高鐵中倍壓整流電路的原理分析與仿真

陳鼎元，鄧吉利

（1.成都石室中學，四川 成都 610041；2.西華大學 電氣與電子信息學院，四川 成都 610039）

0 前言

近年來，隨著高鐵的快速發展，在高鐵中需要高壓的直流電壓，如果采用傳統的升壓變壓器升壓后再整流，升壓變壓器的損耗及噪聲將造成電源的轉換效率低，系統不穩定。隨著電力電子技術的快速發展，大功率開關管器件的問世，以及先進數字控制技術的提出，通常采用倍壓整流提供高電壓直流輸出。在工程應用上常采用半波倍壓整流電路、信克爾倍壓整流電路以及對稱倍壓整流電路[1]。本研究對半波倍壓整流電路和信克爾倍壓整流電路進行理論分析，通過仿真對比分析兩種電路的優缺點。

1 倍壓整流電路

1.1 半波倍壓整流電路的工作原理

半波倍壓整流電路的典型結構如圖1所示，假定電路中所有元器件都是理想的，不考慮電路中的紋波現象等因素，該電路可以等效為普通線性電路[2]。

第一個半周：變壓器二次電壓為上負下正，VD1導通、VD2截止，電源經VD1向電容C1'充電，在理想情況下，此半周內VD1可看成短路，同時電容C1'充電到U，即

第二個半周：變壓器二次電壓為上正下負，VD1截止、VD2導通，電源經 C1'、VD2向 C1充電，由于電源和電容C1'共同向C1充電，所以C1最終會被充電至 2U，即

第三個半周：變壓器二次電壓再次變為上負下正，VD2截止。因為UC1'與電源電壓相等但方向相反，因此VD1截止。電路通過VD3向電容C2'充電，充電完成后電壓與UC1相等為2U，即

第四個半周：變壓器二次電壓變為上正下負，VD1和VD3截止，由于電源電壓與電容UC1'之和與UC1相等但方向相反，因此VD2截止。電路通過VD4向電容C2充電，充電完成后電壓為2U，即

負載上的電壓

最終負載上的電壓為四倍壓。

圖1 半波倍壓整流電路的典型結構Fig.1 Typical structure of half-wave voltage doubler rectifier circuit

1.2 信克爾倍壓整流電路的工作原理

信克爾倍壓整流電路的典型結構如圖2所示。

第一個半周：變壓器二次電壓為上負下正，VD1導通，VD2截止，電源經過VD1向C1充電，此半周內VD1可看作短路，同時C1充電到U

第二個半周：變壓器二次電壓為上正下負，VD1截止，VD2導通，電源和C1通過VD2共同向C2充電，所以C2最終被充電至2U

第三個半周：變壓器二次電壓為上負下正，VD2截止。由于電源電壓和UC1幅值相同但極性相反，因此VD1截止，VD3導通，電源和C2通過VD3共同向C3充電，最終C3被充電至3U

第四個半周：變壓器二次電壓為上正下負，VD1、VD3截止。由于U+UC1=UC2，因此VD2兩端壓差為零，VD2截止。電源和C3通過VD4共同向C4充電，最終C4上的電壓被充電至4U

最終負載上的電壓為四倍壓。

圖2 信克爾倍壓整流電路的典型結構Fig.2 Typical structure of schemes doubler voltage rectifier circuit

2 倍壓整流電路的仿真

2.1 仿真模型的搭建

在MATLAB中搭建半波四倍壓整流電路和信克爾四倍壓整流電路的仿真模型，見圖3、圖4。在兩種模型中，選取交流電壓幅值為220V，頻率25kHz，變壓器變比 220∶1 050，電容 1 μF，負載 15 kΩ[3]。

2.2 仿真結果分析

圖3、圖4電路輸出電壓波形分別如圖5、圖6所示。半波四倍壓整流電路輸出電壓在1.04 ms左右穩定，輸出電壓脈動幅值約為130V，輸出脈動電壓的底部值約為4.04 kV；信克爾四倍壓整流電路輸出電壓在0.7 ms左右接近穩定，輸出電壓的脈動幅值約為30 V，輸出脈動電壓的底部值約為4.13 kV。由此可知，信克爾倍壓整流電路的輸出脈動電壓遠小于半波倍壓整流電路，輸出電壓建立時間短于半波倍壓整流電路，輸出電壓高于半波倍壓整流電路。

3 結論

（1）半波倍壓整流電路的輸出電壓的建立時間較長，輸出電壓較低，適用于功率較小的高壓電源。

（2）信克爾倍壓整流電路的輸出電壓建立時間較短，且輸出電壓較穩定，輸出電壓較高，但是當信克爾倍壓整流電路要實現高電壓輸出時就必須采用高耐壓的電容，尤其是最后一級電容的耐壓為輸出電壓值，因此，當倍壓倍數高的情況下，在選擇電容時對電容的耐壓要求就較高，使得制造時對絕緣處理技術要求比較高，工藝難度增大[4]。采用模塊化的倍壓整流電路代替高壓排電容和高壓二極管陣列可以提高高壓電源的穩定性和可靠性，減小高壓電源的體積，滿足小型化的要求[1]。

圖3 半波四倍壓整流電路仿真模型Fig.3 Simulation model of half-wave quadruple voltage rectifier circuit

圖4 信克爾四倍壓整流電路仿真模型Fig.4 Simulation model of schemes quadruple voltage rectifier rectifier circuit

圖5 半波四倍壓整流電路輸出波形Fig.5 Output waveform of half-wave quadruple voltage rectifier

圖6 信克爾四倍壓整流電路輸出波形Fig.6 Output waveform of schemes quadruple voltage rectifier circuit

參考文獻：

[1]銀志軍，趙揚，孫大維，等.倍壓整流電路的仿真與分析[J].光電技術應用，2006（5）：71-75.

[2]孫淑惠.倍壓整流電路原理仿真及應用[J].機床電器，2009，36（2）：8-10.

[3]閆良，閆英敏，楊鳳彪.倍壓整流電路的分析和仿真[J].電子設計工程，2017，25（8）：119-123.

[4]陳翔，王叢嶺，楊平，等.倍壓整流電路參數分析與設計[J].科學技術與工程，2012，12（29）：7732-7735.