在本篇文章中，我们将分析电力系统中的核心元件之一：稳压电源。从单相格拉茨桥整流器入手，我们将研究从交流市电电压到脉动电压的转换过程，在时域中观察电路各节点的特性。本文暂不使用滤波和平滑电容器。

在前几篇文章中探讨了功率器件的特性以及稳态与动态条件下的效率问题后，现在我们深入剖析最常见的电能转换形式的核心：将交流市电电压转换为脉动电压。从理论上看，标准方案能产生接近整流正弦波峰值的直流电压。然而在实际中，诸多非理想因素开始显现：二极管压降、变压器内阻以及负载阻抗的影响。本文将详细分析单相整流器。

从交流到脉动电压

大多数应用依赖直流电压运行，但家用电器由交流电源供电。传统电路图将50 Hz或60 Hz的正弦交流电压转换为直流电压。获取直流电压相当简单，仅需几个元件：变压器、若干二极管和电解电容器。

显然，大功率应用要求元件(尤其是变压器和二极管)非常坚固耐用。直流输出电压必须通过大容量电容器实现完美平滑且无纹波。二极管两端的电势差使得实际无法达到最大峰值。

图1所示的简单电路图展示了一个带变压器的单相半波整流解决方案，并在QSPICE中进行了瞬态仿真。

图1

该电路未配备滤波电容器。正弦电源V1，频率50 Hz，幅值325 V(即230 Vrms)。其对应节点标记为“high”。变压器X1变比为10:3，因此将电压降低约3.33倍。由此，在该节点获得一个以地为参考的幅值减小的正弦波。

整流级由D1和D2组成，它们是两个并联的Onsemi公司生产的快速UJ3D1725 SIC肖特基二极管。它们仅在次级正半周导通，在“low2”节点产生脉动直流电压(半正弦波)。

该电路图是单二极管整流器(非桥式)，仅利用了半个周期。实际中并联两个二极管是为了更好地承受电流。12 Ω的阻性负载R1承载约4 Arms的电流，峰值可达8 A。在仿真中，定义正确的SPICE指令至关重要，既能最佳配置仿真类型，又能获得最可靠的结果。相关电路图包含以下SPICE指令：

.tran 250m：运行持续250 ms的瞬态仿真，在此时间跨度内显示大约12.5个信号周期。

.option SAVEPOWERS=1：允许QSPICE保存所有元件的功耗(P(D1)、P(R1)等)，以便在图形上显示。

.option MAXSTEP=2u：限制时间步长，以精确捕捉瞬态开关过程。该值越小，仿真和测量值越精确。

现在，让我们检查电路各节点的电压和电流，如图2中的波形图所示，请记住平滑和滤波电容器仍未加入。

图2

深黄色迹线 [V(high)] 是变压器初级电压。它是±325 V、约230 Vrms的纯50 Hz正弦波，即交流市电电压。

蓝色迹线 [V(low1)] 是变压器次级电压，相比初级按10:3变比降低。其值为±100 V交流电。

红色迹线 [V(low2)] 是经过两个SiC二极管后负载R1上的电压。由于已整流，电压仅为正值。可以看出，由于二极管正向压降，其峰值略低于蓝色迹线。此差值约为1 V。

所用二极管的官方数据手册显示其主要特性如下：

特别适合与其他二极管并联

V(r)：1700 V

I(f)：25 A

I(fsm)：180 A

I(f,max)：1100 A

P(tot)：283 W

T(j)：185 °C

其应用包括功率转换器、工业电机驱动器、开关电源和功率因数校正模块。

得益于“.SAVEPOWERS=1”指令，用户可以通过按住CTRL键点击元件来确定并显示该元件产生或耗散的功率。因此，无需测量电压电流，QSPICE可直接返回以瓦特为单位的功率值。示例电路显示出以下效率：

-P(V1)的交流有效值为279.474

P(R1)的交流有效值为276.228

效率：98.838%

换言之，电源 (V1) 产生279.474 W功率，负载 (R1) 消耗276.228 W，剩余功率 (3.246 W) 作为热量被两个二极管耗散。

二极管桥式电路

从V(low2)的波形图可以明显看出，使用单个整流二极管会产生脉动直流电压，其特点是半波之间存在明显的“间隙”。在这些间隔期间，二极管截止，负载完全断电;电压降至零，直到下一个正半周到来。

这种行为是半波整流的典型特征，其中仅利用了可用能量的一半。而采用格拉茨桥，即使在这种配置中被丢弃的半波也会被整流并转为正极。结果产生一个连续、无间断的脉动电压，频率翻倍(在50 Hz电网中为100 Hz)，更易于用电容器滤波，且纹波显著降低。

格拉茨桥解决方案如图3所示。该电路不含变压器，因为它必须提供相当高的电压。

电路图包含一个50 Hz、峰值幅值为325 V(SIN 0 325 50)的正弦波发生器 (V1)，相当于约230 Vrms的市电。四个二极管 D1–D4 (HFA25PB60C) 以桥式结构排列。

在每个半周期中，始终有两个二极管导通，确保负载上的极性保持不变。该桥将负半波翻转使其变为正，实现双半波整流。“in”节点代表交流输入，“out”节点是整流输出。

负载是一个接地的50 Ω电阻R2。还包含以下仿真指令：

.tran 1：1秒瞬态分析

.plot v(in), v(out)：显示电压

.option MAXSTEP=10u：最大时间步长，以更高分辨率捕捉信号

.option SAVEPOWERS=1：保存元件中耗散的功率

图中部显示了V(out)的时间变化过程。可以清晰看到一连串连续的正脉冲，完全没有负半波。由于两个导通二极管的压降，约320-325 V的峰值略低于理想值。

原始正弦波的每个周期(50 Hz = 20 ms)产生两个输出峰值：一个来自正半波，一个来自整流后的负半波。结果是脉动电压的周期约为10 ms，即频率加倍。

实际上，输入为50 Hz，整流输出为100 Hz。下图部分显示了频域频谱的傅里叶分析。它包含了以dB表示的V(out)电压的快速傅里叶变换 (FFT)。主导分量不再是50 Hz，基频变为100 Hz。

同时还存在100 Hz的倍频谐波(200 Hz、300 Hz、400 Hz等)，这清晰表明信号不再是纯正弦波。这些谐波是由二极管引入的强非线性造成的。

以下为该二极管数据手册的部分细节：

型号：HFA25PB60

制造商：Vishay

超快软恢复二极管，25 A

超快恢复、超软恢复，极低的IRRM，极低的Qrr，专为工业级设计和认证，降低RFI和EMI，减少二极管功率损耗，支持更高频率运行，减少缓冲电路

V(r)：600 V

V(f)：1.7 V

I(f)：25 A

t(rr)：23 ns

P(d)：151 W

桥式电路根据电压的代数符号分两个不同阶段工作。二极管成对导通，但在任何条件下，流过负载的电流方向始终相同。

此配置也可用作电池的反向极性保护系统。无论输入电流方向如何，输出电压方向始终不变。在电源应用中，并联两个二极管有助于分散每个元件的耗散。

图3

整流二极管与格拉茨桥的工作原理

本文分析了整流二极管和格拉茨桥的工作原理，利用QSPICE观察从交流市电电压到正向脉动电压的转换过程。

通过时域和频域仿真，我们能够理解双半波整流如何让用户得以利用正弦波的两个半波，产生始终为正的电压，且频率翻倍至100 Hz。这一点至关重要，因为它使信号更易于滤波，并且与单半波整流相比，纹波显著降低。

傅里叶分析还强调了由二极管非线性产生的多个谐波的存在，表明一个看似简单的电路也可能引入复杂的频谱成分。

整流器是非理想单元，因此在设计阶段必须仔细考虑电压降、脉冲电流、功率峰值和发热问题。二极管的选择、其反向恢复特性、处理高电流的能力以及热耗散，都是关键参数，尤其在工业应用和大功率电源中。

需要强调的是，在高电压、大功率条件下，即使看似简单的配置也可能变得危险。脉冲电流、数百伏的电压以及涉及的高能量，要求使用规格足够的元件、适当的绝缘、精心的布局以及所有必要的安全预防措施——不仅在仿真中，在实际实施时更是如此。下期课程，我们将引入滤波电容器，并分析它们对纹波和直流电压质量的影响。