劉洋

（沈陽理工大學(xué)，遼寧沈陽，110159）

0 引言

電子電路在我們的日常生產(chǎn)生活中應(yīng)用非常廣泛，而封裝好的高溫器件及電路在汽車工業(yè)、石油勘探、航空航天、核工業(yè)等多個領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。上述領(lǐng)域中的電子電路工作環(huán)境大多要求是在高溫高壓低功耗長時間的連續(xù)工作，這就要求我們對高溫環(huán)境下的電路設(shè)計進(jìn)行深入的研究。實(shí)現(xiàn)交直流的轉(zhuǎn)換的經(jīng)典方案就是整流電路，它是把交流電能轉(zhuǎn)換為直流電能的電路。大多數(shù)整流電路由變壓器、整流主電路和濾波器等組成。它在直流電動機(jī)的調(diào)速、發(fā)電機(jī)的勵磁調(diào)節(jié)、電解、電鍍等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

1 橋式整流電路概述

橋式整流電路是使用最多的一種整流電路。這種電路，只要增加兩只二極管口連接成橋式結(jié)構(gòu)，便具有全波整流電路的優(yōu)點(diǎn)，而同時在一定程度上克服了它的缺點(diǎn)。

圖1 橋式整流示意圖

橋式整流電路的工作原理如下：U2為正半周時，對D1、D3和方向電壓，D1，D3導(dǎo)通；對D2、D4加反向電壓，D2、D4截止。電路中構(gòu)成U2、Dl、RL 、D3通電回路，在RL上形成上正下負(fù)的半波整流電壓，U2為負(fù)半周時，對D2、D4加正向電壓，D2、D4導(dǎo)通；對D1、D3加反向電壓，D1、D3截止。電路中構(gòu)成U2、D2、RL、D4通電回路，同樣在RL 上形成上正下負(fù)的另外半波的整流電壓。如此重復(fù)下去，在RL上便得到全波整流電壓，其波形圖和全波整流波形圖是一樣的。

2 交直流高溫轉(zhuǎn)換電路詳細(xì)設(shè)計

2.1 設(shè)計指標(biāo)

結(jié)合常用的交直流高溫電路的使用環(huán)境調(diào)查，我們發(fā)現(xiàn)大多是高溫高壓大功率的工業(yè)環(huán)境，本設(shè)計的詳細(xì)指標(biāo)需求如表1所示。

表1 交直流轉(zhuǎn)換器設(shè)計指標(biāo)

2.2 全橋整流電路

全橋整流電路如圖2所示，三個二極管構(gòu)成一個全橋整流電路，三相橋式全控電路為三相整流變壓器，其接線組別采用三組晶閘管元件，輸入端加48V交流電，輸出端并聯(lián)三組220MF的耐高溫、結(jié)壓為100V的濾波電容，將輸入交流電整流為48V直流電輸出。

圖2 全橋轉(zhuǎn)換電路

2.3 元件選擇

高溫電路的設(shè)計至關(guān)重要的一點(diǎn)就是元器件的選擇和挑選。作為現(xiàn)代電子線路主要組成部分的半導(dǎo)體屬于熱敏材料，在溫度增高時，電子器件的各個電氣特征及參數(shù)都會變差。特別是本征載流子密度隨溫度增加而增加，使PN結(jié)反向電流明顯增加，進(jìn)而導(dǎo)致工作點(diǎn)漂移，輸出阻抗降低，噪聲增加，功率損耗增加，由此導(dǎo)致在溫度增加時，半導(dǎo)體電子元器件性能將變壞。如本電路中的二極管器件，溫度升高將使反向漏流增加，結(jié)電壓降低。此外，根據(jù)阿倫尼烏斯公式，元器件每增加10℃，其使用壽命將縮短為一半。所以，我們選擇作為整流元件的二極管時，除了根據(jù)不同的整流方式和負(fù)載大小加以選擇，還要重點(diǎn)考慮其工作的溫度，以及其在溫度變化范圍中各個電氣參數(shù)的變化是否符合電路設(shè)計要求。如選擇不當(dāng)，則或者不能安全工作，甚至燒了管子；或者大材小用，造成浪費(fèi)。

圖3 二極管示意圖

本電路的器件選擇上，主要考慮以下幾方面：器件材料選擇硅件，一般可以保證125℃的環(huán)境溫度。在電路設(shè)計上，盡量減少功耗，減少散熱，提高散熱性和電路可靠性。減少器件外殼到內(nèi)部的熱阻，綜合考慮芯片的尺寸、材料及表面積大小，提高引線、粘結(jié)及焊接材料的導(dǎo)熱性，從而整體提高散熱性能。本設(shè)計選擇的電容，工作溫度范圍為：—55℃—200℃，而且最高溫度的截止電壓為正常設(shè)計電壓的兩倍。

3 電路高溫測試

在電路的高溫測試環(huán)節(jié)，本文分別設(shè)計了如下幾種試驗(yàn)方法：一、環(huán)境溫度為175℃，負(fù)載輸出功率為150W的條件下電路傳輸效率測試；二、常溫下負(fù)載從10W到200W變化下電路傳輸48V輸出電壓紋波測試；三、溫度變化時，負(fù)載輸出功率為150w的條件下電路傳輸效率測試；四、環(huán)境溫度為175℃時，負(fù)載輸出功率變化時電路傳輸48V輸出電壓紋波測試。

測試一：環(huán)境溫度為175℃，負(fù)載輸出功率為150W的條件下電路傳輸效率測試，每組數(shù)據(jù)測試兩個小時。表2給出溫度175℃的條件下，負(fù)載輸出150W時電傳輸效率為82%左右，比常溫的效率降低了大概5個百分點(diǎn)。

常溫下負(fù)載從10W到200W變化下非接觸電傳輸48V輸出電壓紋波測試，測試結(jié)果顯示常溫下，輸出電壓的紋波隨負(fù)載電壓的升高而升高，最高可達(dá)5.41V。

表2 不同溫度、功率條件下電路效率測試結(jié)果

圖4 不同負(fù)載功率紋波圖

溫度變化時，負(fù)載輸出功率為150W的條件下電路的傳輸測試，從表3的溫度紋波對比可以看到，隨溫度不斷上升，輸出電壓紋波基本不變，為4.24V左右，損失大概8.8%，這在高溫高壓大功率的條件下是可以接受的。

表3 恒定大功率條件下溫度紋波對比

環(huán)境溫度為175℃時，負(fù)載輸出功率變化時交直流轉(zhuǎn)換電路傳輸48V輸出電壓紋波測試，測試結(jié)果顯示常溫下，輸出電壓的紋波隨負(fù)載電壓的升高而升高，最高可達(dá)4.21V，詳情如圖5所示。

圖5 高溫下不同負(fù)載功率紋波圖

4 結(jié)論

本文研究了一種適用于高溫環(huán)境下的基于全橋轉(zhuǎn)換技術(shù)的交直流變換器，對其工作原理和參數(shù)設(shè)計及元件選擇都進(jìn)行了詳細(xì)的分析，通過高溫實(shí)驗(yàn)證明該電路在175℃的環(huán)境里能夠無故障連續(xù)工作10小時以上。