单相桥式整流电路基本原理与整流器件的合理选择

单相桥式整流电路基本原理

与整流器件的合理选择

古亮亮

（上海交通大学，上海）

摘要：本文介绍了单相全波整流中最常用的单相桥式整流电路的结构及工作原理。总结并计算了该整流电路的主要参数。通过与常用单相半波整流电路和变压器中心抽头全波整流电路的比较，总结了单相桥式整流电路的几个优点。给出了根据电路的主要参数合理选择电路元件的方法。

关键词：单相桥式整流电路；整流电压；整流电流；二极管选择；电力电子技术

1 引言

在电能的生产和传输上，目前是以交流电为主。电力网供给用户的是交流电，而在许多场合，例如电解、蓄电池的充电、直流电动机等，需要用直流电。要得到直流电，除了直流发电机外，最普遍应用的是利用各种半导体元件产生直流电[1][2]。这个方法中，整流是最基础的一步。整流，即利用具有单向导电特性的器件，把方向和大小交变的电流变换为直流电。整流的基础是整流电路。本文就是介绍单相整流电路中的一种基础的、优点较多的单相桥式整流电路，首先给出其电路构成及基本工作原理，然后计算其应用中的几个重要参数，最后通过简单的比较列出该电路的优缺点，并给出电路元件的选择方法。

2 单相桥式整流电路的结构及工作原理[1][2][3]

单相桥式整流电路如图1所示，图中T为电源变压器，它的作用是将交流电网电压变成整流电路要求的交流电压u，R L是要求直流供电的负载电阻，四只整流二极管D1～D4接成电桥的形式，故有桥式整流电路之称。图2是其电路简化画法。

单相桥式整流电路的工作原理可分析如下。为简单起见，二极管用理想模型来处理，即正向导通电阻为零，反向电阻为无穷大。同时假设整流变压器二次侧的电压为：

=

u tω

sin

其波形如图3所示。原理分析:

如图1，在变压器二次侧电压u的正半周，其极性为上正下负，即a点电势高于b点，此时二极管D1、D3正向导通，D2、D4反偏截止，电流从变压器副边线圈的上端流出，只能经过二极管D1流向R L，再由二极管D3流回变压器。于是在负载电阻R L上得到一个极性为上正下负的半波电压u o。在导通时二极管的正向压降很小，可以忽略不计，因此，可认为u o 的这半个波和u的正半波是相同的，如图4中的0~π段所示。其电流通路可用图1中实线箭头表示。

在的u的负半周，其极性为上负下正，即a点电势低于b点，此时二极管D2、D4正向导通，D1、D3反偏截止，电流从变压器副边线圈的下端流出，只能经过二极管D2流向R L，再由二极管D4流回变压器。同理，在负载上得到一个半波电压，极性依旧是上正下负，与前面得到的相同，如图4中的0~2π段所示。其电流通路如图1中虚线箭头所示。

图1 单相桥式整流电路

图2 单相桥式整流电路简化画法[3]

图3 整流变压器二次侧电压u的波形

图4 整流电路相应的输出电压与电流的波形

综上所述，桥式整流电路巧妙地利用了二极管的单向导电性，将四个二极管分为两组，根据变压器副边电压的极性分别导通，将变压器副边电压的正极性端与负载电阻的上端相连，负极性端与负载电阻的下端相连，使负载上始终可以得到一个单方向的脉动电压（脉动电压即极性一定但大小变化的单向电压）。

根据上述分析，可得桥式整流电路的工作波形如图4。由图可见，通过负载R L的电流i O 以及电压u O的波形都是单方向的全波脉动波形。

3 单相桥式整流的主要参数及其计算[1]

根据以上分析，单相桥式整流得到单向脉冲电压，对于这种电压，常用一个周期的平均值（非有效值）来说明它的大小。单相桥式全波整流电压的平均值

O0

1

sin()0.9

U td t U

π

ωω

ππ

===

⎰（1）

式中U为变压器二次侧电压u的有效值。

式(1) 表明单相桥式全波整流电压与交流电压有效值之间的关系。由此得出整流电流（即负载电流）的平均值

O

0.9

O

L L

U U

I

R R

==（2）

在以2π为周期的每一个周期内，每两个二极管串联导电时间只有半个周期，因此，每个二极管中流过的平均电流只有负载电流的一半，即

D O

1

0.45

2

L

U

I I

R

==（3）

该电路中还有一个不可忽视的参数，就是二极管反偏截止时所承受的最高反向电压。从图1可得，当二极管D1和D3导通时，如忽略二极管的正向压降（将其视为导线），处于截

止状态的D 2和D 4阴极电势就等于a 点的电势，阳极电势就等于b 点的电势。所以，处于截

止状态的二极管所承受的最大反向电压就是变压器二次侧电压的最大值 ，即

RM U = （4） 流过负载的脉动电压中含有直流分量和交流分量，可将脉动电压作傅立叶分析，分析结果为[4]

O 244(cos 2cos 4)315u t t ωωπππ

=--+ （5） 根据上式可得，此谐波分量中二次谐波幅度最大，是决定整流效果的主要因素。可依此定义脉动系数S ，S 为二次谐波幅值与平均值的比值[4]

20.6733

S ππ=/== （6） 在一定程度上，可以根据S 的大小来衡量某一整流电路的整流效果。

4 单相桥式全波整流的优点

与单相半波整流电路相比，单相桥式整流电路克服了半波整流只能利用电源的半个周期、同时整流电压的脉动比较大的缺点，同时还降低了流过每只二极管的平均电流，增大了平均输出电压。

与变压器中心抽头式的单相全波整流相比，单相桥式整流电路克服了其中心抽头变压器必须对称，每个线圈只有一半时间通过电流，变压器利用率不高的缺点。同时桥式整流还降低了二极管承受的最大反压。

综上所述，桥式整流电路的优点是输出电压高，纹波电压较小，管子所承受的最大反向电压较低，同时因电源变压器在正、负半周内都有电流供给负载，电源变压器得到了充分的利用，效率较高。因此，这种电路在半导体整流电路中得到了颇为广泛的应用。电路的缺点是二极管用得较多，但目前市场上已有整流桥堆出售，如QL51A ～G 、QL62A ～L 等，其