220V整流电路设计

　　摘要：分析了单相电容输入式滤波整流电路的工作特性，推导出整流电路输出功率与二极管额定电流之间的关系，为整流电路设计提供了二极管额定电流的选择依据；根据整流电路所承受的峰值电压，并考虑电网瞬态过电压等因素给出使用的整流二极管的额定电压的选择依据；分析了轴向引线式整流二极管的应用条件与承受电流的关系。

　　前言

　　交流市电直接整流是带有开关电源的电气电子装置获得电源的最简单的方法，由于这种方案在电路上简单实用，大大的简化了电源电路，同时也降低了电源电路的成本，随之而来的问题就是需要正确选择整流电路拓扑、整流器件和滤波电容器。单相电容输入式整流滤波电路简单，成本低的优点而得到普遍的应用。

　　由于滤波电容器的电压作用，单相电容输入式整流滤波电路的二极管导通不再是导电完整的半个周期，而是窄脉冲，这就使得整流二极管的参数选择与电感输入式滤波的整流电路的二极管选择有很大的不同。

　　1．电容输入式滤波的单相整流电路工作状态

　　整流器的作用是将电网输入的交流电转化为直流电，为使整流后的直流电平滑，通常输入整流器输出端直接并联滤波电容器，整流电路与波形如图1。

　　由于整流器的单向导电性，在输入电压瞬时值小于滤波电容器上电压（整流输出电压）整流器不导通，使输入电流变为2~4mS的窄脉冲。为获得所需要的整流输出电流，这个电流窄脉冲的幅值将很高。通常将输入电流峰值与有效值的比值称为波形系数，在交流220V输入整流器直接整流时，这个波形系数（峰值电流与有效值电流的比值）约为2.5~3，大于正弦波的√2。整流器输出电流有效值与平均值之比约为2~ 2.2，大于正弦波的1.1，峰值电流与平均值之比接近6，决定二极管发热的有效值电流将明显大于电感输入式滤波的工作状态。

　　2．整流器额定电流的选择

　　由于整流器输出电流有效值与平均值之比很大。因此，在选择整流器的额定电流（IT）时应充分留有电流安全裕量，通常的选择为：整流器的额定电流（IT）应为输出电流的3~10倍。

　　整流输出电压（VO）平均值约为输入电压有效值（VIN）的1.2~1.3倍。在220V±20%交流输入时，最低整流输出电压VDC约200V，在85V~265V交流输入时，最低整流输出电压VDC约90V。

　　整流输出电流IO为：

　　将输入电压、输出功率、效率及整流器额定电流与整流输出电流的关系代入即得到输出功率与输出电流的关系。

　　由式可以得到：

　　输入电压为220V±20%，效率为80%时输出电流与输出功率的关系为：

　　对应的整流器的额定电流与输出功率的关系应为：

　　输入电压为85V~265V，效率为80%时输出电流与输出功率的关系：

　　对应的整流器的额定电流与输出功率的关系应为：

　　3．整流器额定电压的选择

　　整流器承受的理论上的电压峰值为交流输入电压峰值，在220V（1+20%）的条件下，整流器将承受约370V的峰值电压。

　　由于交流电网中存在的瞬时过电压等过电压因素的存在，为确保整流器安全工作，需要整流器的额定电压（VR）应为最高输入电压有效值2倍以上。通常输入电压220V±20%或输入电压85V~265V应选择800V以上耐压的整流器模块或二极管。

　　4．二极管的散热能力与二极管的降额使用

　　6A及以下电流的轴向引线式二极管的散热方式是利用其铜引线将管芯产生的热量到处是放到环境，因此轴向引线式二极管的允许流过的电流将取决于二极管的引线温度状态。在轴向引线二极管数据表中的额定电流是距管芯8.3mm（3/8英寸）或12.7mm（1/2英寸）的引线处温度为70℃的条件下测试的。随着该点温度的上升，二极管允许流过的电流随之降低直至该点温度达到150℃时允许流过的电流下降到零。

　　距管芯8.3mm（3/8英寸）或12.7mm（1/2英寸）的引线处温度取决于二极管自身的发热程度和二极管引线的散热条件。引线越短，散热能力越差。因此在剪短二极管引线后二极管所能承受的电流必将降低，在实际应用中二极管的额定电流应留有足够的裕量。

　　5．应用实例

　　例如一个耗电150W的彩色电视机，输入采用220V交流电直接整流输出，整流器在输入电压为220V时的整流输出电压约为270V，整流输出电流平均值约为0.56A，如果仅仅从这个平均值考虑选择4只1N4007就可以了，但是实际应用中却采用了6A的整流桥，与前面提到的整流器的额定电流（IT）应为输出电流的3~10倍是相吻合的。

　　整流电路如何达到整流效果？

　　整流电路利用二极管来整流；

　　二极管的特性如下：正向性外加正向电压时，在正向特性的起始部分，正向电压很小，不足以克服PN结内电场的阻挡作用，正向电流几乎为零，这一段称为死区。这个不能使二极管导通的正向电压称为死区电压。当正向电压大于死区电压以后，PN结内电场被克服，二极管正向导通，电流随电压增大而迅速上升。在正常使用的电流范围内，导通时二极管的端电压几乎维持不变，这个电压称为二极管的正向电压。当二极管两端的正向电压超过一定数值，内电场很快被削弱，特性电流迅速增长，二极管正向导通。反向性外加反向电压不超过一定范围时，通过二极管的电流是少数载流子漂移运动所形成反向电流。由于反向电流很小，二极管处于截止状态。这个反向电流又称为反向饱和电流或漏电流，二极管的反向饱和电流受温度影响很大。一般硅管的反向电流比锗管小得多，小功率硅管的反向饱和电流在nA数量级，小功率锗管在μA数量级。温度升高时，半导体受热激发，少数载流子数目增加，反向饱和电流也随之增加。整流电路就是利用了二极管的这种单向导电特性。当电源正向时，二极管导通，电路正常；当电源反向时，二极管截止，电路不通。从而使得电源只有正向时通电，达到整流效果。

　　桥式整流的原理和电路图：

　　桥式整流电路的工作原理如下：E2为正半周时，对D1、D3加正向电压，D1、D3导通；对D2、D4加反向电压，D2、D4截止。

　　电路中构成E2、D1、Rfz 、D3通电回路，在Rfz 上形成上正下负的半波整流电压，E2为负半周时，对D2、D4加正向电压，D2、D4导通；对D1、D3加反向电压，D1、D3截止。电路中构成E2、D2、Rfz 、D4通电回路，同样在Rfz 上形成上正下负的另外半波的整流电压。

　　如此重复下去，结果在Rfz 上便得到全波整流电压。其波形图和全波整流波形图是一样的。从图中还不难看出，桥式电路中每只二极管承受的反向电压等于变压器次级电压的最大值，比全波整流电路小一半。桥式整流是对二极管半波整流的一种改进。半波整流利用二极管单向导通特性，在输入为标准正弦波的情况下，输出获得正弦波的正半部分，负半部分则损失掉。桥式整流器利用四个二极管，两两对接。输入正弦波的正半部分是两只管导通，得到正的输出；输入正弦波的负半部分时，另两只管导通，由于这两只管是反接的，所以输出还是得到正弦波的正半部分。

　　桥式整流器对输入正弦波的利用效率比半波整流高一倍。桥式整流是交流电转换成直流电的第一个步骤。桥式整流器 BRIDGE RECTIFIERS，也叫做整流桥堆。桥式整流器是由多只整流二极管作桥式连接，外用绝缘塑料封装而成，大功率桥式整流器在绝缘层外添加金属壳包封，增强散热。桥式整流器品种多，性能优良，整流效率高，稳定性好，最大整流电流从0.5A到50A，最高反向峰值电压从50V到1000V。