220V整流電路設計

　　摘要：分析了單相電容輸入式濾波整流電路的工作特性，推導出整流電路輸出功率與二極管額定電流之間的關系，為整流電路設計提供了二極管額定電流的選擇依據；根據整流電路所承受的峰值電壓，并考慮電網瞬態過電壓等因素給出使用的整流二極管的額定電壓的選擇依據；分析了軸向引線式整流二極管的應用條件與承受電流的關系。

　　前言

　　交流市電直接整流是帶有開關電源的電氣電子裝置獲得電源的最簡單的方法，由于這種方案在電路上簡單實用，大大的簡化了電源電路，同時也降低了電源電路的成本，隨之而來的問題就是需要正確選擇整流電路拓撲、整流器件和濾波電容器。單相電容輸入式整流濾波電路簡單，成本低的優點而得到普遍的應用。

　　由于濾波電容器的電壓作用，單相電容輸入式整流濾波電路的二極管導通不再是導電完整的半個周期，而是窄脈沖，這就使得整流二極管的參數選擇與電感輸入式濾波的整流電路的二極管選擇有很大的不同。

　　1．電容輸入式濾波的單相整流電路工作狀態

　　整流器的作用是將電網輸入的交流電轉化為直流電，為使整流后的直流電平滑，通常輸入整流器輸出端直接并聯濾波電容器，整流電路與波形如圖1。

　　由于整流器的單向導電性，在輸入電壓瞬時值小于濾波電容器上電壓（整流輸出電壓）整流器不導通，使輸入電流變為2~4mS的窄脈沖。為獲得所需要的整流輸出電流，這個電流窄脈沖的幅值將很高。通常將輸入電流峰值與有效值的比值稱為波形系數，在交流220V輸入整流器直接整流時，這個波形系數（峰值電流與有效值電流的比值）約為2.5~3，大于正弦波的√2。整流器輸出電流有效值與平均值之比約為2~ 2.2，大于正弦波的1.1，峰值電流與平均值之比接近6，決定二極管發熱的有效值電流將明顯大于電感輸入式濾波的工作狀態。

　　2．整流器額定電流的選擇

　　由于整流器輸出電流有效值與平均值之比很大。因此，在選擇整流器的額定電流（IT）時應充分留有電流安全裕量，通常的選擇為：整流器的額定電流（IT）應為輸出電流的3~10倍。

　　整流輸出電壓（VO）平均值約為輸入電壓有效值（VIN）的1.2~1.3倍。在220V±20%交流輸入時，最低整流輸出電壓VDC約200V，在85V~265V交流輸入時，最低整流輸出電壓VDC約90V。

　　整流輸出電流IO為：

　　將輸入電壓、輸出功率、效率及整流器額定電流與整流輸出電流的關系代入即得到輸出功率與輸出電流的關系。

　　由式可以得到：

　　輸入電壓為220V±20%，效率為80%時輸出電流與輸出功率的關系為：

　　對應的整流器的額定電流與輸出功率的關系應為：

　　輸入電壓為85V~265V，效率為80%時輸出電流與輸出功率的關系：

　　對應的整流器的額定電流與輸出功率的關系應為：

　　3．整流器額定電壓的選擇

　　整流器承受的理論上的電壓峰值為交流輸入電壓峰值，在220V（1+20%）的條件下，整流器將承受約370V的峰值電壓。

　　由于交流電網中存在的瞬時過電壓等過電壓因素的存在，為確保整流器安全工作，需要整流器的額定電壓（VR）應為最高輸入電壓有效值2倍以上。通常輸入電壓220V±20%或輸入電壓85V~265V應選擇800V以上耐壓的整流器模塊或二極管。

　　4．二極管的散熱能力與二極管的降額使用

　　6A及以下電流的軸向引線式二極管的散熱方式是利用其銅引線將管芯產生的熱量到處是放到環境，因此軸向引線式二極管的允許流過的電流將取決于二極管的引線溫度狀態。在軸向引線二極管數據表中的額定電流是距管芯8.3mm（3/8英寸）或12.7mm（1/2英寸）的引線處溫度為70℃的條件下測試的。隨著該點溫度的上升，二極管允許流過的電流隨之降低直至該點溫度達到150℃時允許流過的電流下降到零。

　　距管芯8.3mm（3/8英寸）或12.7mm（1/2英寸）的引線處溫度取決于二極管自身的發熱程度和二極管引線的散熱條件。引線越短，散熱能力越差。因此在剪短二極管引線后二極管所能承受的電流必將降低，在實際應用中二極管的額定電流應留有足夠的裕量。

　　5．應用實例

　　例如一個耗電150W的彩色電視機，輸入采用220V交流電直接整流輸出，整流器在輸入電壓為220V時的整流輸出電壓約為270V，整流輸出電流平均值約為0.56A，如果僅僅從這個平均值考慮選擇4只1N4007就可以了，但是實際應用中卻采用了6A的整流橋，與前面提到的整流器的額定電流（IT）應為輸出電流的3~10倍是相吻合的。

　　整流電路如何達到整流效果？

　　整流電路利用二極管來整流；

　　二極管的特性如下：正向性外加正向電壓時，在正向特性的起始部分，正向電壓很小，不足以克服PN結內電場的阻擋作用，正向電流幾乎為零，這一段稱為死區。這個不能使二極管導通的正向電壓稱為死區電壓。當正向電壓大于死區電壓以后，PN結內電場被克服，二極管正向導通，電流隨電壓增大而迅速上升。在正常使用的電流范圍內，導通時二極管的端電壓幾乎維持不變，這個電壓稱為二極管的正向電壓。當二極管兩端的正向電壓超過一定數值，內電場很快被削弱，特性電流迅速增長，二極管正向導通。反向性外加反向電壓不超過一定范圍時，通過二極管的電流是少數載流子漂移運動所形成反向電流。由于反向電流很小，二極管處于截止狀態。這個反向電流又稱為反向飽和電流或漏電流，二極管的反向飽和電流受溫度影響很大。一般硅管的反向電流比鍺管小得多，小功率硅管的反向飽和電流在nA數量級，小功率鍺管在μA數量級。溫度升高時，半導體受熱激發，少數載流子數目增加，反向飽和電流也隨之增加。整流電路就是利用了二極管的這種單向導電特性。當電源正向時，二極管導通，電路正常；當電源反向時，二極管截止，電路不通。從而使得電源只有正向時通電，達到整流效果。

　　橋式整流的原理和電路圖：

　　橋式整流電路的工作原理如下：E2為正半周時，對D1、D3加正向電壓，D1、D3導通；對D2、D4加反向電壓，D2、D4截止。

　　電路中構成E2、D1、Rfz 、D3通電回路，在Rfz 上形成上正下負的半波整流電壓，E2為負半周時，對D2、D4加正向電壓，D2、D4導通；對D1、D3加反向電壓，D1、D3截止。電路中構成E2、D2、Rfz 、D4通電回路，同樣在Rfz 上形成上正下負的另外半波的整流電壓。

　　如此重復下去，結果在Rfz 上便得到全波整流電壓。其波形圖和全波整流波形圖是一樣的。從圖中還不難看出，橋式電路中每只二極管承受的反向電壓等于變壓器次級電壓的最大值，比全波整流電路小一半。橋式整流是對二極管半波整流的一種改進。半波整流利用二極管單向導通特性，在輸入為標準正弦波的情況下，輸出獲得正弦波的正半部分，負半部分則損失掉。橋式整流器利用四個二極管，兩兩對接。輸入正弦波的正半部分是兩只管導通，得到正的輸出；輸入正弦波的負半部分時，另兩只管導通，由于這兩只管是反接的，所以輸出還是得到正弦波的正半部分。

　　橋式整流器對輸入正弦波的利用效率比半波整流高一倍。橋式整流是交流電轉換成直流電的第一個步驟。橋式整流器 BRIDGE RECTIFIERS，也叫做整流橋堆。橋式整流器是由多只整流二極管作橋式連接，外用絕緣塑料封裝而成，大功率橋式整流器在絕緣層外添加金屬殼包封，增強散熱。橋式整流器品種多，性能優良，整流效率高，穩定性好，最大整流電流從0.5A到50A，最高反向峰值電壓從50V到1000V。