分析整流电路的原理及应用

知识储备

1.单相半波整流电路

单相半波整流电路是最简单的整流电路，仅仅需要一个整流二极管。实际应用中，半波整流电路的输入电压是经过整流变压器变压后输出的合适的交流电压信号。设变压器副边电压为

在图5.3（a）中，为了分析方便，利用二极管的理想模型进行分析，即把二极管当作开关，当处于正向偏置时，二极管导通，相当于开关闭合；处于反向偏置时，二极管截止，相当于开关断开。图5.3（b）中分别为负载上电压波形、二极管的电流和电压波形。

图5.3　半波整流电路分析

（a）电路（b）波形

1）输出电压分析

当u2处于正半周时，二极管阳极电位高于阴极电位，二极管正向导通。因为假设二极管为理想二极管，正向导通时无导通压降，所以负载上的输出电压与u2相同。

当u2处于负半周时，二极管阳极电位低于阴极电位，二极管反向截止，则负载上的输出电压为零。

输入信号是双极性信号，经过整流电路后的输出信号为单极性信号，且只在半个周期内才存在波形，所以称之为半波整流。

经过整流后的信号称为脉动直流信号，不再具备交流信号的特征。负载上直流输出电压Uo是指在一个周期内的平均值，则

2）二极管参数分析

正半周时二极管导通，电路中存在电流；负半周时二极管截止，电路中没有电流。因为二极管和负载串联，所以流经二极管的电流和流经负载的电流相同，都仅有半波波形。

二极管正向导通时两端不存在压降，所以在正半周 uv没有波形；负半周时二极管截止，因电路中不存在电流，负载上无压降，uv=u2。当输入u2达到负半周最大值时，二极管两端承受最大反向电压

根据ID和URM可以选择合适的整流二极管。整流二极管安全工作的条件为

半波整流电路虽然结构简单，但只利用交流电压半个周期，电源利用率低，直流输出电压只有输入电压有效值的0.45倍，输出电压波动大，整流效率低。目前应用比较广泛的是桥式整流电路。

2.桥式整流电路

桥式整流电路由4个二极管搭成桥状组成，图5.4（a）所示为单相桥式整流电路，电路由变压器、4 只二极管和负载组成。在与外电路相连接时要注意连接方法，两个二极管相同极性连接的两端作为桥式整流的输出，与负载相连接；两个二极管相异极性连接的两端作为整流桥的输入，与交流信号相连接。为了绘图的方便，常常将整流桥简化，其简便画法如图5.4（b）所示。

图5.4　单相桥式整流电路及简化图

（a）单相桥式整流电路；（b）单相桥式整流电路简化图

1）单相桥式整流电路工作原理

单相桥式整流电路的工作原理如下。

（1）当输入信号u2处于正半周时，VD1和VD3导通，VD2和VD4截止，负载RL上得到uo的半波电压，如图5.5（a）所示。

（2）当输入信号u2处于负半周时，VD2和 VD4导通，VD1和VD3截止，负载RL上得到与正半周时的电压波形相同的半波电压，如图5.5（b）所示。

图5.5　桥式整流电路工作分析

（a）正半周工作情况；（b）负半周工作情况

因此，当输入信号u2变化一个周期后，在负载电阻RL上得到的电压是单相全脉动波形。

2）桥式整流电路参数分析

桥式整流电路在整个周期内都有输出电压，所以桥式整流后输出电压Uo的平均值为

桥式整流电路中每两个二极管串联导通半个周期，所以流经每个二极管的电流平均值为负载电流的一半，即

每个二极管在截止时承受的最高反向电压为u2的最大值，即

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，电源电压利用率高，因而整流效率也较高。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，而且4个二极管的极性绝对不能接错，如果其中一个二极管的极性接错，就会导致电路损坏。

3.整流桥堆简介

除了用分立组件组成整流电路外，现在半导体器件厂已将整流二极管封装在一起，制造成单相整流桥模块（桥堆），这些模块只有输入交流和输出直流引脚，减少了接线，提高了电路工作的可靠性，使用起来非常方便。图5.6所示为常用的单相整流桥模块的外形。

图5.6　单相整流桥模块外形

整流桥堆与实际电路相连接时要注意标有“+”“-”极性的两个端子代表是直流电压的输出端，标有“～”的两个端子代表是交流电压的输入端。

知识拓展

1.全波整流电路

全波整流电路如图5.7所示，它由次级具有中心抽头的电源变压器T、两个整流二极管VD1和VD2和负载RL组成。变压器次级电压u21和u22大小相等、相位相反，即

图5.7　全波整流电路

式中 U2——变压器次级半边绕组交流电压的有效值。

整流电路的工作过程是：在u2的正半周，VD1导通，VD2截止，负载上有自上而下的电流流过，如果忽略二极管的导通压降，则负载上的电压与u21相同。

在u2的负半周，VD1截止，VD2导通，负载上有自上而下的电流流过，如果忽略二极管的导通压降，则负载上的电压与u22相同。

从以上分析可知，负载上得到的也是一单相脉动电流和脉动电压。其平均值分别为

流过负载的平均电流为

流过二极管的平均电流为

加在二极管两端的最高反向电压为

若将图中的两个二极管均反向，如图5.8所示，在输入电压的正负半周，负载上获得的都是自下而上的电流，计算过程与上述相同。

如果在负载端需要同时获得正负电压，则可以将上述两种电路组合，如图5.9所示，负载上获得的电流、电压大小以及二极管参数的相关计算与上述相同。

图5.8　输出负电压的全波整流电路

图5.9　正负对称输出的全波整流电路(www.xing528.com)

2.整流二极管的选用

整流二极管一般为平面型硅二极管，用于各种电源整流电路中。

选用整流二极管时，主要应考虑其最大整流电流、最大反向工作电流、截止频率及反向恢复时间等参数。

普通串联稳压电源电路中使用的整流二极管，对截止频率及反向恢复时间要求不高，只要根据电路的要求选择最大整流电流和最大反向工作电流符合要求的整流二极管（如1N系列、2CZ系列、RLR系列等）即可。

开关稳压电源的整流电路及脉冲整流电路中使用的整流二极管，应选用工作频率较高、反向恢复时间较短的整流二极管（如RU系列、EU系列、V系列、1SR系列等）或选择快恢复二极管。

在开关电源中，所需的整流二极管必须具有正向压降低、快速恢复的特点，还应具有足够的输出功率。普通的PN结二极管不适于作为开关使用。主要是因为它们恢复得慢，并且效率也低。在高频场合应该选用频率高的开关二极管、快恢复二极管及肖特基二极管。在开关电源中，可以使用以下3种类型的整流二极管，即高效快速恢复二极管、高效超快恢复二极管、肖特基（Schottky）势垒整流二极管。

肖特基二极管是由金属和半导体接触形成的，具有反向恢复时间短（最低可达10 ns）和正向压降低（可达0.2V）的突出优点。它主要用于开关稳压电流做整流和逆变器中作续流二极管。

快恢复二极管的结构与普通硅二极管相似，压降较肖特基二极管大，但反向电压较肖特基二极管高。高速的恢复二极管反向恢复时间可达25 ns。在大电流、低电压高频开关电源中次级整流管的正向压降对整个电源的效率影响甚巨，即使是肖特基二极管其管压降也不可忽略。为此常多管并联，甚至用极低内阻的VMOS管同步整流。

自测习题

自测习题答案

1.填空

（1）半波整流电路输出电压平均值_________，整流二极管平均电流_________，最大反向电压_________。

（2）桥式整流需要_________个二极管。桥式整流电路输出电压平均值_________，整流二极管平均电流_________，最大反向电压_________。

2.判断

如果半波整流电路中的二极管接反会烧坏二极管。（　　）

3.选择

（1）单相半波整流电路中，负载电压UL将是变压器次级线圈电压有效值的（　　）倍。

A.0.45　B.0.9　C. 1.2

（2）单相桥式整流电路中是利用二极管的（　　）。

A. 单向导电特性　B. 反向截止特性

C. 反向击穿特性　D. 放大特性

4.分析

电路如题4图所示，变压器副边电压有效值为2U2。

（1）画出u2、uD1和uO的波形。

（2）求出输出电压平均值UO（AV）和输出电流平均值IL（AV）的表达式。

（3）二极管的平均电流ID和所承受的最大反向电压URmax的表达式。

题4图