看似简单的整流二极管电路详解（一）

作者： 陈子颖

古老的整流管

整流电路AC/DC变换应用非常广泛，比DC/AC 逆变器功率范围更广，数量更多。为了降低谐波电流，有源PFC应用越来越广泛，但二极管整流在电机驱动等应用中还是主流的方案，而且功率范围很广，所以了解二极管整流电路工程设计非常重要。

整流电路是电力电子课程的基础内容，占篇幅也很大，但是在书本上，工程上的重要基础问题没有细讲或没有涉及，尤其重要的整流电容滤波负载往往被忽略了，以至于使得整流电路设计在中小功率系统设计中也没有得到足够重视，直接影响系统成本和可靠性。而大功率整流，譬如新能源电解氢，整流知识是必不可少的。

为了帮助电力电子专业学生和工程师了解整流电路和整流电容滤波电路的特性和工程设计，撰写了本系列讲座，分6个周末连载。

1. 看似简单的整流二极管电路详解

摘要：6期连载摘要和花絮---古老的整流管

2. 二极管的损耗与波形系数

摘要：二极管损耗模型和参数获得，正弦波和方波的波形系数以及平均值和有效值测量原理。

3. 阻感性负载和反电动势负载

摘要：阻感性负载比较常用，也是基础教学内容，为了符合微信快速阅读习惯，这里只以单相不连续电流模式和连续电流模式作为整流电路分析入门；反电动势负载典型应用是最简单的充电电路，是热门的知识点。

4. 整流电容滤波负载原理

摘要：本系列的核心内容，在交流供电的电源，家用电器，电机驱动器中，电容滤波这一非线性负载非常普遍，本讲开始详细讲解整流电容滤波的分析方法、计算方法和实例。

4. 整流电容滤波负载实例

摘要：以家用空调作为单相整流电容滤波电路和英飞凌22kW通用变频器为三相整流电容滤波电路为例，通过PLECS仿真验证设计参数，给出波形系数的经验值。

5. 逆变器如何面对整流滤波非线性负载？

摘要：解读UPS标准，研究线路阻抗对整流电容滤波这类非线性负载的影响，同时讨论针对整流电容滤波这类非线性负载逆变器输出特性的设计对策和测试方法。

整流二极管的演变

随着双极性半导体技术的发展，二极管和晶闸管的直径可以做到6英寸，150mm, 二极管的电流电压规格可以做到8000A，9000V，英飞凌的产品为：8320A 600V，6070A 5000V, 1440A 9000V。

产品覆盖镇流器的功率范围为30kW-50MW，构成最大的系统为10GW量级。

最近的例子是，2022年4月16日，陕北-湖北±800kV特高压直流输电工程，额定输送容量8000MW，每年输电400亿千瓦时。

而高压大功率二极管晶闸管仅50年历史，所以在80年代以前的城市轨道交通中，供电系统的整流设备大多数采用水银整流器，其耐压水平仅能满足750V电压的要求，所以无轨电车和早期的地铁是750V直流系统。到了八十年代，高电压的电力半导体器件制造技术经成熟，这样地铁开始采用1500V电压等级直流系统。

水银整流器像个漫画书中的八爪鱼，照片中的水银整流器是陈列在英飞凌Warstein工厂里古物。这一技术有近90年的历史，展品的规格仅为300A 670V。这样大的一只八爪鱼而现在只需要3个50mm宽的模块就搞定了。

水银整流器在电力电子应用中扮演着重要的角色，1935年西门子第一代SIMOVERT MasterDrives系列电机驱动器就是采用水银整流器的，功率做到500kW。今天SIMOVERT MasterDrives风采依旧，这一西门子的工程型变频器，功率范围为0.55~2300kW，逆变采用IGBT技术。

水银整流器装在八爪鱼型玻璃容器中，一个阴极淹没在水银池的底部，多个高纯度石墨电极作为阳极在悬于水银池上。可能还有几个辅助电极以作启动和维持电弧之用。

当水银整流器电弧在阴极池和悬浮的阳极间发生时，电子束将可借电离化的水银，由阴极流向阳极，但无法反向。从原理上看，这是一个高功率型的火焰整流器，火焰中自然存在的等离子具有的单向电流传输特性。

由于电离水银，整流器工作起来发着莹莹蓝光，非常美丽，想看视频可以在B站中找到。

水银整流器可以有辅助极用于启动和维持电弧之用，所以除了用于整流还可以用于逆变，1954年世界上第一个汞弧阀性直流输电工程在瑞典投入运行。而史上最强大的水银整流器是1977年建成，安装在加拿大马尼托巴水电局纳尔逊河双高压直流输电系统中，额定容量总和超过1000MW，450kV。

从1970年代中期起，汞弧整流器被硅半导体整流器和大功率晶闸管电路所取代。英飞凌（西门子）1975年开发了第一个功率晶闸管用于了2000MW HVDC高压直流输电，以后成了HVDC这一应用的主角。