单相桥式整流电路设计docx.docx
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《电力电子技术》课程设计任务书
、设计课题一
单相桥式整流电路设计
、设计要求
1、单相桥式相控整流的设计要求为：
负载为感性负载丄=700mH,R=500欧姆.
2、技术要求:
（1）.电网供电电压为单相220V；
（2）.电网电压波动为+5%－-10%；
（3）.输出电压为0〜100V.
在整个设计中要注意培养灵活运用所学的电力电子技术知识和创造性的思维方式以及创造能力要求具体电路方案的选择必须有论证说明，要说明其有哪些特点。
主电路具体电路元
器件的选择应有计算和说明。
课程设计从确定方案到整个系统的设计，必须在检索、阅读及分析研究大量的相关文献的基础上，经过剖析、提炼，设计出所要求的电路（或装置）。
课程设计中要不断提出问题，并给出这些问题的解决方法和自己的研究体会。
在整个设计中要注意培养独立分析和独立解决问题的能力要求学生在教师的指导下，独力完成所设计的系统主电路、控制电路等详细的设计（包括计算和器件选型）。
严禁抄袭，严禁两篇设计报告基本相同，甚至完全一样。
课题设计的主要内容是主电路的确定，主电路的分析说明，主电路元器件的计算和选型，以及控制电路设计。
报告最后给出所设计的主电路和控制电路标准电路图
、八
前言
电力电子学,又称功率电子学（PowerElectronics）。
它主要研究各种电力电子器件，以及由这些电力电子器件所构成的各式各样的电路或装置，以完成对电能的变换和控制。
它既是电子学在强电（高电压、大电流）或电工领域的一个分支，又是电工学在弱电（低电压、小电流）或电子领域的一个分支，或者说是强弱电相结合的新科学。
电力电子学是横跨“电子”、“电力”和“控制”三个领域的一个新兴工程技术学科。
随着科学技术的日益发展,人们对电路的要求也越来越高,由于在生产实际中需要大小可调的直流电源,而相控整流电路结构简单、控制方便、性能稳定,利用它可以方便地得到大中、小各种容量的直流电能,是目前获得直流电能的主要方法,得到了广泛应用。
但是晶杂管相控整流电路中随着触发角a的增大，电
流中谐波分量相应增大，因此功率因素很低。
把逆变电路中的SPW控制技术用
于整流电路，就构成了PWM整流电路。
通过对PWM整流电路的适当控制，可以使其输入电流非常接近正弦波，且和输入电压同相位，功率因素近似为1。
这种整
流电路称为高功率因素整流器，它具有广泛的应用前景
由于电力电子技术是将电子技术和控制技术引入传统的电力技术领域，利用半导体电力开关器件组成各种电力变换电路实现电能和变换和控制，而构成的一门完整的学科。
故其学习方法与电子技术和控制技术有很多相似之处，因此要学好这门课就必须做好实验和课程设计，因而我们进行了此次课程设计。
又因为整流电路应用非常广泛，而锯齿波移相触发三相晶闸管全控整流电路又有利于夯实基础，故我们单结晶体管触发的单相晶闸管全控整流电路这一课题作为这一课程的课程设计的课题。
任务书,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,1
、尸■、亠
前言,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,2
目录,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,3
第1章方案的选择,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,4
1.1元器件的选择,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,4
1.2整流电路,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,6
第2章辅助电路的设计,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,9
2.1驱动电路的设计,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,9
2.2保护电路的设计,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,13
2.3过压保护,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,14
2.4电流上升率、电压上升率的抑制保护,,,,,,,,,,,,,15第3章主体电路的设计,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,16
3.1主要电路原理及说明,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,16
3.2感性负载可控整流电路,,,,,,,,,,,,,,,,,,,16
3.3主电路的设计,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,18
3.4主要元器件的说明,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,18
3.5性能指标分析,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,20
第4章设计总结,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,21参考文献,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,22
7丿Ii-J/V
附录I单相全控桥式整流电路主电路原理图,,,,,,,,,,23附录II元器件清单,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,23
第1章方案的选择
单相桥式整流电路可分为单相桥式相控整流电路和单相桥式半控整流电路，它们所连接的负载性质不同就会有不同的特点。
下面分析两种单相桥式整流电路在带电感性负载的工作情况。
单相半控整流电路的优点是：
线路简单、调整方便。
弱点是：
输出电压脉动冲大，负载电流脉冲大（电阻性负载时），且整流变压器二次绕组中存在直流分量,使铁心磁化，变压器不能充分利用。
而单相全控式整流电路具有输出电流脉动小，功率因数高，变压器二次电流为两个等大反向的半波，没有直流磁化问题，变压器利用率高的优点。
单相全控式整流电路其输出平均电压是半波整流电路2倍，在相同的负载下
流过晶闸管的平均电流减小一半；且功率因数提高了一半。
单相半波相控整流电路因其性能较差，实际中很少采用，在中小功率场合采用更多的是单相全控桥式整流电路。
根据以上的比较分析因此选择的方案为单相全控桥式整流电路（负载为阻感性负载）。
1.1元器件的选择
1.1.1晶闸管的介绍
晶管又称为晶体闸流管，可控硅整流（SiliconControlledRectifier--SCR），开辟了电力电子技术迅速发展和广泛应用的崭新时代;20世纪80年代以来，开始被性能更好的全控型器件取代。
能承受的电压和电流容量最高，工作可靠，以被广泛应用于相控整流、逆变、交流调压、直流变换等领域，成为功率低频（200Hz以下）装置中的主要器件。
晶闸管往往专指晶闸管的一种基本类型--普通晶闸管。
广义上讲，晶闸管还包括其许多类型的派生器件
1）晶闸管的结构晶闸管是大功率器件，工作时产生大量的热，因此必须安装散热器。
晶闸管有螺栓型和平板型两种封装
引出阳极A、阴极K和门极（或称栅极）G三个联接端。
对于螺栓型封装，通常螺栓是其阳极，能与散热器紧密联接且安装方便平板型封装的晶闸管可由两个散热器将其夹在中间
内部结构:
四层三个结如图1.1
图1.1晶闸管的外形、内部结构、电气图形符号和模块外形
a）晶闸管外形b）内部结构c）电气图形符号d）模块外形
2）晶闸管的工作原理图
晶闸管由四层半导体（Pi、Ni、R、N2）组成，形成三个结Ji（P1N1）、J2（N1P2）、J3（P2N2），并分别从Pi、P2、N2引入A、G、K三个电极，如图1.2（左）所示。
由于具有扩散工艺，具有三结四层结构的普通晶闸管可以等效成如图1.2
（右）所示的两个晶闸管T1（P1-N1-P2）和（N1-P2-N2）组成的等效电路。
图1.2晶闸管的内部结构和等效电路
晶闸管的驱动过程更多的是称为触发，产生注入门极的触发电流IG的电路称为门极触发电路。
也正是由于能过门极只能控制其开通，不能控制其关断，晶闸管才被称为半控型器件。
其他几种可能导通的情况：
1阳极电压升高至相当高的数值造成雪崩效应
2阳极电压上升率du/dt过高
3结温较高
4光直接照射硅片，即光触发：
光控晶闸管
只有门极触发是最精确、迅速而可靠的控制手段
1.1.2可关断晶闸管
可关断晶闸管简称GTO。
可关断晶闸管的结构
GTO的内部结构与普通晶闸管相同，都是PNPN四层结构，外部引出阳极
A、阴极K和门极G如图1.3。
和普通晶闸管不同，GTO是一种多元胞的功率
集成器件，内部包含十个甚至数百个共阳极的小GTO元胞，这些GTO元胞的阴极和门极在器件内部并联在一起，使器件的功率可以到达相当大的数值。
（a）（b）（c>
图1.3GTO的结构、等效电路和图形符号
1）可关断晶闸管的工作原理
GTO的导通机理与SCR是完全一样的。
GTO一旦导通之后，门极信号是可以撤除的，在制作时采用特殊的工艺使管子导通后处于临界饱和，而不像普通
晶闸管那样处于深饱和状态，这样可以用门极负脉冲电流破坏临界饱和状态使其关断。
GTO在关断机理上与SCR是不同的。
门极加负脉冲即从门极抽出电流（即抽出饱和导通时储存的大量载流子），强烈正反馈使器件退出饱和而关断。
1.1.3晶闸管的派生器件
在晶闸管的家族中，除了最常用的普通型晶闸管之外，根据不同的的实际需要，珩生出了一系列的派生器件，主要有快速晶闸管（FST）、双向晶闸管
（TRIAL）、可关断晶闸管（GTO）、逆导晶闸管、（RCT）和光控晶闸管。
可关断晶闸管具有普通晶闸管的全部优点，如耐压高，电流大等。
同时它又是全控型器件，即在门极正脉冲电流触发下导通，在负脉冲电流触发下关断。
故我们选择可关断晶闸管。
1.2整流电路
我们知道，单相整流器的电路形式是各种各样的，整流的结构也是比较多的因此在做设计之前我们主要考虑了以下几种方案：
方案1：
单相桥式半控整流电路
电路简图如下：
图1.4
对每个导电回路进行控制，相对于全控桥而言少了一个控制器件，用二极管代替，有利于降低损耗！
如果不加续流二极管，当a突然增大至180°或出发脉冲丢失时，由于电感储能不经变压器二次绕组释放，只是消耗在负载电阻上，会发生一个晶闸管导通而两个二极管轮流导通的情况，这使Ud成为正弦半波，即半周期ud为正弦，另外半周期为ud为零，其平均值保持稳定，相当于单相半波不可控整流电路时的波形，即为失控。
所以必须加续流二极管，以免发生失控现象。
方案2:
单相桥式全控整流电路
图1.5
此电路对每个导电回路进行控制，无须用续流二极管，也不会失控现象，负载形式多样，整流效果好，波形平稳，应用广泛。
变压器二次绕组中，正负两个半周电流方向相反且波形对称，平均值为零，即直流分量为零，不存在变压器直
流磁化问题，变压器的利用率也高
图1.6
此电路只需要一个可控器件，电路比较简单，VT的a移相范围为180。
但输出脉动大，变压器二次侧电流中含直流分量，造成变压器铁芯直流磁化。
为使变压器铁心不饱和，需增大铁心截面积，增大了设备的容量。
实际上很少应用此种电路。
方案4:
单相全波可控整流电路：
电路简图如下：
图1.7
此电路变压器是带中心抽头的，结构比较复杂，只要用2个可控器件，单相全波只用2个晶闸管，比单相全控桥少2个，因此少了一个管压降，相应地，门极驱动电路也少2个，但是晶闸管承受的最大电压是单相全控桥的2倍。
不存在直流磁化的问题，适用于输出低压的场合作电流脉冲大（电阻性负载时），，且整流变压器二次绕组中存在直流分量，使铁心磁化，变压器不能充分利用。
而单相全控式整流电路具有输出电流脉动小，功率因数高，变压器二次电流为两个等大反向的半波，没有直流磁化问题，变压器利用率高的优点。
相同的负载下流过晶闸管的平单相全控式整流电路其输出平均电压是半波整流电路2倍，在均电流
减小一半；且功率因数提高了一半。
根据以上的比较分析因此选择的方案为单相全控桥式整流电路（负载为阻感性负
载）。
综上所述，针对他们的优缺点，我们采用方案二，即单相桥式全控整流电
路。
第2章辅助电路的设计
2.i驱动电路的设计
2.i.i触发电路的论证与选择
i）单结晶体管的工作原理
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bi和5。
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Q其结构，符号和等效电如图2.i所示。
2）单结晶体管的特性
从图一可以看出，两基极bi和b2之间的电阻称为基极电阻
Rbt=rbi+rb2
式中：
Rbi――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，bi间加上正电压Vbb，则A点电压为：
VA=[rbi/（rbi+rb2）]vbb=（rbi/rbb）vbb=nVb
式中：
n――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2.2:
图22单结晶体管的伏安特性
（1）当Ve〈nVbb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》nVbb+VDVD为二极管正向压降（约为0.7V）,PN结正向导
通，le显著增加，rbl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=nVbb。
（3）随着发射极电流le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lv。
（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bi，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n由管子内部结构决定的参数，一般为0.3--0.85。
3ebi间反向电压Vcbib2开路，在额定反向电压Vcb2下，基极bi与发射极e之间的反向耐压。
4反向电流leobi开路，在额定反向电压Vcb2下，eb?
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，ebi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。
2.1.2触发电路
晶闸管触发主要有移相触发、过零触发和脉冲列调制触发等。
触发电路对其产生的触发脉冲要求：
1触发信号可为直流、交流或脉冲电压。
2触发信号应有足够的功率（触发电压和触发电流）。
3触发脉冲应有一定的宽度，脉冲的前沿尽可能陡，以使元件在触发导通后，阳极电流能迅速上升超过掣住电流而维持导通。
4触发脉冲必须与晶闸管的阳极电压同步，脉冲移相范围必须满足电路要求。
1）单结晶体管触发电路
由单结晶体管构成的触发电路具有简单、可靠、抗干扰能力强、温度补偿性能好，脉冲前沿徒等优点，在容量小的晶闸管装置中得到了广泛应用。
他由自激震荡、同步电源、移相、脉冲形成等部分组成，电路图如图2.3（a）所示。
2）单结晶体管自激震荡电路
利用单结晶体管的负阻特性与RC电路的充放电可组成自激振荡电路，产生频率可变的脉冲。
从图2.3（a）可知，经D1-D2整流后的直流电源UZ一路径R2、Ri加在单结晶体管两个基极bi、b2之间，另一路通过Re对电容C充电，发射极电压ue=uc按指数规律上升。
Uc刚冲点到大于峰点转折电压Up的瞬间，管子e-bi间的电阻突然变小，开始导通。
电容C开始通过管子e-bi迅速向Ri放电，由于放电回路电阻很小，故放电时间很短。
随着电容C放电，电压Ue小于一定值，管子BT又由导通转入截止，然后电源又重新对电容C充电，上述过程不断重复。
在电容上形成锯齿波震荡电压，在Ri上得到一系列前沿很陡的触发尖脉冲us,如图2.3（b）所示，
22QV
On—
图2.3单结晶体管触发电路及波形
其震荡频率为
f=1/T=1/ReCLn（1/1-n）
式中n=0.3〜0.9是单结晶体管的分压比。
即调节Re,可调节振荡频率i
2.1.3同步电源T
步电压又变压器TB获得，而同步变压器与主电路接至同一电源，故同步电压于主电压同相位、同频率。
同步电压经桥式整流、稳压管Dz削波为梯形波Lbz,而削波后的最大值Uz既是同步信号，又是触发电路电源.当Udz过零时，电容C经e-bi、Ri迅速放电到零电压.这就是说，每半周开始，电容C都从零开始充电，进而保证每周期触发电路送出第一个脉冲距离过零的时刻（即控制角a）一致，实现同步.
2.1.4移相控制
当Re增大时，单结晶体管发射极充电到峰点电压Up的时间增大，第一个脉冲出现的时刻推迟，即控制角a增大，实现了移相。
2.1.5脉冲输出
触发脉冲Ug由R1直接取出，这种方法简单、经济，但触发电路与主电路有
直接的电联系，不安全。
对于晶闸管串联接法的全控桥电路无法工作。
所以一般
采用脉冲变压器输出。
2.2保护电路的设计
2.2.1保护电路的论证与选择
电力电子系统在发生故障时可能会发生过流、过压，造成开关器件的永久性
损坏。
过流、过压保护包括器件保护和系统保护两个方面。
检测开关器件的电流、电压，保护主电路中的开关器件，防止过流、过压损坏开关器件。
检测系统电源输入、输出及负载的电流、电压，实时保护系统，防止系统崩溃而造成事故。
例如，R-C阻容吸收回路、限流电感、快速熔断器、压敏电阻或硒堆等。
再一种则是采用电子保护电路，检测设备的输出电压或输入电流，当输出电压或输入电流超过允许值时，借助整流触发控制系统使整流桥短时内工作于有源逆变工作状态，从而抑制过电压或过电流的数值。
2.2.2过电流保护
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过低；均能引起装置或其他元件的电流超过正常工作电流，即出现过电流。
因此，必须对电力电子装置进行适当的过电流保护。
采用快速熔断器作过电流保护，其接线图（见图2.4）。
熔断器是最简单的过电流保护元件，但最普通的熔断器由于熔断特性不合适，很可能在晶闸管烧坏后熔断器还没有熔断，快速熔断器有较好的快速熔断特性，一旦发生过电流可及时熔断起到保护作用。
最好的办法是晶闸管元件上直接串快熔，因流过快熔电流和晶闸
管的电流相同，所以对元件的保护作用最好，这里就应用这一方法快熔抑制过电流电路图如下图所示：
A型B型C型
A型熔断器
特点：
是熔断器与每一个元件串连，能可靠的保护每一个元件
B型熔断器
特点：
能在交流、直流和元件短路时起保护作用，其可靠性稍有降低
C型熔断器
特点：
直流负载侧有故障时动作，元件内部短路时不能起保护作用
对于第二类过流，即整流桥负载外电路发生短路而引起的过电流，贝U应当
采用电子电路进行保护。
常见的电子保护原理图如2.9所示
过流猿定给定備移.
图2.5过流保护原理图
2.3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，设备自身运行中以及非正常运行中也有过电压出现。
过电压保护的第一种方法是并接R-C阻容吸收回路，以及用压敏电阻或硒
堆等非线性元件加以抑制。
见图2.5和图2.6
过电压保护的第二种方法是采用电子电路进行保护。
常见的电子保护原图
如图2.7所示：
过压協定
图2.7过电压保护电路
2.4电流上升率、电压上升率的抑制保护
1）电流上升率di/dt的抑制
晶闸管初开通时电流集中在靠近门极的阴极表面较小的区域，局部电流密度
很大，然后以0.1mm/ys的扩展速度将电流扩展到整个阴极面，若晶闸管开通时电流上升率di/dt过大，会导致PN结击穿，必须限制晶闸管的电流上升率使其在合适的范围内。
其有效办法是在晶闸管的阳极回路串联入电感。
如下图2.8所示:
图2.8串联电感抑制回路
2）电压上升率dv/dt的抑制
加在晶闸管上的正向电压上升率dv/dt也应有所限制，如果dv/dt过大，由于
晶闸管结电容的存在而产生较大的位移电流，该电流可以实际上起到触发电流的
作用，使晶闸管正向阻断能力下降，严重时引起晶闸管误导通。
为抑制dv/dt的
作用，可以在晶闸管两端并联R-C阻容吸收回路。
如图2.9所示：
第3章主体电路的设计
3.1主要电路原理及说明当负载由电阻和电感组成时称为阻感性负载。
例如各种电机的励磁绕组,整
流输出端接有平波电抗器的负载等等。
单相桥式整流电路带阻感性负载的电路如图5.1所示。
由于电感储能,而且储能不能突变因此电感中的电流不能突变,即电感具有阻碍电流变化的作用。
当流过电感中的电流变化时,在电感两端将产生感应电动势,引起电压降UL负载中电感量的大小不同，整流电路的工作情况及输出Ud、id的波形具有不同的特点。
当负载电感量L较小（即负载阻抗角©）,控制角a>©时，负载上的电流不连续；当电感L增大时，负载上的电流不连续的可能性就会减小；当电感L很大，且3Ld>>Rd示时，这种负载称为大电感负载。
此时大电感阻止负载中电流的变化，负载电流连续，可看作一条水平直线。
各电量的波形图如图
3.1所示。
在电源电压U2正半周期间，晶闸管Ti、T2承受正向电压，若在3t=a时触发，T1、T2导通，电流经T1、负载、T2和Tr二次形成回路，但由于大电感的存在，u2过零变负时，电感上的感应电动势使T1、T2继续导通，直到T3、T4被触发时，T1、T2承受反向电压而截止。
输出电压的波形出现了负值部分。
在电源电压U2负半周期间，晶闸管T3、T4承受正向电压，在3t=a+n时触发，T3、T4导通，T1、T2反向则制，负载电流从T1、T2中换流至T3、
T4中。
在3t=2n时，电压U2过零，T3、T4因电感中的感应电动势一直导通，直到下个周期T1、T2导通时，T3、T4因加反向电压才截止。
值得注意的是，只有当a〈二n/2时，负载电流才连续，当a>n/2时，负载电流不连续，而且输出电压的平均值均接近于零，因此这种电路控制角的移相范围是0—n/2。
3.2电感负载可控整流电路
3.2.1单相全控桥式整流电路
在生产实践中，除了电阻性负载外，最常见的负载还有电感性负载，如电动机的励磁绕组，整流电路中串入的滤波电抗器等。
为了便于分析和计算，在电路图中将电阻和电感分开表示。
当整流电路带电感性负载时，整流工作的物理过程和电压、电流波形都与
带电阻性负载时不同。
因为电感对电流的变化有阻碍作用，即电感元件中的电流
图3.1单相全控桥式整流电路电感性负载及其波形
（a）电路；（b）电源电压；（c）触发脉冲；（
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