摘要：本文對(duì)電源防反接電路與交錯(cuò)換向多相整流電路的電路原理和結(jié)構(gòu)進(jìn)行了比較，對(duì)交錯(cuò)換向多相整流電路的設(shè)計(jì)思路進(jìn)行了闡述。交錯(cuò)換向多相整流電路包含機(jī)械換向和電子換向兩個(gè)部分，能夠較好地解決大功率設(shè)備移動(dòng)供電問題，適用于電氣化公路供電和移動(dòng)電器設(shè)備供電。

引言

電源防反接電路與交錯(cuò)換向多相整流電路是一種特殊和普適的關(guān)系，它們的電氣結(jié)構(gòu)和應(yīng)用方向有所差異，直流電源防反接電路主要適用于固定電器防反接(防插反)供電，交錯(cuò)換向多相整流電路主要適用于固定電器和移動(dòng)電器移動(dòng)供電(運(yùn)動(dòng)供電)。

1移動(dòng)供電在21世紀(jì)成為重要供電方向

進(jìn)入21世紀(jì)后，由于生產(chǎn)方式大為進(jìn)步、生活方式大大改善，為了更高效、更方便、更舒適地為移動(dòng)電器(移動(dòng)電氣設(shè)備)充供電，移動(dòng)供電逐漸成一種重要的主流供電方式。

2008年底無線充電聯(lián)盟(WPC)成立，由此拉開了消費(fèi)電子無線充電發(fā)展的序幕。2009年1月9日，Palm在CES展會(huì)上公布其新一代操作系統(tǒng)webOS及首款無線充電手機(jī)Palm Pre，這就是雷軍微博上大為贊賞的世界首款無線充電手機(jī)——胖梨。之后，夏普SH-13C、谷歌Nexus4和諾基亞Lumia920也加載無線充功能，但是無線仍然不溫不火。直到2017年，蘋果發(fā)布手機(jī)iPhoneX/iPhone8，無線充電行業(yè)真正爆發(fā)，開始走進(jìn)尋常百姓家。

不過，盡管無線充電技術(shù)驚艷一現(xiàn)，其發(fā)展仍然有點(diǎn)慢，為什么?因?yàn)槭怯腥笊揭恢睋踉谇懊妫阂皇禽敵龉β侍。寝D(zhuǎn)換效率太低，三是制造成本太高，根本原因是：電磁耦合導(dǎo)致轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)太多，感應(yīng)線圈的有效充電間隙難以可靠維持。所以，無線充電技術(shù)并不適合大功率、高效率電力傳輸場(chǎng)景。

2有名的直流電源移動(dòng)防反接電路是誰發(fā)明的?

電池和電子設(shè)備都須用到直流電源，接入電源最怕的就是正負(fù)極接反，一旦正負(fù)極反接，將引發(fā)嚴(yán)重的短路故障，輕者元件損壞，重者引發(fā)爆燃事故。同理，部分交流電相位反接，也會(huì)引發(fā)嚴(yán)重短路事故或反轉(zhuǎn)事故。正是這種投鼠忌器的原因，電器設(shè)備很難實(shí)現(xiàn)移動(dòng)充電、自動(dòng)充電，所以，一般重要電路都會(huì)使用公母插座、異型插頭作為機(jī)械電氣接口，為了進(jìn)一步提高安全性還會(huì)增加防反接電路，以保護(hù)電子電氣設(shè)備。

那么，這個(gè)直流電源防反接電路究竟是誰發(fā)明的呢?這個(gè)問題已經(jīng)無法考證了，但是新型防反接電路還在不斷被發(fā)明出來——人們迫切需要更高效的防反接電路。

目前，常用的防反接電路有三種：

一是二極管防反接電路，利用二極管單向?qū)щ娦裕瑢?shí)現(xiàn)防反接功能，這種方法簡(jiǎn)單，安全可靠，成本也最低，但是輸出端會(huì)有0.7V左右的壓降。

二極管防反接電路

二是MOS管防反接電路，利用PMOS、NMOS管使用電壓控制導(dǎo)通的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)低壓降、低功耗防反接。

MOS管防反接電路

三是整流橋防反接電路，因?yàn)闃蚴秸麟娐窡o論輸入端是什么級(jí)性，輸出端都是預(yù)置的正負(fù)極輸出——這個(gè)電路是無極性電源輸入，由于該電路不再對(duì)電源的極性有要求，可實(shí)現(xiàn)電源的任意接法——這是它最大的優(yōu)點(diǎn)。

整流橋防反接電路

目前，因?yàn)橹绷髟O(shè)備數(shù)量越來越多，電源防反接電路應(yīng)用越來越廣泛，所以新型的防反接電路和新型的低壓降、低功耗整流半導(dǎo)體層出不窮。

3交錯(cuò)換向多相整流電路是針對(duì)移動(dòng)充供電領(lǐng)域的特殊電路

無線充電器連接方便快捷，非常具有吸引力，但是功率太小、效率太低、成本太高。為此，人們希望用新的移動(dòng)充電技術(shù)來模擬無線充電技術(shù)，新的移動(dòng)充電裝置可以解決小如手機(jī)、電動(dòng)牙刷的快捷充電需求，也可解決大如電動(dòng)車的移動(dòng)充電需求。所以，移動(dòng)充電電路存在較大需求：既要像無線充電那樣使用方便，又要保證充電功率大、效率高。

(一)移動(dòng)供電是一種積存多年的重要應(yīng)用需求

事實(shí)上，西門子在1882年推出首臺(tái)無軌電車之時(shí)，就使用集電桿雙線供電，但是這種集電桿供電方式是使用“U”型觸靴“剛性”連接架空接觸線——本質(zhì)上仍然是固定充電方式，并非無線充電那種柔性快捷連接方式，存在對(duì)位困難、連接不便、易脫落、有時(shí)會(huì)拉斷接觸線的問題，其應(yīng)用并不廣泛。不過，移動(dòng)供電可以從電網(wǎng)中高效供電，它確實(shí)是一種積存多年且需求量巨大的應(yīng)用需求——可謂源遠(yuǎn)流長(zhǎng)。

(二)直流電機(jī)換向技術(shù)對(duì)解決移動(dòng)供電有重要參考意見

膠輪電動(dòng)車的橡膠輪胎是絕緣的，因此電動(dòng)車在行駛過程中，使用兩個(gè)受電弓從兩根電力線低成本持續(xù)供電是跨越三個(gè)世紀(jì)的技術(shù)難題，主要原因是：電流需要形成回路，但是膠輪電動(dòng)車在運(yùn)動(dòng)中同時(shí)讓兩個(gè)受電弓和兩根電線長(zhǎng)時(shí)間保持有效接觸是相當(dāng)困難的——這就牽扯到移動(dòng)供電技術(shù)。要解決這個(gè)難題，最好的辦法就是使用一個(gè)受電弓從兩根電力線上取電——但是在100多年前整流元件還比較落后的情況下來實(shí)現(xiàn)這個(gè)技術(shù)是極其困難的。

1、電氣化公路和功率型移動(dòng)供電推動(dòng)移動(dòng)供電技術(shù)發(fā)展

當(dāng)無線充電開始大行其道，電動(dòng)車時(shí)代來臨之時(shí)，以電動(dòng)車充供電需求為引領(lǐng)，人們開始考慮如何解決電動(dòng)車大功率移動(dòng)供電(行駛充電和自動(dòng)充電)問題。西門子公司率先使用視頻跟蹤技術(shù)，通過計(jì)算機(jī)和自動(dòng)控制設(shè)備，在電動(dòng)卡車上實(shí)現(xiàn)“雙受電弓——雙接觸線”行駛供電，這個(gè)方案就是來自德國(guó)和瑞典的電氣化高速公路技術(shù)(eHighway)，但是其成本還是太高、可靠性仍然不足。

2、用“機(jī)械換向+整流橋防反接電路”實(shí)現(xiàn)功率型移動(dòng)供電

從研究直流電機(jī)換向器原理出發(fā)，人們注意到100多年前直流電機(jī)就是使用兩個(gè)(或更多)電刷，通過換向器(整流子)實(shí)現(xiàn)電流在轉(zhuǎn)子與電網(wǎng)之間傳輸——這就是電流換向原理，即在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下通過換向器實(shí)現(xiàn)了一個(gè)整流子與多個(gè)電刷之間電流“動(dòng)與靜、正與負(fù)”的極性轉(zhuǎn)換。

因此，在一個(gè)受電弓上安裝多個(gè)受電滑板，通過滑板換向復(fù)用，讓一個(gè)受電弓上的多個(gè)受電滑板交替換向受電，或虛擬“雙弓-雙線”受電，從而實(shí)現(xiàn)電動(dòng)車的“單弓-雙線”受電，這就是機(jī)電式交錯(cuò)滑板換向共軌式受電弓原理——這個(gè)方案在2017年通過實(shí)驗(yàn)得以驗(yàn)證。

它有兩個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)：一是受電滑板交替換向受電環(huán)節(jié)，要求供電接觸線的線間距約等于受電滑板長(zhǎng)度的奇數(shù)倍;二是使用整流橋解決換向電路中電流方向突然轉(zhuǎn)向問題——以整流電路實(shí)現(xiàn)電流無極性傳輸，這個(gè)就應(yīng)用了前面所講的無極性電路——整流橋防反接電路。

機(jī)電式交錯(cuò)滑板換向共軌式受電弓

不過，這個(gè)辦法仍然存在電流換向脈動(dòng)大的缺點(diǎn)，雖然方案可行，還需解決商業(yè)應(yīng)用問題。

3、發(fā)現(xiàn)交錯(cuò)換向多相整流電路

既然機(jī)電式換向存在電流沖擊問題，那么使用電子元件換向能否改善換向環(huán)境呢?這就引出了電子換向受電弓方案，即交錯(cuò)換向多相整流電路。

這是一個(gè)改進(jìn)后的電子換向方案：應(yīng)用“電子換向+滑板復(fù)用+多相整流”方案，讓每一個(gè)滑板單獨(dú)轉(zhuǎn)接一組整流器，通過交錯(cuò)換向式受電滑板與多相整流器的換向和整流作用，迫使接觸線傳輸?shù)碾娏鞅环蛛x到直流母線的正負(fù)極線路上，可從根本上解決了換向電流脈動(dòng)大的問題。一般來說，整流器至少三相整流才能實(shí)現(xiàn)換向功能。

總體上，交錯(cuò)換向多相整流電路包括兩部分：交錯(cuò)換向電路、多相整流電路，前置電路負(fù)責(zé)機(jī)械電氣換向，后置電路負(fù)責(zé)電流再次換向，這個(gè)也是與防反接電路的本質(zhì)區(qū)別。

電子換向受電弓電氣原理圖電子換向受電弓是為電動(dòng)車行駛充電、大功率移動(dòng)充供電而設(shè)計(jì)，其優(yōu)勢(shì)在于受電弓對(duì)線快捷、電子換向電流無沖擊、抗短路、可靠性高，一是解決了膠輪電動(dòng)車在單受電弓、雙接觸線下可靠充供電的技術(shù)難題，實(shí)現(xiàn)充電樁通用化;二是解決了電動(dòng)車充電接口兼容性問題，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)對(duì)位充電，在簡(jiǎn)化充電設(shè)備后一個(gè)充供電網(wǎng)可同時(shí)向多臺(tái)電動(dòng)車供電;三是解決了電動(dòng)車移動(dòng)充電的技術(shù)難題，電動(dòng)車可邊行駛、邊充電;四是實(shí)現(xiàn)了功率型移動(dòng)電器設(shè)備在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下供電。

電子換向受電弓是用在電氣化公路的關(guān)鍵性設(shè)備，如果用在手機(jī)、平板電腦、掃地機(jī)器人、無人機(jī)等移動(dòng)電器終端的快捷供電場(chǎng)景——這個(gè)時(shí)候我們稱其為萬向充電器。萬向充電器具有移動(dòng)充供電能力，較之萬能充電器和無線充電器有更好的復(fù)雜場(chǎng)景適應(yīng)性。

4交錯(cuò)換向多相整流電路將推進(jìn)移動(dòng)供電技術(shù)、電氣化公路和半導(dǎo)體快速發(fā)展

交錯(cuò)換向多相整流電路有兩個(gè)應(yīng)用方向：一個(gè)是大功率移動(dòng)供電應(yīng)用，解決電動(dòng)車行駛充電、自動(dòng)充電需求;另一個(gè)是移動(dòng)終端快捷充電應(yīng)用，解決無人機(jī)、計(jì)算機(jī)自動(dòng)充電需求。這兩個(gè)應(yīng)用方向都將推進(jìn)移動(dòng)供電技術(shù)、電氣化公路快速發(fā)展，進(jìn)而促進(jìn)整流半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)升級(jí)換代。

電子換向受電弓有四個(gè)應(yīng)用方向：一是實(shí)現(xiàn)電氣化公路構(gòu)想(行駛充供電)，大中型電動(dòng)車“在線充電-邊走邊充”，或小型電動(dòng)車臨時(shí)在線充電——即時(shí)補(bǔ)能電動(dòng)車充供電;二是實(shí)現(xiàn)電動(dòng)車在停車場(chǎng)、街道邊自動(dòng)對(duì)位共享充供電，實(shí)現(xiàn)“即停即充”，能減少電池容量，成本低，從根本上解決充電樁數(shù)量不足問題;三是建立通用萬向供電接口，可廣泛應(yīng)用于移動(dòng)用電設(shè)備，比如：手機(jī)充電，機(jī)器人、無人機(jī)、無人駕駛車輛、移動(dòng)電器自動(dòng)充供電，家用和工業(yè)電器無插孔、線性安全供電;四是電氣化鐵路改良三相交流供電，由于電子換向受電弓是單弓對(duì)多線，因此可簡(jiǎn)化供電段設(shè)計(jì)和施工，實(shí)現(xiàn)普通市電三相工頻交流電直接供電(如：A相使用鐵軌，B、C兩相來自接觸網(wǎng))。

值得一提的是，為什么大發(fā)明家西門子、愛迪生當(dāng)年沒有徹底解決電氣化公路的單弓受電問題呢?主要原因：一是百年前只有體積龐大的電子管和汞弧整流器，根本無法解決多相整流器件小型化問題，二是當(dāng)時(shí)還不存在后來的燃油緊缺和環(huán)境保護(hù)需求。所以，這個(gè)問題的解決就延遲到半導(dǎo)體和整流技術(shù)非常成熟的21世紀(jì)。

5總結(jié)

交錯(cuò)換向多相整流電路與電源防反接電路、電磁感應(yīng)式無線充電電路有著密切聯(lián)系，交錯(cuò)換向多相整流電路是對(duì)電源防反接電路的推廣和普適，交錯(cuò)換向多相整流電路解決了電磁感應(yīng)式無線充電電路在大功率、低成本應(yīng)用方向上存在的問題。在交錯(cuò)換向多相整流電路大規(guī)模應(yīng)用后，由于傳統(tǒng)的硅整流半導(dǎo)體存在功耗高、壓降大的缺點(diǎn)，今后需要升級(jí)和引入新型大功率、高電壓等級(jí)且低功耗、低壓降的半導(dǎo)體元件，將再次推動(dòng)車用半導(dǎo)體技術(shù)的升級(jí)和進(jìn)步。目前，基于氮化鎵、碳化硅等寬禁帶半導(dǎo)體已經(jīng)大量生產(chǎn)和應(yīng)用，寬禁帶半導(dǎo)體具有高擊穿電場(chǎng)、高熱導(dǎo)率、高遷移率、高飽和電子速度、高電子密度、可承受大功率等特點(diǎn)，非常適合應(yīng)用于交錯(cuò)換向多相整流電路，從而實(shí)現(xiàn)大規(guī)模移動(dòng)充供電。相信，隨著移動(dòng)供電和電氣化公路應(yīng)用越來越廣泛，交錯(cuò)換向多相整流電路將出現(xiàn)在更多應(yīng)用場(chǎng)景，寬禁帶半導(dǎo)體、MOS管也將迎來新的發(fā)展期。

審核編輯：湯梓紅