全桥整流器

元件选型与热设计

为一个 full bridge rectifier 选择元件，归根结底就是使二极管系列与应用相匹配，然后按器件将实际经历的条件而非标称条件来对其额定。

标准恢复二极管 是工频整流的默认选择。它们价格低廉、坚固耐用，其缓慢的反向恢复在 50 或 60 Hz 下无关紧要。 快恢复二极管 用于桥经历较高频率开关的场合，或反向恢复电流会产生不可接受噪声的场合。 肖特基二极管 提供低得多的正向压降和可忽略的恢复电荷，但反向电压额定有限，且漏电流较高并随温度恶化，因此主要限于低压输出。 碳化硅肖特基二极管 解除了这一电压限制，并有效消除恢复损失，代价是价格更高，而高功率、高效率的设计正越来越多地接受这一代价。

在分立二极管和封装桥之间的选择，主要是热学和机械方面的考量。一个封装式 全二极管桥式整流器 结构紧凑、价格低廉、安装简单，但将全部四个器件的损耗集中到一条热路径上。分立二极管则能分散热量、允许单独加装散热器，并能自由混用不同器件类型，代价是占用板面和装配复杂度。

额定值值得仔细对待。对于电容输入型设计，平均正向电流是数据手册上最没用的数字，因为重复峰值电流要高出数倍。非重复浪涌电流额定值决定了第一次上电浪涌的存活。反向电压应带有前文所述的裕量。而所有这些额定值都会随结温而下降，因此必须在器件实际会达到的温度下、而非在 25 °C 的标称条件下阅读降额曲线。

表 3 — 全桥整流器的二极管系列选型

有源与同步全桥整流

二极管固定的正向压降是效率的下限，任何热设计都无法消除它。一个 有源全桥整流器 通过用 MOSFET 取代二极管、并使其与输入同步地有意开关，突破了这一下限。由于 MOSFET 导通时表现为电阻，导通损耗随器件的导通电阻下降，而不是停留在固定电压上。并联器件或选用更低电阻的器件能直接换取效率提升，而这对二极管是不可能的。

有两种常见的实现方式。专用的理想二极管桥控制器会感测输入极性并自动驱动 MOSFET 栅极，呈现出与传统桥相同的两进两出接口，几乎无需重新设计即可嵌入现有设计。完全受控的有源前端则更进一步，利用同样的四开关结构来整形输入电流并调节直流母线，大型驱动器和充电器正是借此在不增加单独级的情况下实现接近于一的功率因数。

同步整流引入了二极管所没有的故障模式。如果一个桥臂中的两个器件同时导通——即使只是短暂地——就会在电源上形成直通短路。因此栅极时序必须包含死区时间，即两个器件都关断的一段间隔。在该间隔内，MOSFET 的体二极管承载电流，而由于体二极管通常具有较差的正向和恢复特性，过大的死区时间会把该拓扑本想获得的效率又还回去大半。调好这个间隔，正是 全桥整流 采用有源器件时的核心设计难题。

在固定二极管压降占输出很大比例的场合，这种额外的复杂性是值得的：低压轨、大输出电流、散热受限的机箱，以及每一个百分点的效率都能延长运行时间的电池供电设备。在高压直流母线上，二极管桥通常仍是明智的选择。

为什么全桥整流器要使用四个二极管？

四个是能在不借助变压器抽头的情况下，将输入的两种极性都导向单一极性输出所需的最少二极管数量。其中两个构成正半周导通的路径；另外两个构成负半周导通的路径。去掉任何一个，桥就会失去处理某一极性的能力，退化为半波行为。

使用更少器件的替代方案——中心抽头电路——用一个特制绕组的变压器，以及必须阻断约两倍反向电压的二极管，来换取器件数量的减少。换句话说，一个 full bridge rectifier 中的第四个二极管并不是冗余。正是它彻底消除了对变压器的需求，这也正是为什么在完全没有变压器的设备中，桥可以直接接在市电两端。

选择最佳的全桥整流器

在众多 全桥整流器 中为特定设计做选择，就是依次思考五个问题的过程。

首先确定器件将承受的 反向电压 ，取最高预期输入的峰值，并为瞬态留出充裕的裕量。然后确定 电流分布：不仅是平均直流输出电流，还包括电容输入式滤波器所需的重复峰值电流，以及上电时的一次性浪涌。第三，确定 正向压降 的代价有多大——在低压电轨上，这可能使采用肖特基器件或有源整流桥变得合理，而在高压电轨上则不然。

第四，弄清 散热路径 ，再选择封装。总耗散功率等于正向压降乘以电流，再乘以二（对应两个导通器件），这些热量必须离开封装，并通过外壳所允许的散热方式到达环境。一个电气上足够的封装整流桥，如果散热设计假定了外壳无法提供的自由空气流通，仍然会失效。

最后，考虑 工作环境：环境温度、海拔、供电质量、振动，以及设备是否会频繁上下电。尤其是频繁的电源循环会削弱基于 NTC 的浪涌限制，促使设计转向有源预充电方案。

全桥整流器在现代电力电子中的应用

该 full bridge rectifier 并非教科书中留存下来的过时电路。它是大多数从交流电源取电的设备的前端。

在 电动汽车充电中，车载充电器和非车载直流快充都首先对输入的交流进行整流以建立直流链路，下游变换器再将其转换为电池所需的电压和电流。相同整流桥的三相版本在更大功率的充电设备中承担这项工作。在 系统的关键中，输入级将电源整流为直流母线，逆变器由此合成变频输出——整流器定义了整个驱动系统所依赖的母线。在 开关电源中，整流桥直接跨接在市电两端，位于功率因数校正升压级之前，这正是人们如此关注其电流波形的原因。

航空航天与船舶 电力变换使用整流器前端将发电机输出接入直流配电系统，其频率通常远高于 50 或 60 Hz。 可再生能源与储能变换器 在只要有交流源或电网连接需要向直流母线供电的场合都会用到它们。而在一个截然不同的角色中， 全桥二极管 结构被用于反极性保护，无论输入以何种方向连接都能通过供电电流——这是工业和汽车设备中常见的特性，因为现场布线无法保证。

整流器输入端的电能质量与谐波

电容输入式 full bridge rectifier 仅在每半个周期内输入电压超过所存储电压的短暂窗口内吸取电流。其结果是一系列短促而高耸的电流脉冲，而非跟随电压的正弦波。

这带来的影响不仅限于设备本身。脉冲电流富含谐波，尽管基波分量可能几乎与电压同相，畸变仍会大幅降低真实功率因数。因此，整流器前端可能在某一指标上表现良好，而在另一指标上表现糟糕——位移功率因数接近于 1，而畸变功率因数则远非如此。将其乘以同一电源上的众多设备，谐波电流便会累加，使附近连接的其他所有设备的电压波形发生畸变。

这就是为什么在现代市电设备中，整流桥之后几乎总会跟随一个有源功率因数校正级。PFC 级迫使输入电流跟踪电压波形，将脉冲式的电流吸取转变为接近正弦的形式。这也是为什么并网设备在大多数市场都要受到谐波发射限值的约束，以及为什么整流器设计的输入电流波形必须实测而非假定。

常见故障模式及其诊断方法

大多数 full bridge rectifier 的故障一旦你知道该关注什么，就会清楚地显现出来。

一个 二极管短路 会在交替的半周期内在电源两端形成一条直接通路。它通常会连带烧断输入熔断器；若熔断器幸存，变压器或电源就会承受大电流并迅速发热。而 二极管开路 则更为安静也更为隐蔽：整流桥仍在工作，但只在一个极性上。其症状是输出减半且纹波大得多，而且——诊断上具有决定性意义的是——纹波频率等于电源频率而非其两倍。

热失效 源于散热不足或外壳运行温度高于设计假定。漏电流随结温上升而增大，进而增加耗散，又进一步抬高温度，因此这种故障往往会加速发展。 电容老化 表现为数月或数年间纹波缓慢增大，因为等效串联电阻上升而电容量下降；二极管本身无辜，却要承受由此产生的更高峰值电流。 浪涌损坏 由雷击或开关瞬态引起，通常表现为器件短路并伴有可见的封装损坏。

借助三种技术即可轻松诊断。将整流桥断开后，用处于二极管检测挡的万用表可直接识别短路和开路的器件。在满载下测量纹波，同时关注其频率和幅值，可以区分是二极管失效还是电容疲劳。而在负载下进行热成像，能在器件失效之前发现运行过热的那一个，这远比事后才发现有用得多。

测试与验证全桥整流器设计

一个 full bridge rectifier 既易于建模也易于搭建。故障出现在两者之间的相互作用中——出现在整流器、为其供电的电源，以及从中取电的变换器之间。这种相互作用正是我们关注的重点，也是大多数验证方案最薄弱的地方。

重要的实验台测量

有五项测量能将在实验台上正常工作的整流器前端与在现场也能正常工作的区分开来。纹波必须在满载而非空载下测量，且要同时检查其频率和幅值。温升必须在实际外壳中、按额定电流记录，而非在自由空气中。浪涌必须在冷启动时捕获，并在短暂断电后重复测量，因为正是这一工况会使基于热敏电阻的限制失效。输入电流波形和畸变必须实测，而非由直流输出推断。此外，还必须在供电范围的极端条件下确认其行为，包括导通角变宽、峰值电流发生偏移的欠压工况。

实时仿真整流级

离线仿真能很好地处理理想整流器，却难以应对那些真正有意思的情形。它难以处理窄导通窗口的时序细节、整流器与下游控制环路之间的相互作用，以及任何涉及真实控制器对真实扰动作出反应的情况。实时仿真通过以足够快的速度运行电源、整流级和下游变换器的模型，使其在硬件运行时能与之交换信号，从而弥合了这一差距。借助 PowerHIL Studio， 运行于 CHP Series 平台上，我们以开关行为实际所需的时间步长对整流器前端及其周边系统进行建模，因此控制交互会出现在测试中，而不是在现场。

面向整流器前端的功率硬件在环

功率硬件在环 则更进一步，将真实的整流器硬件置于 grid emulator 与一个模拟负载之间。使用 GridSim Studio，我们向整流器施加电压暂降、电压暂升、缺相、频率偏移、畸变和不平衡的供电，以及那些在实验台上用真实电源制造起来不安全、破坏性大或根本不切实际的故障工况。直流侧可以用模拟的变换器或电池来加载，而非电阻箱，因此整流器会经历它在实际运行中将遇到的脉冲式动态负载。上述每一种工况都可按需重复，这使整流器验证从抽样式的工作变成了系统化的工作。

结论

该 full bridge rectifier 之所以经久不衰，是因为它的四二极管结构解决了交流到直流的转换问题，无需变压器抽头，不浪费任何半个周期，且其纹波频率相对容易滤除。要真正理解它，就必须超越 全桥整流器示意图 ，深入到由它引出的种种后果：传导路径上的两次正向压降、加装平滑电容后远高于平均输出电流的二极管峰值电流、通常需要在其后设置功率因数校正级的畸变输入电流，以及决定电路能否存活的散热设计。

发展方向正朝着有源器件和受控前端演进。同步 全桥整流 配合 MOSFET，在效率足以证明其复杂性值得的场合消除了固定的二极管压降，而完全受控的前端则将整流与功率因数校正合并到一个级中。