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

引言

電源防反接電路與交錯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，交錯換向多相整流電路主要適用于固定電器和移動電器移動供電(運動供電)。

1移動供電在21世紀(jì)成為重要供電方向

進入21世紀(jì)后，由于生產(chǎn)方式大為進步、生活方式大大改善，為了更高效、更方便、更舒適地為移動電器(移動電氣設(shè)備)充供電，移動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，由此拉開了消費電子無線充電發(fā)展的序幕。2009年1月9日，Palm在CES展會上公布其新一代操作系統(tǒng)webOS及首款無線充電手機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——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iPhoneX/iPhone8，無線充電行業(yè)真正爆發(fā)，開始走進尋常百姓家。

不過，盡管無線充電技術(shù)驚艷一現(xiàn)，其發(fā)展仍然有點慢，為什么?因為是有三座大山一直擋在前面：一是輸出功率太小，二是轉(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、高效率電力傳輸場景。

2有名的直流電源移動防反接電路是誰發(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)備很難實現(xiàn)移動充電、自動充電，所以，一般重要電路都會使用公母插座、異型插頭作為機械電氣接口，為了進一步提高安全性還會增加防反接電路，以保護電子電氣設(shè)備。

那么，這個直流電源防反接電路究竟是誰發(fā)明的呢?這個問題已經(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?，實現(xiàn)防反接功能，這種方法簡單，安全可靠，成本也最低，但是輸出端會有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，實現(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，因為橋式整流電路無論輸入端是什么級性，輸出端都是預(yù)置的正負(fù)極輸出——這個電路是無極性電源輸入，由于該電路不再對電源的極性有要求，可實現(xiàn)電源的任意接法——這是它最大的優(yōu)點。

整流橋防反接電路

目前，因為直流設(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交錯換向多相整流電路是針對移動充供電領(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充電技術(shù)來模擬無線充電技術(shù)，新的移動充電裝置可以解決小如手機、電動牙刷的快捷充電需求，也可解決大如電動車的移動充電需求。所以，移動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)移動供電是一種積存多年的重要應(yīng)用需求

事實上，西門子在1882年推出首臺無軌電車之時，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，存在對位困難、連接不便、易脫落、有時會拉斷接觸線的問題，其應(yīng)用并不廣泛。不過，移動供電可以從電網(wǎng)中高效供電，它確實是一種積存多年且需求量巨大的應(yīng)用需求——可謂源遠流長。

(二)直流電機換向技術(shù)對解決移動供電有重要參考意見

膠輪電動車的橡膠輪胎是絕緣的，因此電動車在行駛過程中，使用兩個受電弓從兩根電力線低成本持續(xù)供電是跨越三個世紀(jì)的技術(shù)難題，主要原因是：電流需要形成回路，但是膠輪電動車在運動中同時讓兩個受電弓和兩根電線長時間保持有效接觸是相當(dāng)困難的——這就牽扯到移動供電技術(shù)。要解決這個難題，最好的辦法就是使用一個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現(xiàn)這個技術(shù)是極其困難的。

1、電氣化公路和功率型移動供電推動移動供電技術(shù)發(fā)展

當(dāng)無線充電開始大行其道，電動車時代來臨之時，以電動車充供電需求為引領(lǐng)，人們開始考慮如何解決電動車大功率移動供電(行駛充電和自動充電)問題。西門子公司率先使用視頻跟蹤技術(shù)，通過計算機和自動控制設(shè)備，在電動卡車上實現(xiàn)“雙受電弓——雙接觸線”行駛供電，這個方案就是來自德國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“機械換向+整流橋防反接電路”實現(xiàn)功率型移動供電

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

因此，在一個受電弓上安裝多個受電滑板，通過滑板換向復(fù)用，讓一個受電弓上的多個受電滑板交替換向受電，或虛擬“雙弓-雙線”受電，從而實現(xiàn)電動車的“單弓-雙線”受電，這就是機電式交錯滑板換向共軌式受電弓原理——這個方案在2017年通過實驗得以驗證。

它有兩個關(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——以整流電路實現(xiàn)電流無極性傳輸，這個就應(yīng)用了前面所講的無極性電路——整流橋防反接電路。

機電式交錯滑板換向共軌式受電弓

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

3、發(fā)現(xiàn)交錯換向多相整流電路

既然機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，即交錯換向多相整流電路。

這是一個改進后的電子換向方案：應(yīng)用“電子換向+滑板復(fù)用+多相整流”方案，讓每一個滑板單獨轉(zhuǎn)接一組整流器，通過交錯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大的問題。一般來說，整流器至少三相整流才能實現(xiàn)換向功能。

總體上，交錯換向多相整流電路包括兩部分：交錯換向電路、多相整流電路，前置電路負(fù)責(zé)機械電氣換向，后置電路負(fù)責(zé)電流再次換向，這個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車行駛充電、大功率移動充供電而設(shè)計，其優(yōu)勢在于受電弓對線快捷、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車在單受電弓、雙接觸線下可靠充供電的技術(shù)難題，實現(xiàn)充電樁通用化;二是解決了電動車充電接口兼容性問題，可實現(xiàn)自動對位充電，在簡化充電設(shè)備后一個充供電網(wǎng)可同時向多臺電動車供電;三是解決了電動車移動充電的技術(shù)難題，電動車可邊行駛、邊充電;四是實現(xiàn)了功率型移動電器設(shè)備在運動狀態(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、平板電腦、掃地機器人、無人機等移動電器終端的快捷供電場景——這個時候我們稱其為萬向充電器。萬向充電器具有移動充供電能力，較之萬能充電器和無線充電器有更好的復(fù)雜場景適應(yīng)性。

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

交錯換向多相整流電路有兩個應(yīng)用方向：一個是大功率移動供電應(yīng)用，解決電動車行駛充電、自動充電需求;另一個是移動終端快捷充電應(yīng)用，解決無人機、計算機自動充電需求。這兩個應(yīng)用方向都將推進移動供電技術(shù)、電氣化公路快速發(fā)展，進而促進整流半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)升級換代。

電子換向受電弓有四個應(yīng)用方向：一是實現(xiàn)電氣化公路構(gòu)想(行駛充供電)，大中型電動車“在線充電-邊走邊充”，或小型電動車臨時在線充電——即時補能電動車充供電;二是實現(xiàn)電動車在停車場、街道邊自動對位共享充供電，實現(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)用于移動用電設(shè)備，比如：手機充電，機器人、無人機、無人駕駛車輛、移動電器自動充供電，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多線，因此可簡化供電段設(shè)計和施工，實現(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)時還不存在后來的燃油緊缺和環(huán)境保護需求。所以，這個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，交錯換向多相整流電路是對電源防反接電路的推廣和普適，交錯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，今后需要升級和引入新型大功率、高電壓等級且低功耗、低壓降的半導(dǎo)體元件，將再次推動車用半導(dǎo)體技術(shù)的升級和進步。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、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，非常適合應(yīng)用于交錯換向多相整流電路，從而實現(xiàn)大規(guī)模移動充供電。相信，隨著移動供電和電氣化公路應(yīng)用越來越廣泛，交錯換向多相整流電路將出現(xiàn)在更多應(yīng)用場景，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