二極管的損耗與波形系數——看似簡單的整流電路詳解

整流電路AC/DC變換應用非常廣泛，比DC/AC 逆變器功率范圍更廣，數量更多。為了降低諧波電流，有源PFC應用越來越廣泛，但二極管整流在電機驅動中還是主流的方案，而且功率范圍很廣，所以了解二極管整流工程設計非常重要。

整流電路是電力電子課程的基礎內容，占篇幅也很大，但是在書本上，工程上的重要基礎問題沒有細講或沒有涉及，尤其重要的整流電容濾波負載往往被忽略了，以至于使得整流電路設計在中小功率系統設計中也沒有得到足夠重視，直接影響系統成本和可靠性。而大功率整流，譬如新能源電解氫，整流知識是不可少的。

要設計好整流電路，首先要回答兩個主要問題，二極管上的電流和損耗。

二極管的特性為：

以帶三相整流橋的100A 1200V IGBTEasy3B模塊為例，型號為 FP100R12W3T7_B11，整流二極管的IF=f(VF) 特性如圖所示，其線性化表達式為：

在公式中，電流的量化涉及到二極管上的電流平均值IAV和電流有效值IRMS。在二極管上流過的是直流電流，我們計算的是直流下的平均功耗（功率），所以功耗（功率）第一個部分是直流電壓平均值與直流平均電流的積，這里需要知道流過二極管的平均電流；而電阻性的損耗（功率）是電流有效值的平方與電阻值的積，這里需要知道流過二極管電流有效值。 

為了簡化工程計算，我們對于各種整流電路的不同負載波形給出了波形系數，即電流有效值與電流平均值之比。在實際計算中我們只要知道平均值電流就可以了。  

整流電路如果處理的是正弦電流，或感性負載下的方波電流，這時電流的波形系數可以通過查表獲得，如是整流電容濾波這類非線性負載，需要通過仿真和測試獲得，也可以總結一些經驗波形系數用于工程設計：

表：整流電路的峰值系數，平均系數和波形系數

表：正弦波的系數

測試電流比較方便的方法是在整流橋的交流輸入端測，如果有交流輸入電感，需要在電感和整流橋之間測，即圖中的iLn。

如果不是正弦電流，有效值測量必須用真有效值表，然后用波形系數換算二極管上的平均值電流。

為什么要強調真有效值呢？這是因為一般表頭測量原理是：表的指針按照平均值偏轉，表盤按照正弦波的有效值刻度。正弦波電壓/電流的峰值，有效值和平均值的關系為：

以正弦電壓舉例大家更熟悉，如果采用的不是真有效值表，表頭讀數為220V有效值時，實際表頭測得的是平均值198V。

所以如果真的要測非正弦波形的平均值，就需要用平均值表，這就比較小眾了，建議還是用真有效值表測電流再峰值系數換算。

以正弦電流為例，計算二極管上的平均功率：假設二極管有效值電流為25A，那么平均值電流為22.5A。

簡化用平均值計算，在正弦波下誤差不大：

但是，如果是非線性負載，這誤差就大了，系列文章會從應用角度談談非線性負載對整流二極管和逆變器的影響，請關注連載。