半波整流器

无人提及的直流偏置问题

每一篇关于半波整流器的讲解都会指出输出是脉动直流。却极少有人提到它在供电侧的后果，而这正是这种拓扑被大多数接入市电的设备所禁用的原因。

由于电流只在每个周期的一半期间流动，从电源取用的电流是不对称的，而不对称电流含有真正的直流分量。如果该电源是变压器，这个直流分量会朝一个方向磁化铁芯，而从不将其反向。铁芯的工作点会稳步走向饱和。

饱和的铁芯会同时带来若干不良后果。磁化电流急剧上升，有时高达一个数量级。铁芯损耗和绕组发热增加。变压器发出可闻的噪声。按预期负载电流选定的保护装置开始无缘无故地跳闸。而变压器的可用容量崩溃——这正是前面所引的低变压器利用系数所要告诉你的。

只要半波负载与其他设备共用一个电源，同样的问题就会出现。注入配电变压器或注入并网系统的直流会影响该电源上的所有其他设备，而不仅仅是造成它的那个电路。对于必须满足并网要求的设备，直流注入是一项有明确限值和明确测试的指标，而半波导通——无论是有意设计的，还是桥式电路中某个二极管失效造成的——都是其典型成因。

谐波与电能质量

半波整流器在共用电源上是个糟糕的邻居，还有第二个原因：它的谐波特征。

一个 全波桥 抽取对称的电流，而对称波形只含奇次谐波。半波整流器抽取不对称的电流，因此其频谱既含有直流项，又含有偶次和奇次谐波。

偶次谐波才是麻烦所在。配电系统上的许多设备——变压器、计量装置、滤波器、保护继电器——都是围绕负载电流在两个半波之间对称这一假设设计的。偶次分量打破了这一假设。它耦合到奇次谐波无法到达的地方，使滤波器设计复杂化，因为为奇次谐波调谐的滤波器对它毫无作用，而且它还会干扰那些在半个周期上取平均的测量设备。

对于毫安级的信号检测器，这无关紧要。而对于任何从共用电源抽取可观电流的设备，这都是致命的缺陷，这也解释了为什么半波整流器只在低功率场合存活，而在其他任何地方都不行。

半波整流器的应用：它们实际用于何处

对这个问题的教科书式回答往往已经过时。以下才是半波整流器真正仍能发挥作用的地方。

信号检测与解调。 AM 接收机中的包络检波和射频信号检测器是经典的、至今仍在使用的应用。信号非常微弱，效率无关紧要，而电路的任务是跟随一个包络，而非输送功率。

市电检测与有无检测。 当电路需要知道市电是否带电，或需要从中导出一个粗略的时间基准时，一个二极管加一个高阻值电阻就能以几分钱的成本完成任务。下游没有任何东西在意纹波。

低功率偏置与待机电压轨。 抽取几毫安的小型辅助电源，尤其是那些在主变换器关闭时仍必须保持工作的待机电压轨，至今仍以这种方式构建。

能量采集前端。 射频和振动能量采集电路常常使用半波整流，仅仅是因为第二个二极管的正向压降会消耗掉所采集的微小电压中相当大的一部分。

缓冲器与钳位回流路径。 在变换器内部，单个二极管经常将能量从钳位网络导回到某条电压轨。这在除了名称之外的一切方面都是半波整流。

有意的半功率切换。 将一个二极管与电阻性负载串联，可将输送的功率减半。这一招见于电烙铁的待机模式和简单的加热器控制中，那里所产生的波形无关紧要。

作为一种故障特征。 这一条在实验台上最为重要。一个四二极管桥式电路，若有一个二极管开路，就不再是桥式电路，而变成了半波整流器。输出下降，纹波增大，而且——关键在于——纹波频率减半。在本应是全波波形的地方识别出半波整流器波形，正是找出故障的方法。

半波整流器的优缺点

优点

• 仅一个二极管，元件数量和成本最低
• 无需中心抽头变压器，也无需匹配的器件对
• 易于搭建、分析和教学
• 易于反接以产生负电压轨
• 在负载极小且纹波无关紧要的场合足以胜任

缺点

• 纹波系数大于 1——交流成分多于直流
• 最大效率约为 40.6%
• 纹波频率等于电源频率，所需滤波量约为全波电路的两倍
• 从电源抽取直流，使变压器趋向饱和
• 变压器利用率低，迫使采用超额配置的变压器
• 向共用电源注入偶次和奇次谐波
• 基本上不适用于所有接入市电的功率变换

二极管的选择与定额

有四项定额决定一个二极管能否在半波整流器中存活。

峰值反向电压。 二极管在每个负半周都要阻断输入的完整峰值，因此其反向定额必须超过该峰值。从市电取得的电源会携带远高于标称峰值的瞬态，因此至少二比一的裕量是常规做法，而非过度谨慎。

平均正向电流。 所公布的定额假定了特定的壳温和安装方式。实际安装的运行温度高于数据手册的条件，因此应相应降额，并核对结温，而不要轻信标称数字。

浪涌电流。 装有电容滤波器时，二极管在每个峰值附近以短促的大电流脉冲导通，而上电后的第一个周期更为严重，因为电容起始时是空的。抵御这一事件的，是非重复性浪涌定额，而非平均电流定额。

正向压降。 全桥整流器

反向恢复在高于市电频率时才变得重要。在 50 或 60 Hz 下，标准整流二极管没有问题；而在以数十或数百千赫兹工作的开关变换器中，恢复损耗可能超过导通损耗，此时快恢复或超快恢复器件成为必需。

全桥整流器

整流器故障很常见，其症状也足够一致，可以快速诊断。

首先检查纹波频率。 这是可用的最快速、信息量最大的测量。全波级的纹波频率应为电源频率的两倍。如果它以电源频率产生纹波，说明有一个二极管开路失效，电路已退化为半波整流器。没有任何其他单项测量能如此直接地识别出该故障。

在负载下测量纹波，而非空载。 一个勉强合格的整流器或一个干涸的滤波电容在空载时可能看起来还可以，而在有电流时便会崩溃。纹波幅度随负载不成比例地增大，指向的要么是正在失效的电容，要么是导通不良的二极管。

留意交流侧的直流成分。 一只能够测量供电馈线上直流电流的钳形表，会在本不应存在半波导通的地方揭示出它。上升的磁化电流、变压器发热和可闻的嗡嗡声都支持同一个结论。

在负载下使用热成像。 一个承载超过其应有份额的二极管，或一个正向压降偏高的二极管，会在失效前发热。在桥式电路中，器件之间明显的热失衡是一个可靠的早期预警。

检查可疑器件的反向漏电流。 一个反复承受接近其反向定额应力的二极管可能不会立即失效，但漏电流会越来越大，在此过程中使输出变差并使自身发热。

在系统级验证整流器前端

单个二极管孤立来看微不足道。真正引发问题的行为——从电源抽取的直流偏置、谐波注入、纹波与下游变换器的相互作用、整流级在热应力下的退化——只有当前端作为一个完整系统的一部分、在并非完美正弦波的电源和并非电阻的负载下运行时才会显现。

这就是分析与硬件之间的鸿沟，而实时仿真的存在正是为了弥合它。在 Impedyme，我们构建的平台让工程师能够将一个物理的变换器前端在满功率下与仿真的电源和负载对接，从而使其行为得以被观测，而非被假定。

Grid emulator 是这里最重要的部分。一个在洁净的实验室电源上表现无可挑剔的整流器，在面对畸变、下垂或不平衡的输入时可能会抽取截然不同的电流，而这种工况恰恰是设备在实际运行中将会遇到的。我们的 GridSim Studio 软件和 CHP 系列 平台使团队能够有意且可重复地呈现这些工况，包括并网标准要求测试的直流注入场景。 PowerHIL Studio 将同样的方法扩展到 Power Hardware-in-the-Loop 工作中，被测变换器与仿真系统交换真实功率，而非与实验台负载交换。

其结果是，前端的行为——电流特征、谐波含量、对受扰电源的响应——在设计定型之前就得到了表征，而不是在合规测试期间才被发现。

结论

半波整流器是对整流原理最清晰不过的演示，同时也是最不适合真正用来整流的电路之一。一个二极管、通过一半周期而舍弃另一半、大于 1 的纹波系数、约 40% 的效率，以及一个把变压器推向饱和的电源侧直流分量：半波整流器电路在教学和低功率信号工作中赢得了自己的一席之地，而在其他任何地方都输掉了这场较量。

正确地了解它仍然是值得的。半波整流器波形是桥式二极管失效的特征，而理解为什么该电路的术语会与半桥整流器重叠，能在阅读数据手册和搜索结果时省去大量困惑。当在真实变换器设计中面临全桥整流器与半桥整流器的取舍时，最好将半波整流器理解为二者都为之改进而存在的基准。