单相半控桥式整流电路的设计.docx
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单相半控桥式整流电路的设计
电力电子学课程设计报告书
题目:
单相半控桥式整流电路的设计
专业：
班级：
学号：
学生姓名：
信息工程学院课程设计任务书
学生姓名
学号
成绩
设计题目
单相半控桥式整流电路的设计
设
计
内
容
利用仿真软件研究单相半控桥式晶闸管整流电路，分析电路的相关特性，给出电路的硬件结构框图，设计电路各个部件的硬件电路，完成单相半控桥式晶闸管整流电路的实验与仿真
设
计
要
求
1、电源电源：
交流220V/50Hz
2、输出电压范围：
20V——50V
3、最大输出电流：
10A
4、具有过流保护功能，动作电流：
12A
5、具有稳压功能
6、电源效率不低于70%
时
间
安
排
4月20日—4月23日审题、查资料、选定题目
4月24日—5月1日仿真调试
5月2日—5月5日写设计报告
参
考
资
料
1.康华光.电子技术基础（第五版）.北京：
高等教育出版社，2005
2.周克宁.电力电子技术.北京：
机械工业出版社，2004
3.陈坚.电力电子学.北京：
高等教育出版社，2010
4.王兆安，黄俊.电力电子技术.第四版。
北京：
机械工业出版社，2000
5.王维平.现代电力电子技术及应用.南京：
东南大学出版社，1999
6.王正林，王胜开.MATLAB/Simulink与控制系统仿真，2001
7.林渭勋.现代电力电子电路.杭州：
浙江大学出版社，2002
8.贾正春，马志源.电力电子学.北京：
中国电力出版社，2001
9.贾周，王金梅.基于MATLAB的单相桥式整流电路研究.内江科技，2009
10.辜欣，MATLAB在整流电路中的应用.江汉大学学报，2002
一、设计的基本要求
1.1设计的主要参数及要求：
设计要求：
1、电源电压：
交流220V/50Hz
2、输出电压范围：
20V-50V
3、最大输出电流：
10A
4、具有过流保护功能，动作电流：
12A
5、具有稳压功能
6、电源效率不低于70%
1.2设计的主要功能
单相桥式半控整流电路的工作特点是晶闸管触发导通，而整流二极管在阳极电压高于阴极电压时自然导通。
单相桥式整流电路在感性负载电流连续时，当相控角α<90°时，可实现将交流电功率变为直流电功率的相控整流；在α>90°时，可实现将直流电返送至交流电网的有源逆变。
在有源逆变状态工作时，相控角不应过大，以确保不发生换相（换流）失败事故。
二、总体系统的设计
2.1主电路方案论证
方案一：
单相半控桥式整流电路（含续流二极管）
单相桥式半控整流电路虽然具有电路简单、调整方便、使用元件少等优点，而且不会导致失控显现，续流期间导电回路中只有一个管压降，少了一个管压降，有利于降低损耗。
方案二：
单相半控桥式整流二极管（不含续流二极管）
不含续流二极管的电路具有自续流能力，但一旦出现异常，会导致：
一只晶闸管与两只二极管之间轮流导电，其输出电压失去控制，这种情况称之为“失控”。
失控时的的输出电压相当于单相半波不可控整流时的电压波形。
在失控情况下工作的晶闸管由于连续导通很容易因过载而损坏。
因为半导体本身具有续流作用，半控电路只能将交流电能转变为直流电能，而直流电能不能返回到交流电能中去，即能量只能单方向传递。
经过比较本设计选择方案一含续流二极管的单相半控桥式整流电路能更好的达到设计要求。
2.2主电路结构及其工作原理
单相桥式半控整流电路虽然具有电路简单、调整方便、使用元件少等优点，但却有整流电压脉动大、输出整流电流小的缺点。
其使用的电路图如下图2.1所示。
图2.1主体电路结构原理图
在交流输入电压u2的正半周（a端为正）时，Th1和D1承受正向电压。
这时如对晶闸管Th1引入触发信号，则Th1和D1导通电流的通路为u2+→Th1→R→D1→u2-。
这时Th2和D1都因承受反向电压而截至。
同样，在电压u2的负半周时，Th2和D2承受正向电压。
这时，如对晶闸管Th2引入触发信号，则Th2和D2导通，电流的通路为：
u2-→Th2→R→D2→u2+。
这时Th1和D1处于截至状态。
显然，与单相半波整流相比较，桥式整流电路的输出电压的平均值要大一倍，即
输出电压的平均值：
输出电流的平均值：
2.3参数计算
输出电压平均值：
U
=0.9U2
输出电流平均值：
=Ud/R
流过晶闸管电流有效值：
I
=
/
波形系数：
K
=I
/
=
/2
交流侧相电流的有效值:
I
=
·I
续流管电流有效值：
I
=
·I
令
0时，U2=220V,P出=50V×10A=500W。
Ud=0.9U2（1+
）/2=198V
Id=P出/Ud=10.8A，
Kf=IVT/Id=
/2=0.707，
晶闸管的额定电流为：
IT=KfId/1.57=2.5A,取2倍电流安全储备，并考虑晶闸管元件额定电流系列取5A。
晶闸管元件额定电压
U2=
100=141.4V，取2～3倍电压安全储备，并考虑晶闸管额定电压系列取300V。
令
时，
IVT=
Id=Id=10.8A时，
此时流过续流二极管的电流最大为10.8A，取2倍电流安全储备，并考虑晶闸管元件额定电流系列取20A。
续流二极管两端的最大电压为Ud=220V,取2～3倍电压安全储备，并考虑晶闸管额定电压系列去220V。
所以选择续流二极管额定电压为220V,额定电流为20A的晶闸管和二极管，电感取无穷大，L=150H，R=20
。
三、硬件电路
3.1系统总体原理框图
单相半控桥式整流电路的设计，我们首先对电路原理进行分析，通过分析，结合具体的性能指标求出相应的参数，然后在Matlab仿真软件中建立仿真模型，仿真模型采用交流输入电源，使用晶闸管和二极管作为整流器件，通过不断仿真、调试、不断修改参数，知道符合正确的参数要求。
其系统原理框图如下图2.1
其对应波形原理图如图3.1所示
图3.1系统原理框图
图3.2波形原理图
3.2驱动电路
3.2.1驱动电路方案
方案一：
采用专用集成芯片产生驱动信号。
专用集成芯片对于整个系统来说非常好：
集成度高，不易产生各种干扰；产生的驱动信号精确度高，更便于系统的精确度：
简单、省事，易于实现。
但是，专用集成芯片的价格比较昂贵且不易购买；对于锻炼个人能力用专用芯片业很难达到效果。
方案二：
采用LM339、ICL8083等构成的驱动电路虽然效果不是很好，但是它完全是硬件驱动，能更好的锻炼人的知识运用和能力的开发。
两个方案相比较而言我选择方案二。
3.2.2驱动电路的设计
晶闸管门极触发信号由触发电路提供，由于晶闸管电路种类很多，如整流、逆变、交流调压、变频等；所带负载的性质也不相同，如电阻性负载、电阻—电感性负载、反电势负载等。
尽管不同情况对触发电路的要求也不同，但是其基本的要求却是相同的，具体如下
（a）触发信号应有足够的功率
这些指标在产品样本中均已标明，由于晶闸管元件门极参数分散性大，且触发电压、电流手温度影响会发生变化。
例如元件温度为1000C时触发电流、电压值比在室温时低2—3倍；元件温度为-400C时触发电流、电压值比在室温时高2—3倍；为了使元件在各种工作条件下都能可靠的触发，可参考元件出厂的实验数据或产品目录，设计触发电路的输出电压、电流值，并留有一定的裕量。
一般可取两倍左右的触发电流裕量，而触发电压按触发电流的大小来决定，但是应注意不要超过晶闸管门极允许的峰值功率和平均功率极限值。
（b）触发脉冲信号应有一定的宽度
普通晶闸管的导通时间一般为6us，故触发脉冲的宽度至少应有6us以上，对于电感性负载，由于电感会抑制电流的上升，触发脉冲的宽度应该更大些，通常为0.5ms—1ms，否则在脉冲终止时主电路电流还未上升到晶闸管的擎住电流时，此时将使晶闸管无法导通而重新恢复关断状态。
单结晶体管原理单结晶体管（简称UJT）又称基极二极管，它是一种只有PN结和两个电阻接触电极的半导体器件，它的基片为条状的高阻N型硅片，两端分别用欧姆接触引出两个基极b1和b2。
在硅片中间略偏b2一侧用合金法制作一个P区作为发射极e。
其符号和等效电如下图3.3所示。
图3.3单结晶体管的符号和等效电路图
结晶体管的特性
从图一可以看出，两基极b1和b2之间的电阻称为基极电阻。
Rbb=rb1+rb2
式中：
Rb1——第一基极与发射结之间的电阻，其数值随发射极电流ie而变化，rb2为第二基极与发射结之间的电阻，其数值与ie无关；发射结是PN结，与二极管等效。
若在两面三刀基极b2，b1间加上正电压Vbb，则A点电压为：
VA=[rb1/（rb1+rb2）]vbb=（rb1/rbb）vbb=ηVbb
式中：
η——称为分压比，其值一般在0.3—0.85之间，如果发射极电压VE由零逐渐增加，就可测得单结晶体管的伏安特性，见图3.4
图3.4单结晶体管的伏安特性
（1）当Ve〈ηVbb时，发射结处于反向偏置，管子截止，发射极只有很小的漏电流Iceo。
（2）当Ve≥ηVbb+VDVD为二极管正向压降（约为0.7V），PN结正向导通，Ie显著增加，rb1阻值迅速减小，Ve相应下降，这种电压随电流增加反而下降的特性，称为负阻特性。
管子由截止区进入负阻区的临界P称为峰点，与其对应的发射极电压和电流，分别称为峰点电压Ip和峰点电流Ip。
Ip是正向漏电流，它是使单结晶体管导通所需的最小电流，显然Vp=ηVbb。
（3）随着发射极电流Ie的不断上升，Ve不断下降，降到V点后，Ve不再下降了，这点V称为谷点，与其对应的发射极电压和电流，称为谷点电压Vv和谷点电流Iv。
（4）过了V后，发射极与第一基极间半导体内的载流子达到了饱和状态，所以uc继续增加时，ie便缓慢的上升，显然Vv是维持单结晶体管导通的最小发射极电压，如果Ve〈Vv，管子重新截止。
单结晶体管的主要参数
（1）基极间电阻Rbb发射极开路时，基极b1，b2之间的电阻，一般为2-10千欧，其数值随温度的上升而增大。
（2）分压比η由管子内部结构决定的参数，一般为0.3--0.85。
（3）eb1间反向电压Vcb1b2开路，在额定反向电压Vcb2下，基极b1与发射极e之间的反向耐压。
（4）反向电流Ieob1开路，在额定反向电压Vcb2下，eb2间的反向电流。
（5）发射极饱和压降Veo在最大发射极额定电流时，eb1间的压降。
（6）峰点电流Ip单结晶体管刚开始导通时，发射极电压为峰点电压时的发射极电流。
单结晶体管电路如下图3.5所示，波形图如图3.6所示
图3.5单结晶体管触发电路图
图3.6触发信号波形
3.3保护电路
3.3.1变压器二次侧熔断器
采用快速熔断器是电力电子装置中最有效、应用最广泛的一种过电流保护措施。
在选择快速熔断时应考虑：
（1）电压等级应根据熔断后快速熔断实际承受的电压来确定。
（2）电流容量应按其在主电路中的接入方式和主电路联接形式确定。
快速熔断一般与电力半导体器件串联连接，在小容量装置中也可串联于阀侧交流母线或直流母线中。
（3）快速熔断
值应小于被保护器件的允许
值。
（4）为保护熔体在正常过载情况下不熔化，应考虑其时间电流特性。
因为晶闸管的额定电流为10A，快速熔断器电流大于1.5倍的晶闸管额定电流，所以快速熔断器的熔断电流为15A。
3.3.2晶闸管保护电流
过流保护：
当电力电子变流装置内部某些器件被击穿或短路；驱动、触发电路或控制电路发生故障；外部出现负载过载；直流侧短路；可逆传动系统产生逆变失败；以及交流电源电压过高或高低；均能引起装置或其它元件的电流超过正常的工作电流，即出现过电流。
因此，必须对电力电子装置进行适当的过流保护。
其保护原理图如下图3.7所示。
过压保护：
设备在运行过程中，会受到由交流供电电网进入的操作过电压和雷击过电压的侵袭。
同时，设备自身运行过程中以及非正常运行中也有过电压出现。
因此，必须对电力电子装置进行适当的过压保护。
其保护原理图如下图3.8所示。
图3.7过流保护原理图
图3.8过压保护原理图
四、电路元件的选择
4.1变压器的选择
电源电压：
220V/50Hz，输出电压：
20V-50V，输出电流：
10A，设R=5Ω。
变压器一、二次侧电流：
变压器容量计算：
变压器型号的选择：
4.2整流元件的选择
由于单相桥式半控反电动势、电阻负载电路主要器件是晶闸管，所以选取元件是主要考虑晶闸管的参数及其选取原则。
4.2.1晶闸管结构
晶闸管是大功率的半导体器件，从中体结构上看，可区分为管芯及散热器两大部分，分别如下图4.1（a）、（b）、（c）所示
（a）螺栓型（b）平板型（c）符号
图4.1晶闸管管芯及符号表示图
管芯是晶闸管的本体部分，由半导体材料构成，具有上个与外电路可以连接的电极：
阳极A，阴极K和门极（或控制极）G。
晶闸管管芯的内部结构如图4.2所示，是一个四层（P1—N1—P2—N2）三端（A、K、G）的功率半导体器件。
它是在N型的硅基片（N1）的两边扩散P型半导体杂质层（P1、P2），形成两个PN结J1、J2。
再在P2层内扩散N型半导体杂质层N2又形成另一个PN结J3。
然后在相应的位置放置钼片作电极，引出阳极A，阴极K和门极G，形成了一个四层三段的大功率电子元件。
这个四层半导体器件由于三个PN结的存在，决定了它的可控导通特性。
图4.2晶闸管内部结构图
4.2.2晶闸管的工作原理
通过理论分析和实验验证标明：
（1）只有当晶闸管同时承受正向阳极电压和正向门极电压时晶闸管才能导通，两者缺一不可。
（2）晶闸管一旦导通后门极将失去控制作用，门极电压对管子随后的导通或关断均不起作用，故使晶闸管导通的门极电压不必是一个持续的直流电压，只要是一个具有一定宽度的正向脉冲电压即可，脉冲的宽度与晶闸管的开通特性及负载性质有关。
这个脉冲常称之为触发脉冲。
（3）要使已导通的晶闸管关断，必须使阳极电流降到某一数值之下（约几十毫安）。
这可以通过增大负载电阻，降低阳极电压至接近于零或施加反向阳极电压来实现。
这个能保持晶闸管导通的最小电流成为维持电流，是晶闸管的一个重要参数。
晶闸管为什么会与以上导通和关断特性，这与晶闸管内部发生的物理过程有关。
其内部结构如图4.3所示
图4.3晶闸管的等效复合三极管效应
可以看书，两个晶闸管连接的特点是一个晶闸管的集电极电流就是另一个晶体管的基极电流，当有足够的门极电流流入时，两个相互符合的晶体管电路就会形成强烈的正反馈，导致两个晶体管饱和导通，也即晶闸管的导通。
如果晶闸管承受的是反向阳极电压，由于等效晶体管均处于反压状态，无论有无门极电流，晶闸管都不能导通。
4.2.3晶闸管的基本特性
1、静态特性
静态特性又称伏安特性，指的是器件端电压与电流的关系。
这里阳极伏安特性和门极伏安特性
（1）阳极伏安特性
晶闸管的阳极伏安特性表示晶闸管阳极与阴极之间的电压与阳极之间的电流之间的关系曲线。
如图4.4所示
图4.4晶闸管阳极伏安特性
（2）门极伏安特性
晶闸管的门极与阴极间存在着一个PN结J3，门极伏安特性就是指这个PN结上正向的门极电压与门极电流之间的关系。
由于这个结的伏安特性很分散，无法找到一条典型的代表曲线，只能用一条极限高阻门极特性和一条极限低阻门极特性之间的一片区域来电表所有元件的门极伏安特性。
如图4.5阴影部分所示
图4.5晶闸管门极伏安特性
2.动态特性
晶闸管常用于低频的相控电力电子电路中，有时也在高频电力电子电路中得到应用，如逆变器等。
在高频电路应用时，需要严格的考虑晶闸管的开关特效，即开通特性和关断特性。
（1）开通特性
晶闸管由截止转为导通的过程为开通过程，如图4.6给出了晶闸管的开通特性。
在晶闸管处于正向阻断的条件下突加门极触发电流，由于奖章内部正反馈过程及外电路电感的影响，阳极电流的增长需要一定的时间。
延迟时间与上升时间之和为晶闸管的开通时间，延迟时间随门极电流的增大而减少，延迟时间和上升时间随阳极电压上升而下降。
图4.6晶闸管的开关特性
（2）关断特性
通过采用外加反压的方法将己导通的晶闸管关断。
反压可利用电源、负载和辅助换流电路来提供。
要关断已导通的晶闸管，通常给晶闸管加反向阳极电压。
晶闸管的关断，就是要使各层区内载流子消失，使元件对正向压阳极电压恢复阻断能力。
突加反向阳极电压后，由于外嗲了电感的存在，晶闸管阳极电流的下降会有一个过程，当阳极电流过零，也会出现反向恢复电流，反向电流达到最大值后，在朝反方向快速衰减接近于零，此时晶闸管恢复对反向电压的阻断能力。
五、软件仿真
5.1仿真模型及波形
图5.1仿真模型图
图5.2仿真波形
结语：
通过这次的课程设计让我不仅对电力电子的理论知识有了很深的认识也对我的实践动手能力有了很大的培养。
课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，这是我们迈向社会，从事职业工作前一个必不少的过程．”千里之行始于足下”，通过这次课程设计，我们深深体会到这句千古名言的真正含义．我们今天认真的进行课程设计，学会脚踏实地迈开这一步，就是为明天能稳健地在社会大潮中奔跑打下坚实的基础。
当然这次设计还有很多不足之处，例如对基础知识了解不够充分，导致设计过程中出现很多不必要的麻烦，所以在以后的学习构成中我会加倍学习相关知识，以弥补自己的不足。
参考文献：
1.康华光.电子技术基础（第五版）.北京：
高等教育出版社，2005
2.周克宁.电力电子技术.北京：
机械工业出版社，2004
3.陈坚.电力电子学.北京：
高等教育出版社，2010
4.王兆安，黄俊.电力电子技术.第四版。
北京：
机械工业出版社，2000
5.王维平.现代电力电子技术及应用.南京：
东南大学出版社，1999
6.王正林，王胜开.MATLAB/Simulink与控制系统仿真，2001
7.林渭勋.现代电力电子电路.杭州：
浙江大学出版社，2002
8.贾正春，马志源.电力电子学.北京：
中国电力出版社，2001
9.贾周，王金梅.基于MATLAB的单相桥式整流电路研究.内江科技，2009
10.辜欣，MATLAB在整流电路中的应用.江汉大学学报，2002
附录：
元件清单
元器件
备注
数量
整流变压器
变比为11:
1，容量至少为2.464kv·A
1个
晶闸管
KP100-4
4个
电阻
其中主电路负载电阻最大为500Ω
若干个
电感
主电路负载700mH
1个
电位器
SW-SPDT
2个
二极管
10个
芯片
TCA785
1块
熔断器
RSF-1500/80型号的。
其额定电压500V，额定电流80A.
2个
电容
C=0.25μf
若干个
脉冲变压器
2个
压敏电阻
MY31-410/3普通型压敏电阻器，其标称电压410V，通流容量为3KA。
3个
系统电路图
升级会员 