-다이오드 정류기-

Prof. Byoung-Kuk Lee, Ph.D.

Energy Mechatronics Lab.

School of Information and Communication Eng.

Sungkyunkwan University

Tel: +82-31-299-4581 Fax: +82-31-299-4612 http://seml.skku.ac.kr EML: bkleeskku@skku.edu

 정류기 (Rectifier)의 기능 : AC  DC

다이오드 정류회로

• AC-DC Conversion

 Diode Rectifier (Diode)

 Phase Controlled Rectifier (Thyristor)

|

| _S

o v

v 

• AC-DC Diode Rectifier

 1상한 동작 (전원부하)

 출력전압 제어 불가능

Vs1

Vs2

Vsn

Vo io

부 하 다이오드 정류기

+

-

Power Flow

• Input

 전압 : 정현파 (given)

 전류 : 구형파

• Output

 전압 : 직류+교류

 전류 : 직류로 간주

입력전류 & 출력전압이 중요!  Fourier Series로 해석

wt 0

Vs

Vo

 

 

0 wt

3

3

단상 반파 정류회로 – R 부하 (I)

0

2 sin sin

( )

o s

o s m

o

t

Forward bias

v v V t

v v V

i t

R R R

on drop

 





 



 

  

 무시

i) ₂

0, 0

o o

D s

t

Reverse vias

v i

v v

    



 

 ii)

 Circuit & Waveform

2 sin :

s

s D o

v V t

KVL v v v





 

wt

wt wt

 0

0 Vs

Vo

 

0  VD

io

 





0

단상 반파 정류회로 – R 부하 (II)

 Analysis

 Average value

 RMS value

 Average power

, 0

0

1

1 sin 2

T

o avg o

m

m

v v dt

T

V t d t

v



 







 







,

, 0

1

o avg o

i i dt v

T R

  

2

, 0

1

2

T m

o rms o

v v dt v

 T  

1

2

T m

o rms o

i i dt v

T R

  

0 2 0

2 2

1 ( )

1 2

2

T avg

o o

m rms

P p t dt

T

v i d t

V v

R R









 

 





단상 반파 정류회로 – RL 부하 (I)

 Circuit & Waveform

vR Riin phase

L

v Ldi

 dt

@

S R L

L S R

Turn on

v v v

v v v



 

  

,

1 ^t

L L o o L

i I v dt

  L



mode I mode II

<mode I >

< mode II>

0

; 2

; 2 cos 1

) cos 1 2 (

2

) ( sin 2 2

1

) 2 (

1

2 2

2 0

2 0

2















 

















o R o o o

v L

v V

t d t V

t d v v







 



 

 





단상 반파 정류회로 – RL 부하 (II)

 Freewheeling Diode

 v

 2 V



 io의 감소시간은 R-L 회로의

wt 0

Vs

 

wt 0

wt 0

wt

wt 0 wt



 

  wt

0

0

0 io

V R

V L

Vo

is

i ^D

 Vs

A

A`

 

wt 0

Vs

 

0  wt

wt

0  

wt

wt wt

0 

 

  wt

0

0

0

io

V R

V L

Vo

is

i ^D

Vs

A

A`

Vs

V D

io

Vo R

+

-

+ - +

-

D L

+

+ -

-

V L

V R

DF

i ^D is

단상 반파 정류회로 – Motor 부하

 Design of Diode Rectifier

• 입력전압이 부하 기전력 초과 시부터 전류 흐르기 시작하여 입력전압보다 낮아지기

• L이 없다면 입력전압이 Cap 전압보다 큰 경우만 전류 발생  비선형 전류 (가전기기)

단상 전파 정류회로 (I)

 Single-Phase Diode Rectifier Bridge



 해석을 위해 전원의 리액턴스와 출력 커패시터는 무시

 부하는 전류원으로 가정 (ripple-free dc current  very big inductive load)

Practical circuit Analysis circuit I Analysis circuit II

단상 전파 정류회로 (II)

 Waveforms with a purely resistive load

 Circuit

 D1-D2 ON during positive v

 D3-D4 ON during negative v

 Waveform

단상 전파 정류회로 (III)

 Waveforms with a purely resistive load

 Analysis

, 0

1 sin

2

2 2 0.9

o avg m

m

rms

rms

Output Voltage

v V t d t

V v v



 







 

 







 ^{0 : sin}

2 : sin

o s m

o

o s m

o

Output Current

v v V t

t i

R R R

v v V t

t i

R R R

  

   

 

    

 

    

단상 전파 정류회로 (IV)

 Waveforms with a purely dc current at output

 Circuit

 두 경우 모두 DC 출력전압의 파형은 동일

 Waveform

단상 전파 정류회로 (V)

 Waveforms with a purely dc current at output

 Analysis

0

&

sin

1 cos sin

2 ,

0, 0 sin

, 2 sin

4 1 sin

4 1 1 1 1

sin sin 3 sin 5 sin 7

3 5 7

s m

s o n n

o n

s n

T

n s

s d

odd d

Input Voltage Current

v V t

i a a n t b n t

where input current is odd function

a a

i b n t

where b i n t d t

T

i I n t

n

I t t t t



 



 

 

   



 



  

  

 

 

 

     

 







sin n t

n 

 

 

 

단상 전파 정류회로 (VI)

• 이상적으로 출력 전류가 완전한 DC일 경우,

• 입력전류에 대해 푸리에 급수 전개하여

 Power (seen at the source)

Waveforms

0 0

1

1

1 1

( ) ( ) ( )

2

2 4

T T

avg

s

m d m

d s

P p t dt v t i t dt

T T

V I V I

I I







  

 

   



 

Harmonics spectrum

단상 전파 정류회로 (VII)

 Waveforms with a purely dc current at output

 Analysis

( )

( )

0 2

( )

&

( )

1 cos sin

2 ,

0

1 cos

2

2 4 1

, sin

1

2 4 1 1

cos 2 co

3 15

dc d

dc t o n n

n

dc t o n

T

n m m

m m

dc t

Output Voltage Current i I constant

v a a n t b n t

where output voltage is even function b

v a a n t

where a V t d t V

T n

V V

v t







 



 



  

 



  

 

  

   



   

 





2

s 4 1 cos

t 1 n t

 n 

   

  

 

단상 전파 정류회로 (VIII)

• 출력전류는 완전한 DC로 가정, 출력전압은

저항부하와 동일하게 sine-wave에 절대값을 취한 형태로 나타남

0 0

1 1

( ) ( sin )

T T

avg m d

avg d

P p t dt V t I dt

T T

V I



  

 

 

• 출력전압에 대해 푸리에 급수 전개하여 고조파

Power (seen at the load)

단상 전파 정류회로 (IX)

 Diode Rectifier Bridge Analysis with AC side Inductance

& Understanding Current Commutation

 출력전류는 완전한 DC로 가정

 전원 인덕턴스 L

 Commutation

 전원 인덕턴스 L

단상 전파 정류회로 (X)

 Understanding Current Commutation (cont.)

 전류 Commutation중인 등가회로

 Commutation 후 등가회로

단상 전파 정류회로 (XI)

 Current Commutation in Full-Bridge Rectifier

 단상 전파 정류기에서의 전류 커뮤테이션

단상 전파 정류회로 (XII)

 Rectifier with a dc-side voltage

 전류는 Vs가 Vd보다 커질때 부터 흐르기 시작

 전원에 L

단상 전파 정류회로 (XIII)

 Diode Rectifier with a Capacitor Filter – Practical Circuit

단상 전파 정류회로 (XIV)

 Diode Rectifier with a Capacitor Filter – Waveforms

 Line Voltage Distortion

 Nonlinear Current

• C의 영향으로 DC전압이 됨

• C값이 커질수록 리플이

3상 다이오드 정류회로

 3-phase system

 Relation between phase and line-to-line voltage at 3ph system

sin

sin( 120 )

sin( 120 )

a m

b m

c m

v V t

v V t

v V t









  

  

3 30 3 30 3 30

ab an

bc bn

ca cn

v v

v v

v v

  

  

  

3상 반파 다이오드 정류기 (I)



3상 반파 다이오드 정류기 (II)



3상 반파 다이오드 정류기 (III)

 with Resistive load

a상, b상, c상 전압

출력 전압

출력 전류

각 다이오드별 전류

3상 전파 다이오드 정류기 (I)

 with Inductive load

a상, b상, c상 전압

전체 출력 전압

출력 전류 각 다이오드별 전류

저항에 걸리는 전압 인덕터에 걸리는 전압

 Circuit  Waveforms

Nn Pn

o v v

v  

3상 전파 다이오드 정류기 (II)

Van

i^c i^b ia

V^cn Vbn

n

D2

Vo

i⁰ +

- D1 D3 D5

D4 D6

i¹

i² i³

i⁴

i⁵

i⁶

R

Van

ic

i^b ia

V^cn Vbn

n

D2

Vo

i⁰ +

- D1

D5

D3

D4

D6

i¹

i² i³

i⁴ i⁵

i⁶

R P

N

t

Van Vbn Vcn

Vo 0

t

t

t

t

t

t

t

t

t

t











 ic

ib ia i1

i2

i3

i4

i5

i6 0

0

0 0 0

0 0

0

0

0

Vpn

Vab Vac Vbc Vba Vca Vcb Vab VNn

3상 전파 다이오드 정류기 (III)

 Analysis

 Diode D1 ON 조건 :

 Diode D2 ON 조건 :

 Diode D3 ON 조건 :

 Diode D4 ON 조건 :

 Diode D5 ON 조건 :

 Diode D6 ON 조건 :

 Diode D1 ~ D6 까지 ON 조건 해석하면  최대값과 최소값을 갖는 구간의 다이오드

 각 diode는 120도씩 ON

 D1  D2  D3  D4  D5  D6 순으로 60도 마다 sequencelly turn-ON

 60도 구간 모드별로 2개의 diode pair가 도통됨

• D1, D3, D5 중 1ea + D4, D6, D2 중 1ea :

0 & 0 ( )

ab ac ac ca

v  v  v   v

0 & 0

ca bc

v  v 

0 & 0

bc ba

v  v 

0 & 0

ab ac

v  v 

0 & 0

ca cb

v  v 

0 & 0

ba bc

v  v 

3상 전파 다이오드 정류기 (IV)

 Analysis





1 2

dc d d

an bn ab

an cn ac

bn cn bc

bn an ba

cn an ca

cn bn cb

v v v

v v v

v v v

v v v

v v v

v v v

v v v

 

  

  

  

  

  

  

: 1 : 4 : 3 : 6 : 5 : 2

a

b

c

i pos D neg D i pos D neg D i pos D neg D







• 각 다이오드 전류에 Id 전류 흐름 (KCL)

• 스위치는 한 개씩 턴-온 되기 때문

3상 전파 다이오드 정류기 (V)

 Analysis

 직류 출력전압 평균값 :

 출력전압 고조파

 단상 : 2n차 (even harmonics)

 3상 : 6n차 harmonics

3

, 0

3 0

1 / 3

3 2 sin

3

3 2 ( : )

1.35

dc avg ab

L L

L L L L

L L

v v d t

V t d t

V V line to line voltage RMS V





 

  







 





 

   

 

  







3 2 2 2

1 cos 6 cos12 ...

35 143

DC L

v V  t  t



 

     

 

3상 전파 다이오드 정류기 (VI)

 Analysis

 입력전류 고조파 :



 단상 : odd harmonics

 3상 : odd harmonics – 3배수 고조파

 3상 다이오드 정류기가 3상 4선식 시스템

2 3 1 1

[sin sin 5 sin 7 ...]

5 7

a d

i I  t  t  t

    

3상 전파 다이오드 정류기 (VII)

 Simulation

 R부하만 있을 때

 리플주파수

• 3배

 리플크기

• Capacitor가 없으므로 큰 리플

3상 전파 다이오드 정류기 (VIII)

 Simulation

 R-L부하일 때