整流和滤波电路

第二十七讲 整流和滤波电路

第十章 整流和滤波电路

［教学目的］

1、了解直流电源的组成，理解半波、全波桥式整流电路的工作原理及电路参数 2、理解滤波电路的原理，学会定量分析其性能，理解倍压整流电路原理

3、掌握稳压电路的工作原理、主要指标限流电阻的计算，了解稳压电路中的保护措施 4、掌握串联型稳压电路的组成、工作原理，估算输出电压的调节范围。 5、掌握集成稳压器W7800、W7900、W117的应用 ［教学重点和难点］ 1、稳压二极管稳压电路 2、串联型稳压电路 3、三端稳压器的应用 ［教学内容］

第一节 直流电源的组成及各部分的作用 第二节 整流电路

一、整流电路的分析方法及其基本参数 二、单相桥式整流电路 第三节 滤波电路

第四节 稳压二极管稳压电路 第五节 串联型稳压电路 一、串联型稳压电路的工作原理

二、集成稳压器中的基准电压电路和保护电路 三、集成稳压器电路 四、三端稳压器的应

本章讨论的问题：1.如何将50Hz、220V的交流电压变为6V的直流电压？2.220V

的交流电压经整流后是否输出220V的直流电压？3.将市场销售的6V直流电源接到收音机上，为什么有的声音清晰，有的含有交流声？

4.对于同样标称输出电压为6V的直流电源，在未接收音机时，为什么测量输出端子的电压，有的为6V，而有的为7－8V？

5.为什么有的直流电源在电网电压变化和负载变化时输出电压不变，而有的随之变化？ 6.一个5V交流电压是否可能转换为6V直流电压？一个3V电池是否可以转换成为6V的直流电压？

7.对于一般直流电源，若不慎将输出端短路，则一定会使损坏吗？ 8.线性电源和开关型电源有和区别？它们分别应用在什么场合？

10.1直流电源

的组成及各部分的作用

电子电路工作时都需要直流电源提供能量，电池因使用费用高,一般只用于低功耗便携式的仪器设备中。本章讨论如何把交流电源变换为直流稳压电源。一般直流电源由如下部分组成:

整流电路是将工频交流电转换为脉动直流电。

滤波电路将脉动直流中的交流成分滤除，减少交流成分，增加直流成分。 稳压电路采用负反馈技术，对整流后的直流电压进一步进行稳定。 直流电源的方框图如图10.1所示。

图10.1.1整流滤波方框图

10.2整流电路

10.2.1整流电路的分析方法及其基本参数

一、工作原理

2U

2

sint

2URL

2

2U

2

图 10.2.1单相半波整流电路 图 10.2.2半波整流电路的波形图

2U

2

优点：使用元件少。

缺点：输出波形脉动大；直流成分小；变压器利用率低。二、主要参数 1.输出电压平均值 UO(AV)输出电压平均值就是负载电阻上电压的平均值

U

O(AV)

1

12



2

uod(t)

2

U20.45U2

UO(AV)







2U2sintd(t)

2.负载电流的平均值IO（AV）＝

UO（AV）

RL



0.45U2

RL

3.脉动系数

S

UO1mUO(AV)

三、二极管的选择

根据流过二极管电流的平均值和它所承受的最大反向电压来选择二极管的型号。二极管的正向电流等于负载电流平均值

URmax

2U2

ID（AV）＝IO（AV）

0.45U2

RL

二极管承受的最大反向电压等于变压器副边的峰值电压

对于二极管最大整流平均电流IF和最高反向工作电压UR均应留10%的余地，以保证二极管安全工作。10.2.2 单相桥式整流电路

一、单向桥式整流电路的组成单相桥式整流电路是最基本的将交流转换为直流的

电路，如图10.2.4（a）所示。

在分析整流电路工作原理时，整流电路中的二极管是作为开关运用，具有单向导电性。

二、工作原理

根据图10.2.4（a）的电路图可知：

当正半周时，二极管D1、D3导通，在负载电阻上得到正弦波的正半周。 当负半周时，二极管D2、D4导通，在负载电阻上得到正弦波的负半周。

在负载电阻上正、负半周经过合成，得到的是同一个方向的单向脉动电压。单相桥式整流电路的波形图见图10.2.4（b）。

三、输出电压平均值 UO(AV) 和输出电流的平均值IO(AV)

根据图15.02（b）可知，输出电压是单相脉动电压，通常用它的平均值与直流电压等效。 输出平均电压为



VOVL

π

1

2V2sinωtdωt

22π

V20.9V2

（a）桥式整流电路 （b）波形图

图10.2.4单相桥式整流电路 （动画15-1）（动画15-2）

流过负载的平均电流为

IL

22V2πRL

0.9V2RL

流过二极管的平均电流为

ID

IL2

2V2πRL

0.45V2

RL

二极管所承受的最大反向电压

VRmax

2V2

流过负载的脉动电压中包含有直流分量和交流分量，可将脉动电压做傅里叶分析，此

时谐波分量中的二次谐波幅度最大。

脉动系数S定义为二次谐波的幅值与平均值的比值。

vO

2V2(

2π43π

cos2t

415π

cos4t)

S

42V2 22V22

0.67

3ππ3

四、二极管的选择

1.每只二极管只在变压器副边电压的半个周期通过电流，

所以每只二极管的平均电流只有负载电阻上电流平均值的一半。

ID（AV）＝

IO（AV）

URmax2U2



0.

45U2

RL

2.二极管承受的最大反向电压等于变压器副边的峰值电压

3.对于二极管最大整流平均电流IF和最高反向工作电压UR均应留10%的余地，以保证二

极管安全工作。

问题：如何实现正、负电源？将桥式整流电路变压器副边中点接地，并将二个负载电阻相连接，且连接点接地。

uO1 为正； uO2为负

图10.2.7 利用桥式整流电路实现正、负电源 问题：三相整流电路如何实现？

变压器副边的三个端均应接二只二极管，一只接阳极，另一只 接阴极。D1 D2 D3轮流导通，阳极电位高的D先导通； D4D5D6轮流导通，阴极电位低的D先导通。

图10.2.8 三相整流电路

附1单相半波整流电路

单相整流电路除桥式整流电路外还有有单相半波和单相全波两种形式。单相半波整流电路如图 (a)所示，波形图如图 (b)所示。

根据图可知，输出电压在一个工频周期内，只是正半周导电，在负载上得到的是半个正弦波。负载上输出平均电压为 VOVL

1π





2V2sinωtd(ωt)

2π

V20.45V2

流过负载和二极管的平均电流为

ID

IL

2V2πRL

0.45V2

RL

(a)电路图 (b)波形图

图单相半波整流电路

二极管所承受的最大反向电压

VRmax

2V2

附2.单相全波整流电路

单相全波整流电路如图 (a)所示，波形图如图 (b)所示。

(a)电路图 (b)波形图

图 单相全波整流电路

根据图（b）可知，全波整流电路的输出电压与桥式整流电路的输出相同。输出平均电

压为

VOVL

1π





2V2sinωtdωt

22π

V20.9V2

流过负载的平均电流为 IDIL二极管所承受的最大反向电压 VRmax22V2

单相全波整流电路的脉动系数S与单相桥式整流电路相同。 S

42V2

3π

22V2

22V2πRL



0.9V2RL

π



23

0.67

单相桥式整流电路的变压器中只有交流电流流过，而半波和全波整流电路中均有直流

分量流过。所以单相桥式整流电路的变压器效率较高，在同样功率容量条件下，体积可以小一些。单相桥式整流电路的总体性能优于单相半波和全波整流电路，故广泛应用于直流电源之中。

注意，整流电路中的二极管是作为开关运用的。

整流电路既有交流量，又有直流量，通常对 输入（交流）——用有效值或最大值； 输出（交直流）——用平均值； 整流管正向电流——用平均值； 整流管反向电压——用最大值。

10.3滤波电路

滤波：将脉动的直流电压变为平滑的直流电压。滤波电路的结构特点: 电容与负载 RL 并联或电感与负载RL串联。

10.3.1电容滤波电路

1.滤波的基本概念

滤波电路利用电抗性元件对交、直流阻抗的不同，实现滤波。电容器C对直流开路，对交流阻抗小，所以C应该并联在负载两端。电感器L对直流阻抗小，对交流阻抗大，因此L应与负载串联。经过滤波电路后，既可保留直流分量，又可滤掉一部分交流分量，改变了交直流成分的比例，减小了电路的脉动系数，改善了直流电压的质量。

2.电容滤波电路

现以单相桥式整流电容滤波电路为例来说明。电容滤波电路如图10.3.1所示，在负载电阻上并联了一个滤波电容C。

图10.3.1 电容滤波电路

3.滤波原理

若v2处于正半周，二极管D1、D3导通，变压器次端电压v2给电容器C充电。此时C相当于并联在v2上，所以输出波形同v2 ，是正弦波。

当v2到达t=/2时，开始下降。先假设二极管关断，电容C就要以指数规律向负载ＲL放电。指数放电起始点的放电速率很大。在刚过t=/2时，正弦曲线下降的速率很慢。所以刚过t=/2时二极管仍然导通。在超过t=/2后的某个点，正弦曲线下降的速率越来越快，当刚超过指数曲线起始放电速率时，二极管关断。所以在t2到t3时刻，二极管导电，Ｃ充电，Vi=Vo按正弦规律变化；t1到t2时刻二极管关断，Vi=Vo按指数曲线下降，放电时间常数为RLC。电容滤波过程见图10.3.2。

图10.3.2电容滤波电路波形

需要指出的是，当放电时间常数RLC增加时，t1点要右移，t2点要左移，二极管关断时间加长，导通角减小；反之，RLC减少时，导通角增加。显然。当ＲL很小，即IL很大时，电容滤波的效果不好，见图18.05滤波曲线中的2。反之，当ＲL很大，即IL很小时，尽管C较小, RLC仍很大,电容滤波的效果也很好，见滤波曲线中的3。所以电容滤波适合输出电流较小的场合。

问题：有Ｃ无ＲL即空载，此时VC=VO=？

图10.3.4电容滤波的效果（动画15-3） （动画15-4）

4.电容滤波电路参数的计算

电容滤波电路的计算比较麻烦，因为决定输出电压的因素较多。工程上有详细的曲线可供查阅，一般常采用以下近似估算法： 一种是用锯齿波近似表示，即VO

T2

2V2(1

T4RLC

)

另一种是在RLC=（35）的条件下，近似认为VO=1.2V2。

5.外特性

整流滤波电路中，输出直流电压VO随负载电流IO的变化关系曲线如图10.3.5所示。

图10.3.5电容滤波外特性曲线

T2

*使用条件：

dRLC(3~5)

10.3.3其它形式的滤波电路 一、电感滤波电路

利用储能元件电感器Ｌ的电流不能突变的性质，把电感Ｌ与整流电路的负载ＲL相串联，也可以起到滤波的作用。

桥式整流电感滤波电路如图10.3.8所示。电感滤波的波形图如图15.11所示。当v2正半周时，D

1、D3导电，电感中的电流将滞后v2。当负半周时，电感中的电流将更换经由D2、D4提供。因桥式电路的对称性和电感中电流的连续性，四个二极管D1、D3；D2、D4的导电角都是180°。

图10.3.8电感滤波电路

图10.3.8电感滤波电路波形图 （动画15-5）

L愈大，滤波效果愈好；适用于负载电流较大的场合。

二、LC滤波电路

输出直流电压为：

脉动系数 S ：

UO(AV)UO(AV)0.9U2图10.3.9LC滤波电路波形图

S1

LC2S

适用于各种场合。三、LC - P 型滤波电路

四、RC - P 型滤波电路

五、各种滤波电路的比较

O 引言

倍流整流电路首先是由A．Cook在1924年出版的《E1ements of Electrical Engineering》书中加以描述，并于20世纪30年代在电子管电路中得到使用。1987年7月Ole S．Seiersen首次在丹麦申请专利，并在1991年FIFPC会议上发表相关的学术论文。

本文分析了一种新型的倍流整流电路拓扑，如果在通信电源中得到应用，可以提高大电流输出时副边整流电路的效率。

l 全波整流和倍流整流

传统上，通信电源变压器副边整流电路大多采用图1(a)所示带中心抽头的全波整流电路，该电路拓扑结构简单．器件总数少，二极管通态损耗小，但是变压器副边绕组的利用率较低。随着开关电源技术的迅速发展，通信电源要求更大的输出电流和更小的输出电压纹波。对低压大电流输出的变压器而言，中心抽头不仅给变压器的没计和制造带来很大困难，而且外部引线的安装和焊接也很难处理。

常用的倍流整流电路拓扑如图l(b)所示，与传统的变压器副边带中心抽头的全波整流电路相比，倍流整流电路有以下优点：减小了变压器副边绕组的电流有效值；变压器利用率较高，无需中心抽头，结构简单；输出电感纹波电流抵消可以减小输出电压纹波；双电感也更适合于分布式功率耗散的要求。

与全波整流电路相比，倍流整流器的高频变压器的副边绕组仅需一个单一绕组，不用中心抽头；与全桥整流电路相比，倍流整流电路使用的二极管数量少一半。因此，倍流整流电路结合了全波整流电路和全桥整流电路两者的优点。当然，倍流整流电路要多使用一个输出滤波电感，结构略显复杂。但此电感的工作频率及输送电流均为全波整流电路所用电感的一半，因此可做得较小。

2 工作原理

倍流整流电路可以被看成是由传统的全桥整流电路演变而来。如图2所示，将图2(a)中全桥整流电路中的两个下方二极管用两个电感取代，即可获得图2(b)，经过整理后即可得到如图2(c)所示的倍流整流电路。

实际上倍流整流电路也可以由全波整流电路通过拓扑变换得来。在图3(a)中，输出电感与输出电容和负载电阻串联，而串联连接的兀件可以互换位置，因此将输出电感换到输出负母线，可得图3(b)；将变压器的副边绕组看成电压源，而把输出电感看成电流源，可得图3(c)；由虚线框内三端口网络的Y/△变换，可得图3(d)；再将电流源恢复成输出电感，将电压源恢复成变压器的副边绕组，可得图3(e)所示的倍流整流电路。

倍流整流电路的原理图如图4所示，对中、大功率的通信电源而言，移相全桥电路是较为常见的电路拓扑形式，在原边电路处于续流状态时，变压器的原边绕组和副边绕组都被短路。因此倍流整流电路在稳态运行时，每个开关周期有4种工作模式。为便于分析作如F假设：高频变压器原副边匝比为n=N1/N2，忽略高频变压器原副边漏感，所有器件均为理想器件。可得关键波形如图5所示。

模式l[t0～t1] 变压器副边电压VT为VS，电压极性为正，两个滤波电感的电流IL1和IL2极性都为正，二极管D1正向偏置导通，而D2反向截止。电感L1的电流IL1经二极管D1和输出电容C0续流，电感L1上的电压VL1为一Vo，极性为负，因此电流IL1线性减小，下降斜率由输出电压Vo和电感L1的比值决定。变压器副边电压VT通过二极管D1和输出电容Co加到电感L2上，因此电感L2上的电压VL2为VS-Vo，极性为正，电流IL2线性增加，上升斜率由变压器副边电压与输出电压的差VS一V0和电感L2的比值决定。变压器的副边电流IT等于IL2，电流I01为两个滤波电感电流的和IL1+IL2，由于输出大电容Co的滤波作用，输出电流I0为I01的直流分量。变压器的副边电流IT等于IL2。

模式2[t1～t2] 变压器副边电压VT为0，两个滤波电感的电流IL1和IL2极性都为正，二极管D1和D2均为正向偏置导通。电感L1的电流IL1经二极管D1和输出电容Co续流，电感L1上的电压VL1为一Vo，极性为负，因此电流IL1线性减小，下降斜率由输出电压Vo和电感L1的比值决定。电感L2的电流IL2经二极管D2和输出电容Vo续流，电感L2上的电压VL2为一Vo，极性为负，因此电流IL2线性减小，下降斜率由输出电压Vo和电感L2的比值决定。变压器的副边电流IT等于O。

模式3[t2～t3] 变压器副边电压VT为一VS，电压极性为负，两个滤波电感的屯流IL1和IL2极性都为正，二极管D1反向截止，而D2正向偏置导通。变压器剐边电压VT通过二极管D2和输出电容Co加到电感L1上，因此电感L1上的电压VL1为VS—V0，极性为正，电流IL1线性增加，上升斜率由变压器副边电压与输出电压的差VS一V0和电感L1的比值决定。电感L2的电流IL2经二极管D2和输出电容Co续流，电感L2上的电压VL2为一Vo，极性为负，因此电流IL2线性减小，下降斜率由输出电压Vo和电感L2的比值决定。变压器的副边电流IT等于一IL1。

模式4[t3～t4] 与模式2的工作状态相同，变压器副边电压VT为O，两个滤波电感的电流IL1和IL2极性都为正，二极管D1和D2均为正向偏置导通。电感L1的电流IL1经二极管D1和输出电容Co续流，电感L1上的电压VL1为一Vo，极性为负，因此电流IL1线性减小，下降斜率由输出电压Vo和电感L1的比值决定。电感L2的电流IL2经二极管D2和

输出电容Co续流，电感L2上的电压VL2为一Vo，极性为负，因此电流IL2线性减小，下降斜率由输出电压Vo和电感L2的比值决定。变压器的副边电流IT等于0。

由此可见．倍流整流电路的变压器副边平均输送电流仅为输出负载电流的一半。当一个电感在高频变压器副边的电压驱动下通过副边输送一半负载电流时，另一个电感也输送着相对于输出负载电流相同方向的另一半续流电流．且此续流电流不通过副边绕组。滤波电感平均输送电流仅为输出负载电流的一半，输出负载电流由两个电感同时分担，每个滤波电感的工作频率都等于高频变压器的工作频率。

3 设计要点

3．1 输出电压增益

由于电感在稳态运行时应该满足伏秒平衡条件，即电感电压丌关周期平均值为O，故

其中占空比D的取值范嗣为O≤D≤1。显然，与副边带中心抽头的全波整流器相比，倍流整流器的变压器具有相同的副边总匝数。

3．2 输出纹波电流对消

每个输出电感电流的峰峰值为

在占空比D的取值范围|0，1|区间内，随着占空比的增大，纹波电流对消因子越小。当D为0．667时，输出电流I01的纹波分量△I01为O．5△IL1；当D为1时，两个输出电感的纹波电流可以实现完全对消，输出电流I01的纹波分量△I01为0。

3.3 频域模型

采用状态李问平均法来推导倍流整流电路的数学模型，假设两个输出电感电流连续且极性都为正。考虑到动态中占空比是变动的，特用小写d来表示。

(1)在0≤t≤dTs期间

在倍流整流电路中，两个输出差模电感的值通常设计成相等，即L1=L2，因此上述方程组可以简化为

可以得到从占空比d到电感电流IL1的传递函数为

与全波整流电路相比，倍流整流电路的被控对象数学模型的零点相同而极点小同。如果引入等效输出电感Leg，看成是两个输出电感的并联，并且令

此时倍流整流电路被控对象数学模型的零点和极点都与全波整流电路相同。

根据七述频域数学模型，借助Matlah软件，可以比较容易地利用波特图等传统方法对控制器进行设计。

4 结语

本文对通信电源中使用的倍流整流电路的工作原理进行了详细描述，指出了倍流整流电路与全波整流电路和全桥整流电路之间的区别和联系，对倍流整流电路的输出电压增益和输出纹波电流对消给出了定量描述，应用状态空间平均法对倍流整流电路的被控对象数学模型进行了推导，为控制器的设计提供了理论基础。