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二極管的損耗與波形系數(shù)——看似簡單的整流電路詳解(二)

jf_pJlTbmA9 ? 來源:英飛凌工業(yè)半導(dǎo)體 ? 作者:英飛凌工業(yè)半導(dǎo)體 ? 2023-12-04 16:06 ? 次閱讀

作者:陳子穎,文章來源: 英飛凌工業(yè)半導(dǎo)體微信公眾號(hào)

二極管的損耗與波形系數(shù)

整流電路AC/DC變換應(yīng)用非常廣泛,比DC/AC 逆變器功率范圍更廣,數(shù)量更多。為了降低諧波電流,有源PFC應(yīng)用越來越廣泛,但二極管整流在電機(jī)驅(qū)動(dòng)中還是主流的方案,而且功率范圍很廣,所以了解二極管整流工程設(shè)計(jì)非常重要。

整流電路是電力電子課程的基礎(chǔ)內(nèi)容,占篇幅也很大,但是在書本上,工程上的重要基礎(chǔ)問題沒有細(xì)講或沒有涉及,尤其重要的整流電容濾波負(fù)載往往被忽略了,以至于使得整流電路設(shè)計(jì)在中小功率系統(tǒng)設(shè)計(jì)中也沒有得到足夠重視,直接影響系統(tǒng)成本和可靠性。而大功率整流,譬如新能源電解氫,整流知識(shí)是必不可少的。

要設(shè)計(jì)好整流電路,首先要回答兩個(gè)主要問題,二極管上的電流和損耗。

二極管的損耗

二極管的特性為:

以帶三相整流橋的100A 1200V IGBTEasy3B模塊為例,型號(hào)為 FP100R12W3T7_B11,整流二極管的IF=f(VF) 特性如圖所示,其線性化表達(dá)式為:

wKgZomVdi7KAEKHuAAA6W4zosIg587.png
wKgaomVdi7SAItECAARi3-B3Fkw595.png

二極管整流橋輸入是交流電流,但單個(gè)二極管上流過的是直流電流,那么,二極管上的損耗,即二極管上的平均功率為:

wKgZomVdi7WAb4DmAAAum8ExSic883.png

在公式中,電流的量化涉及到二極管上的電流平均值IAV和電流有效值IRMS。在二極管上流過的是直流電流,我們計(jì)算的是直流下的平均功耗(功率),所以功耗(功率)第一個(gè)部分是直流電壓平均值與直流平均電流的積,這里需要知道流過二極管的平均電流;而電阻性的損耗(功率)是電流有效值的平方與電阻值的積,這里需要知道流過二極管電流有效值。

為了簡化工程計(jì)算,我們對(duì)于各種整流電路的不同負(fù)載波形給出了波形系數(shù),即電流有效值與電流平均值之比。在實(shí)際計(jì)算中我們只要知道平均值電流就可以了。

wKgaomVdi7aAY3iGAABjIQVhFP4171.jpg

整流電路如果處理的是正弦電流,或感性負(fù)載下的方波電流,這時(shí)電流的波形系數(shù)可以通過查表獲得,如是整流電容濾波這類非線性負(fù)載,需要通過仿真和測(cè)試獲得,也可以總結(jié)一些經(jīng)驗(yàn)波形系數(shù)用于工程設(shè)計(jì):

wKgZomVdi7iAdVZtAAJhc3HdlWw937.png

表:整流電路的峰值系數(shù),平均系數(shù)和波形系數(shù)

wKgaomVdi7uAZmPtAADWE46orO8075.png

表:正弦波的系數(shù)

測(cè)試

測(cè)試電流比較方便的方法是在整流橋的交流輸入端測(cè),如果有交流輸入電感,需要在電感和整流橋之間測(cè),即圖中的iLn。

wKgZomVdi7yACp6IAAEwRj3gmN8549.png

如果不是正弦電流,有效值測(cè)量必須用真有效值表,然后用波形系數(shù)換算二極管上的平均值電流。

為什么要強(qiáng)調(diào)真有效值呢?這是因?yàn)橐话惚眍^測(cè)量原理是:表的指針按照平均值偏轉(zhuǎn),表盤按照正弦波的有效值刻度。正弦波電壓/電流的峰值,有效值和平均值的關(guān)系為:

wKgaomVdi72AL6K1AABPexGMO-Y065.png

以正弦電壓舉例大家更熟悉,如果采用的不是真有效值表,表頭讀數(shù)為220V有效值時(shí),實(shí)際表頭測(cè)得的是平均值198V。

所以如果真的要測(cè)非正弦波形的平均值,就需要用平均值表,這就比較小眾了,建議還是用真有效值表測(cè)電流再峰值系數(shù)換算。

計(jì)算

以正弦電流為例,計(jì)算二極管上的平均功率:假設(shè)二極管有效值電流為25A,那么平均值電流為22.5A。

wKgZomVdi76ARUbEAAB07HgWb1c670.png

簡化用平均值計(jì)算,在正弦波下誤差不大:

wKgZomVdi76ARUbEAAB07HgWb1c670.png

但是,如果是非線性負(fù)載,這誤差就大了,系列文章會(huì)從應(yīng)用角度談?wù)劮蔷€性負(fù)載對(duì)整流二極管和逆變器的影響,請(qǐng)關(guān)注連載。

下期預(yù)告

《阻感性負(fù)載和反電動(dòng)勢(shì)負(fù)載》

摘要:阻感性負(fù)載比較常用,也是基礎(chǔ)教學(xué)內(nèi)容,為了符合微信快速閱讀習(xí)慣,這里只以單相不連續(xù)電流模式和連續(xù)電流模式作為整流電路分析入門;反電動(dòng)勢(shì)負(fù)載典型應(yīng)用是最簡單的充電電路,是熱門的知識(shí)點(diǎn)。

審核編輯 黃宇

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