然而，它的效率不高，因为只使用了输入信号的一半，产生的平均输出电压较低。

全波整流器比半波整流器更高效，因为它使用了输入正弦波的两个半周期，产生了更高的平均或等效直流输出电压。全波桥式电路的一个缺点是它需要四个二极管。

相位控制整流使用二极管和晶闸管（SCR）的组合将交流输入电压转换为可控的直流输出电压。全控整流器在其配置中使用四个晶闸管，而半控整流器使用晶闸管和二极管的组合。

因此，无论我们如何操作，将正弦交流波形转换为稳态直流电源的过程称为整流。