單相橋式全控整流與單相半波可控整流電路的對比研究

羅月芳 柏澤龍 李吉成 孫坤鵬

（云南工商學院智能科學與工程學院 云南省昆明市 650500）

近年來，電力電子整流技術廣泛應用于民用及工業領域。小到家用電視、手機電腦充電器，電加熱水壺等直流加熱設備，大到新能源汽車充電樁及高鐵牽引變流器，電力電子整流電路已經深入到生產生活方方面面。在國家倡導的減碳發展之路上也將發揮更重要的作用。

單相橋式全控整流電路與單相半波可控整流電路是整流電路中的基礎電路，對該兩種電路的輸出及輸入的對比研究可以更好的理解兩種電路的特性，對電網及負載的影響等。

1 單相半波可控整流電路

1.1 電路組成

如圖1 所示，為單相半波帶阻感負載有續流二極管的可控整流電路拓撲圖，電路中主要包括一個晶閘管VT，一個二極管VD。負載采用純阻性負載R，同時預設置一個電感元件L 以保證輸出電流的連續性。

圖1：帶續流二極管的單相半波可控整流電路

1.2 工作原理

從圖1 可以看出：晶閘管VT 與二極管VD 為全電路系統的核心結構，當VT 在（2kπ+α）角度導通的情況下，晶閘管VT 導通，導通角為（2kπ+α）至（2kπ+π），導通時長為（π-α）。待角度至（2kπ+π）時，晶閘管斷開，此時輸入端電流為0，而負載端二極管VD 導通，電感L 續流效應使輸出保持，電流連續，二極管VD 導通時長為（π+α）。待到運行至下個周期時，晶閘管及二極管導通重復上述過程。負載輸出電流則處于連續輸出狀態。

1.3 MATLAB模型建立

考慮到本次仿真主要通過對比相橋式全控整流電路與單相半波可控整流電路的輸入輸出波形對比，故預設輸入電壓為國網工頻額定電壓即：電壓AC220V，工頻f=50Hz。而輸出電壓采用DC48V，負載采用0.5Ω 電阻。則可算出輸出電流Id 為：

當VT 處于導通狀態時，根據電壓關系可得到公式如下：

其中C 為常數。當VT 導通瞬間其電流為：

當VT 斷開時，電流瞬時值表述如下：

考慮到電路工作穩定后，理想電感僅為能量轉換器件，在晶閘管導通時充電。在晶閘管斷開時向電阻放電。則可認為帶反并聯二極管電路電流有效值與負載為純電阻的電路電流有效值相等。建立公式有：

計算得：

將式（7）帶入式（3）可得：

對式（8）中ωt求在[α,π]中最大值，可得：

電路電流平均值為：

2 單相橋式全控整流電路

2.1 電路組成

如圖2 所示，為單相橋式全控整流電路拓撲圖，電路中主要包括一阻橋式電路。負載采用純阻性負載R，同時預設置一個電感元件L 以保證輸出電流的連續性。

圖2：單相橋式全控整流電路

2.2 工作原理

從圖2 可以看出：橋式為電路系統的核心結構，當VT1 與VT4 在（2kπ+α）角度導通的情況下，晶閘管VT 導通，導通角為（2kπ+α）至（2kπ+π+α），導通時長為π。待角度至（2kπ+π）時，因VT2 與VT3 導通，VT1 與VT4 截止，此時輸入端電流為0，電感L 續流效應使輸入電壓U2即使為負也可仍然工作，電流連續，同理在后半個周期VT2 與VT3 以同樣的工作方式進行工作。

2.3 MATLAB模型建立

考慮到本次仿真主要通過對比相橋式全控整流電路與單相半波可控整流電路的輸入輸出波形對比，故預設輸入電壓為國網工頻額定電壓即：電壓AC220V，工頻f=50Hz。而輸出電壓采用DC48V，負載采用0.5Ω 電阻。則可算出輸出電流Id 為：

當VT1 與VT4 處于導通狀態時，根據電壓關系可得到公式如下：

其中C 為常數。

考慮到電路工作穩定后，理想電感僅為能量轉換器件，在晶閘管導通時充電。當電路運行在負向周期放電。則可認為帶反并聯二極管電路電流有效值與負載為純電阻的電路電流有效值相等。建立公式有：

計算得：

將式（15）帶入式（13）可得：

對式（16）中ωt求在[α,π+α]中最大值，可得：

電路電流平均值為：

3 計算結果對比

單相橋式可控整流電路通過橋結構可利用負半周期波形作為輸出，故其電壓利用率高輸出電壓為單相半波可控整流電路輸出的一倍，故經計算：單相橋式電路電流輸出而單相半波可控整流電路電流輸出為

仿真環境按照輸入交流10V/50Hz，輸出負載為電阻為0.5Ω，電感為0.04H，控制角α 為30°設置。仿真模型搭建如圖3 和圖4 所示。

圖3：帶續流二極管負載為感阻的半波可控整流

圖4：單相橋式可控整流電路

而在波動性上由式（17）及式（9）對比可知：橋式可控整流電路的穩定性比半波可控整流電路要略低，原因為當橋式電路工作在負向周期時，電感的波形變化更劇烈。具體仿真結果如圖5。

圖5：單相橋式可控整流電路及帶續流二極管負載為感阻的半波可控整流電路仿真結果

4 結論

本文在對單相橋式可控整流電路和半波可控整流電路理論分析的基礎上，建立了基于MATLAB/Simulink仿真的單相橋式全控整流與單相半波可控整流電路的仿真模型，并對其進行了分析研究。通過仿真得出整流電路的輸出波形波動情況除受輸入電壓波形利用率影響外，電感的工況對輸出電壓仍有很大的影響，可通過增大電感取值或調整整流電路來實現輸出的穩定。因此，在實際應用中若對輸出波形要求較高時，可調整電感的取值來減小波動的范圍。