看似簡單的整流二極管電路詳解（一）

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)

古老的整流管

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)等應(yīng)用中還是主流的方案，而且功率范圍很廣，所以了解二極管整流電路工程設(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。

為了幫助電力電子專業(yè)學(xué)生和工程師了解整流電路和整流電容濾波電路的特性和工程設(shè)計(jì)，撰寫了本系列講座，分6個(gè)周末連載。

1. 看似簡單的整流二極管電路詳解

摘要：6期連載摘要和花絮---古老的整流管

2. 二極管的損耗與波形系數(shù)

摘要：二極管損耗模型和參數(shù)獲得，正弦波和方波的波形系數(shù)以及平均值和有效值測量原理。

3. 阻感性負(fù)載和反電動(dòng)勢負(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)。

4. 整流電容濾波負(fù)載原理

摘要：本系列的核心內(nèi)容，在交流供電的電源，家用電器，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器中，電容濾波這一非線性負(fù)載非常普遍，本講開始詳細(xì)講解整流電容濾波的分析方法、計(jì)算方法和實(shí)例。

4. 整流電容濾波負(fù)載實(shí)例

摘要：以家用空調(diào)作為單相整流電容濾波電路和英飛凌22kW通用變頻器為三相整流電容濾波電路為例，通過PLECS仿真驗(yàn)證設(shè)計(jì)參數(shù)，給出波形系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)值。

5. 逆變器如何面對(duì)整流濾波非線性負(fù)載？

摘要：解讀UPS標(biāo)準(zhǔn)，研究線路阻抗對(duì)整流電容濾波這類非線性負(fù)載的影響，同時(shí)討論針對(duì)整流電容濾波這類非線性負(fù)載逆變器輸出特性的設(shè)計(jì)對(duì)策和測試方法。

整流二極管的演變

隨著雙極性半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，二極管和晶閘管的直徑可以做到6英寸，150mm, 二極管的電流電壓規(guī)格可以做到8000A，9000V，英飛凌的產(chǎn)品為：8320A 600V，6070A 5000V, 1440A 9000V。

產(chǎn)品覆蓋鎮(zhèn)流器的功率范圍為30kW-50MW，構(gòu)成最大的系統(tǒng)為10GW量級(jí)。

最近的例子是，2022年4月16日，陜北-湖北±800kV特高壓直流輸電工程，額定輸送容量8000MW，每年輸電400億千瓦時(shí)。

而高壓大功率二極管晶閘管僅50年歷史，所以在80年代以前的城市軌道交通中，供電系統(tǒng)的整流設(shè)備大多數(shù)采用水銀整流器，其耐壓水平僅能滿足750V電壓的要求，所以無軌電車和早期的地鐵是750V直流系統(tǒng)。到了八十年代，高電壓的電力半導(dǎo)體器件制造技術(shù)經(jīng)成熟，這樣地鐵開始采用1500V電壓等級(jí)直流系統(tǒng)。

水銀整流器像個(gè)漫畫書中的八爪魚，照片中的水銀整流器是陳列在英飛凌Warstein工廠里古物。這一技術(shù)有近90年的歷史，展品的規(guī)格僅為300A 670V。這樣大的一只八爪魚而現(xiàn)在只需要3個(gè)50mm寬的模塊就搞定了。

水銀整流器在電力電子應(yīng)用中扮演著重要的角色，1935年西門子第一代SIMOVERT MasterDrives系列電機(jī)驅(qū)動(dòng)器就是采用水銀整流器的，功率做到500kW。今天SIMOVERT MasterDrives風(fēng)采依舊，這一西門子的工程型變頻器，功率范圍為0.55~2300kW，逆變采用IGBT技術(shù)。

水銀整流器裝在八爪魚型玻璃容器中，一個(gè)陰極淹沒在水銀池的底部，多個(gè)高純度石墨電極作為陽極在懸于水銀池上?？赡苓€有幾個(gè)輔助電極以作啟動(dòng)和維持電弧之用。

當(dāng)水銀整流器電弧在陰極池和懸浮的陽極間發(fā)生時(shí)，電子束將可借電離化的水銀，由陰極流向陽極，但無法反向。從原理上看，這是一個(gè)高功率型的火焰整流器，火焰中自然存在的等離子具有的單向電流傳輸特性。

由于電離水銀，整流器工作起來發(fā)著瑩瑩藍(lán)光，非常美麗，想看視頻可以在B站中找到。

水銀整流器可以有輔助極用于啟動(dòng)和維持電弧之用，所以除了用于整流還可以用于逆變，1954年世界上第一個(gè)汞弧閥性直流輸電工程在瑞典投入運(yùn)行。而史上最強(qiáng)大的水銀整流器是1977年建成，安裝在加拿大馬尼托巴水電局納爾遜河雙高壓直流輸電系統(tǒng)中，額定容量總和超過1000MW，450kV。

從1970年代中期起，汞弧整流器被硅半導(dǎo)體整流器和大功率晶閘管電路所取代。英飛凌（西門子）1975年開發(fā)了第一個(gè)功率晶閘管用于了2000MW HVDC高壓直流輸電，以后成了HVDC這一應(yīng)用的主角。