整流杂谈(六)

maychang

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我们都知道工频变压器整流滤波电路中除全波整流桥式整流外还有一种半波整流，如下图。

那么，能不能在半波整流电路中如同下图那样使用电感滤波？既然桥式整流电感滤波负载两端直流电压大致上是次级绕组交流电压有效值的0.9倍，我们猜想半波整流应该是变压器次级绕组交流电压有效值的0.45倍。

如果我们像图02那样联接好电路，通上市电之后我们会发现：负载ZL两端只有很低很低的直流电压，远远小于变压器次级绕组交流电压有效值的0.45倍。而且电感L越大，负载两端的直流电压越低。

这是怎么回事？

我们来看看图02中交流正半周期和负半周期的电压和电流。

图03是图02电路交流正半周期各元件两端电压方向。

图04是图02电路交流负半周期各元件两端电压方向。

但仅知道各元件两端电压方向显然是不够的，我们还必须知道电压和电流的变化。

图05是变压器绕组A1两端电压波形(黑色)和电感中电流波形(红色)。为叙述方便，我们假定开关恰好在电压过零时合上，此时电感中电流为零。

因为是交流的正半周，D1导通，电感中电流逐渐增加。电感中电流的增加量与电感两端电压成正比。电感两端电压和负载两端电压以及变压器绕组两端电压如图03。在这阶段中，电感储存的能量在增加。

在交流正半周期接近结束时，某一瞬间电感中电流在负载两端压降等于电源电压，电感两端电压为零，电感中电流不再增加。此时刻记为t1，如图05。

时刻t1之后很短时间绕组A1两端电压即反向，进入交流的负半周。在交流的负半周开始时，虽然绕组两端交流电压为负，但电感中电流减小 ，负载两端电压和变压器绕组两端电压以及电感两端电压如图04所示。在负半周大部分时间内电感中仍有电流，方向和正半周相同，所以二极管仍正向导通。在这阶段中，电感储存能量在减少。

从时刻t1之后，电感中电流不断减少，一直减到为零，记此时刻为t2。显然，t2在负半周结束之前(这是由电感承受的伏秒积决定的)。电感中电流为零，二极管自然关断。

第二个周期开始后，因为第二周期开始时电感中电流为零，所以变压器次级绕组A1、二极管D1以及电感L的动作和第一个周期完全相同。

如果开关闭合并不是A1的正半周开始，而是闭合于交流负半周，那么第一个负半周二极管不会导通，电感中没有电流。当时间进入正半周时，整个电路动作与图05所示完全相同。如果开关闭合于交流正半周的后半部分，那么第一个正半周中电感中电流将比开关闭合于正半周开始时更小一些，随后的负半周中电感中电流结束得也更早一些。从第二个正半周开始，仍然和图05所示情况一样，以后各周期也仍然相同。

显然，电感中电流平均值很小，那么负载两端电压平均值也很小，远小于无滤波的0.45U(例如，华成英童诗白《模拟电子技术基础》第四版515页，公式10.2.1。U为变压器次级绕组A1电压有效值)，一般只有变压器次级电压的百分之几。更远小于半波整流电容滤波的输出电压。

我们可以看出，半波整流电感滤波输出非常小，原因在于交流的负半周电压仍然作用于电感，使电感储存能量减少。那么我们只要使负半周交流电压不作用于电感，电感中储存能量就不会减少，输出电压就会达到变压器次级平均值。

为实现交流负半周变压器次级电压不作用到电感上，只要如图06所示，增加一支二极管D2即可。

加入二极管D2后，交流的正半周因D2承受反向电压关断，和未加入D2几乎一样。但图05时刻t1后尤其是到了负半周，因为D2的存在，D1承受反向电压而关断(这一点与没有D2完全不同)，电感中电流经由负载和D2完成回路(因此D2往往被称为续流二极管)。因为负半周电感L不承受与正半周反向的电压，电感储存能量仅用于维持负载中的电流，所以电感中电流下降不多，能量减少也并不多。

加入二极管D2，开关闭合后电感中电流如图07中红色曲线所示，开始时每个正半周期均增加，但负半周减少得比较少。随着电感中电流增加，负载两端电压也增加，每个正半周内电流增加得越来越少，直到负载两端电压稳定。

忽略D1和D2以及A1和L铜线电阻上压降，加入D2后整流输出电压平均值为变压器次级电压有效值的0.45倍，即0.45U。

这种半波整流电感滤波电路在工频整流中使用极少见，但在单端正激开关电源中则很常见，如图08所示。

当然，为使输出电压纹波较小，通常与负载并联一支比较大的电容(图中没有画出)。防止变压器励磁电感释放磁能导致功率MOS管漏极电压过高被击穿的电路也未画出。

PowerAnts

很多年前, 某变压器厂总工就工频变压器初级串半波整流问题找我打赌200块钱, 我说只要次级不过流不会烧东西, 总工说次级不用接负载, 也保证一上电就烧, 居然, 那家伙不付我钱

maychang

PowerAnts 发表于 2017-6-11 23:34
很多年前, 某变压器厂总工就工频变压器初级串半波整流问题找我打赌200块钱, 我说只要次级不过流不会烧东西, ...

“很多年前”
那个时候，想必200块钱比今天要值钱不少。

PowerAnts

maychang 发表于 2017-6-11 23:40
“很多年前”
那个时候，想必200块钱比今天要值钱不少。

应该最多也不超过10年, 10年前在深圳的东来顺吃自助火锅, 38元/位, 牛养肉任吃, 啤酒任喝. 店家还有钱赚

PowerAnts

半波电感滤波实在不是一个好的选择, 电感的体积至少跟变压器相当, 开关电源上还好是用高磁通的材料做滤波电感, 所需的磁性材料可以比主变压器小一个数量级, 若是用主变压器那样的磁性材料做波滤电感的话, 体积就很惨了.
工频方面, 可没有这种好事, 滤波电感的铁芯磁密不会比工频变压器的高

maychang

PowerAnts 发表于 2017-6-12 00:05
半波电感滤波实在不是一个好的选择, 电感的体积至少跟变压器相当, 开关电源上还好是用高磁通的材料做滤波电 ...

工频方面, 可没有这种好事, 滤波电感的铁芯磁密不会比工频变压器的高
工频半波整流电感滤波电路我从来没有见到过。我不敢说没有，但很少很少是可以肯定的。

PowerAnts

maychang 发表于 2017-6-12 00:09
工频方面, 可没有这种好事, 滤波电感的铁芯磁密不会比工频变压器的高
工频半波整流电感滤波电路我从来没 ...

这很正常. 4个轮子的小汽车满街跑, 不代表小汽车非得有4个轮子, 其实3个轮子更节能, 只是稳定性肯定不如4轮

PowerAnts

为了保持一定的纹波系数, 工程程应用上一般推荐滤波元件与负载的时间常数为输入脉动周期的3-5倍, 以12V, 100A的半波整流电感滤波为例, 最小电感量需要7.2mH, 而额定电流要120A, 用硅钢片作铁芯, 电感总重十几公斤. 其实用全波整流电容滤波也不容易, 滤波电容得0.25F. 原则上来说, 负载阻抗较大宜用电容滤波, 阻抗较小宜用电感滤波. 不过到了高频开关电源上来, 用L还是用C, 主要就得看电源的拓朴了.

chunyang

PowerAnts 发表于 2017-6-11 23:34
很多年前, 某变压器厂总工就工频变压器初级串半波整流问题找我打赌200块钱, 我说只要次级不过流不会烧东西, ...

呵呵，赌注太高了，赌顿20块的饭钱，估计你能吃到肚里。

PowerAnts

chunyang 发表于 2017-6-12 13:39
呵呵，赌注太高了，赌顿20块的饭钱，估计你能吃到肚里。

多么深刻的教训.