作者： 陳子穎，文章來源：英飛凌工業半導體微信公眾號

古老的整流管

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等應用中還是主流的方案，而且功率范圍很廣，所以了解二極管整流電路工程設計非常重要。

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，整流知識是必不可少的。

為了幫助電力電子專業學生和工程師了解整流電路和整流電容濾波電路的特性和工程設計，撰寫了本系列講座，分6個周末連載。

1. 看似簡單的整流二極管電路詳解

摘要：6期連載摘要和花絮---古老的整流管

2. 二極管的損耗與波形系數

摘要：二極管損耗模型和參數獲得，正弦波和方波的波形系數以及平均值和有效值測量原理。

3. 阻感性負載和反電動勢負載

摘要：阻感性負載比較常用，也是基礎教學內容，為了符合微信快速閱讀習慣，這里只以單相不連續電流模式和連續電流模式作為整流電路分析入門；反電動勢負載典型應用是最簡單的充電電路，是熱門的知識點。

4. 整流電容濾波負載原理

摘要：本系列的核心內容，在交流供電的電源，家用電器，電機驅動器中，電容濾波這一非線性負載非常普遍，本講開始詳細講解整流電容濾波的分析方法、計算方法和實例。

4. 整流電容濾波負載實例

摘要：以家用空調作為單相整流電容濾波電路和英飛凌22kW通用變頻器為三相整流電容濾波電路為例，通過PLECS仿真驗證設計參數，給出波形系數的經驗值。

5. 逆變器如何面對整流濾波非線性負載？

摘要：解讀UPS標準，研究線路阻抗對整流電容濾波這類非線性負載的影響，同時討論針對整流電容濾波這類非線性負載逆變器輸出特性的設計對策和測試方法。

整流二極管的演變

隨著雙極性半導體技術的發展，二極管和晶閘管的直徑可以做到6英寸，150mm, 二極管的電流電壓規格可以做到8000A，9000V，英飛凌的產品為：8320A 600V，6070A 5000V, 1440A 9000V。

產品覆蓋鎮流器的功率范圍為30kW-50MW，構成最大的系統為10GW量級。

最近的例子是，2022年4月16日，陜北-湖北±800kV特高壓直流輸電工程，額定輸送容量8000MW，每年輸電400億千瓦時。

而高壓大功率二極管晶閘管僅50年歷史，所以在80年代以前的城市軌道交通中，供電系統的整流設備大多數采用水銀整流器，其耐壓水平僅能滿足750V電壓的要求，所以無軌電車和早期的地鐵是750V直流系統。到了八十年代，高電壓的電力半導體器件制造技術經成熟，這樣地鐵開始采用1500V電壓等級直流系統。

水銀整流器像個漫畫書中的八爪魚，照片中的水銀整流器是陳列在英飛凌Warstein工廠里古物。這一技術有近90年的歷史，展品的規格僅為300A 670V。這樣大的一只八爪魚而現在只需要3個50mm寬的模塊就搞定了。

水銀整流器在電力電子應用中扮演著重要的角色，1935年西門子第一代SIMOVERT MasterDrives系列電機驅動器就是采用水銀整流器的，功率做到500kW。今天SIMOVERT MasterDrives風采依舊，這一西門子的工程型變頻器，功率范圍為0.55~2300kW，逆變采用IGBT技術。

水銀整流器裝在八爪魚型玻璃容器中，一個陰極淹沒在水銀池的底部，多個高純度石墨電極作為陽極在懸于水銀池上。可能還有幾個輔助電極以作啟動和維持電弧之用。

當水銀整流器電弧在陰極池和懸浮的陽極間發生時，電子束將可借電離化的水銀，由陰極流向陽極，但無法反向。從原理上看，這是一個高功率型的火焰整流器，火焰中自然存在的等離子具有的單向電流傳輸特性。

由于電離水銀，整流器工作起來發著瑩瑩藍光，非常美麗，想看視頻可以在B站中找到。

水銀整流器可以有輔助極用于啟動和維持電弧之用，所以除了用于整流還可以用于逆變，1954年世界上第一個汞弧閥性直流輸電工程在瑞典投入運行。而史上最強大的水銀整流器是1977年建成，安裝在加拿大馬尼托巴水電局納爾遜河雙高壓直流輸電系統中，額定容量總和超過1000MW，450kV。

從1970年代中期起，汞弧整流器被硅半導體整流器和大功率晶閘管電路所取代。英飛凌（西門子）1975年開發了第一個功率晶閘管用于了2000MW HVDC高壓直流輸電，以后成了HVDC這一應用的主角。