整流器死区能量利用方案的研究

刘景成 邹 黎 王景山

山东理工大学电气与电子工程学院 山东 淄博 255000

0 引言

整流器是把交流电转换成直流电的装置，可用于供电专职及侦测无线电信号等领域［1］。整流器整流出的电能可以直接供给负载或者供给逆变器，也可以作为蓄电池的充电器。整流器在很多电力、电子设备中被广泛应用，作为典型的非线性负载，由于其工作过程中产生了死区，造成了很大的能量浪费和产生了很多的谐波，其危害不容忽视。本文在整流器工作原理的基础上对死区产生的原理及造成的危害进行了分析，提出了死区能量利用的方案并对其减小危害的效果进行了分析。

1 死区产生的原理及其危害

1.1 死区的产生原理

整流器的死区是由两方面原因造成的：一是整流管本身开启和关断存在一定的延时性，这一部分的能量很小，是由器件本身的特性决定的（本文用理想器件进行研究，可忽略该部分损耗）；二是由电源整流部分工作特性决定的［2］。本文主要考虑第二部分的损耗，并针对这一部分进行分析研究。

整流器基本原理图如下图1所示：

图1 三相中频电源整流桥工作原理图

如图1所示，整流桥上下桥臂的三极管分为两组：共阴极管V1、V3、V5和共阳极管V2、V4、V6各三只［3］。中频电源工作时，上下桥臂的两组晶闸管各有一只三极管轮流导通 （同一相的两只不能同时导通），也就是说，当上桥壁有一只导通时，下桥壁也只有一只导通且不能是同一相的那只，导通相分别是AB、BC、CA……这就要求三极管的开通和关断要在规定的时间内完成。为了使电源能正常工作，就有了三极管死区和触发角a这一概念［4］。 a等于0°和30°时的整流波形如下图2所示：

图2 a＝0°和30°时的三相交流电整流波形图波形图

由图2可得：a在整个移向范围内，直流输出电压Ud与整流输入线电压UL的关系：

由上边公式可以看出，对Ud的积分是从30°开始的，直流输出的电压最大为1.35UL，30°之前的能量没有得到利用，这部分能量就是死区，这是由三相整流器的工作原理决定的。从广义上讲，当整流角不为零时，a＋30°以内的区域都可被称为死区。

1.2 死区的危害

死区的危害之一就是导致了谐波的产生。为了方便分析死区的危害，这里选取单个正弦周期波（UM＝100V）去除死区能量后的波形进行分析，波形如下图3所示：

图3 正弦波去除死区能量后的波形

从输出波形可以看出，在死区区间内晶闸管不触发，因此在该区间内，波形有一段缺失，变成周期性的非正弦波，经傅立叶级数分析后，可知谐波随之产生［5］。现进行傅立叶分解，仿真图如下图4所示：

图4 去除死区后波形的傅立叶谐波分析图

由上图可以看出，死区能量被阻止后，电压中的3、5、7……奇次谐波就此产生，这些谐波反馈到电网，会造成电网污染、正弦电压波形畸变，使电力系统发供电设备出现异常和故障对电网的安全运行构成威胁。

死区的另一个危害就是造成了能量的浪费。由于死区的存在，死区内的这部分能量能量不能被直接利用，所以当负载消耗一定功率（P＝UI）时，电网需要提供更多的功率才能满足原先的需求，增加了电网负担，尤其是当触发角较大时，浪费能量更严重，因此将死区电能提取再利用很有必要。

2 死区能量的利用

要利用死区能量，首先要提取这一部分能量。由整流器的工作原理，这一部分能量不被触发导通，不能被直接利用，所以要增加另外一条线路进行传输，最后叠加到原线路，获得所需要的直流电压然后输出。关于死区能量的利用这一问题有两种可行的方案，能量传输的路径如下图5所示：

图5 死区能量利用方案图

死区的能量提取整流后，一种方案是叠加到整流主电路的直流上，然后进行斩波处理，获得所需要的电压然后输出；另一种则是将整流出的死区电流先进行斩波处理然后叠加到主电路，然后输出。现分别对各个步骤进行分析：

2.1 死区能量的提取

为了方便分析，这里也选取单个正弦周期波（UM＝100V）进行分析，死区的区间是0∶β，由于整流器工作时将这一部分能量阻断掉了，因此如果要利用这部分能量，需要先将其进行提取。死区能量的提取可利用符合下式逻辑功能的电路实现：

当U＝UMsinφ（nπ≤φ≤β+nπ）时，n＝0，1，2，3K，允许提取能量；

当U＝UMsinφ（β＋nπ≤φ≤（n+1）π）时，n＝0，1，2，3K，禁止提取能量；

依据以上原则进行提取，获得的死区波形如下图6所示：

图6 死区能量波形图

2.2 死区能量的整流

如图6所示，提取出的死区能量依然是周期性的正负交错的，不能直接利用，需要进行整流，然后对整出的直流直接进行斩波或叠加到原电路的直流中再进行斩波，从而将死区能量转化为有用功率输出。死区单独整流后的仿真波形如下图7所示：

图7 死区能量整流波形图

2.3 整流波形的斩波处理及叠加

整流出的电能需要进行适当的斩波，取得所需要的输出电压才能被利用。一般的斩波电路分为升压、降压、升降压、Cuk、Sepic、Zeta斩波电路六种，选择合适的斩波电路就可以获得所需要的直流电压。

经过提取、整流、斩波、叠加输出后，死区的电能就被利用起来。死区的两种利用方案就是对这几个过程的不同组合方案。

3 效果验证

为了分析死区能量利用后消谐波的效果，现分别对原始的整流波形和叠加死区能量的整流波形进行仿真实验，验证死区能量利用后的好处。实验中利用傅立叶分解模块对死区能量叠加前后的波形进行分析，实验结果如下图8所示：

图8 叠加死区前整流波形3、5次谐波仿真图

图9 叠加死区后整理波形的3、5次谐波仿真图

图8中两个窗口显示的是未添加死区能量时的3、5次谐波值，左边窗口为3次谐波值，最大值约为20V，右边的为5次谐波值，最大值约为11V；图9中两个窗口显示的是添加死区能量合成时的3、5次谐波值，幅值约为16V和7V。对比可以看出，合成后谐波幅值明显减小，反馈到进线端也就改善了电能质量，减少了谐波危害，清洁了电能。

其次，死区能量叠加后，由于多加了一部分能量，整流后的电压平均值肯定是的到了提高，输出能量变大，使电能得到充分利用，减小了电能的浪费，也就减小了电网的负担。

4 结束语

死区能量的提取应用能提高电源能量的利用率，使整流的直流功率增大，同时还能减小电网的谐波污染，减小干扰。但死区的利用，需要另外多出一条电路，增加了一次性投入的成本，同时由于技术条件限制，现在应用的器件不可能达到理想的状态，输出的波形也不可能达到理想的状态，因此死区电能的利用需要考虑多种因素的影响，以达到最优的应用效果。

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