单相全控桥式晶闸管整流电路（反电势、电阻）的设计Word下载.doc
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保护电路包括过电压保护，过电流保护，du/dt保护，di/dt保护。
之后对整体电路进行Matlab仿真，最后对仿真结果进行分析与总结。
目录
前言 1
一、题目要求 3
1.设计条件 3
2.主要任务 3
二、主电路设计 3
1.主电路原理图 3
2.主电路工作原理 3
3.参数计算 4
4.晶闸管元件的选型 5
5.晶闸管电路对电网的影响 6
三、晶闸管的触发电路设计 6
1.KJ004芯片简介 7
2.芯片工作原理 7
3.芯片封装 7
4.芯片电参数 8
5.相控触发工作原理及电路原理图 8
四、保护电路的设计 9
1．过电压保护电路设计 9
2.过电流保护电路设计 10
3．电流上升率、电压上升率的抑制保护 11
五、系统仿真 12
1.仿真模型 12
2.仿真结果 12
六、总结感想 15
七、感谢 16
八、参考文献 16
附录:
17
一、题目要求
1.设计条件：
1）电源电压：
交流100V/50Hz
2）输出功率：
1000W
3）移相范围30°
~150°
4）反电势：
E=70V
2.主要任务：
1）主电路设计（包括整理元件定额的选择和计算等），讨论晶闸管电路对电网及系统功率因数的影响。
2）触发电路设计：
触发电路选型（可使用集成触发器），同步信号的产生等。
3）晶闸管的过电压保护与过电流保护电路设计，计算保护元件参数并选择保护元件型号。
4）提供系统电路图纸不少于一张。
5）利用仿真软件分析电路的工作过程。
二、主电路设计
1.主电路原理图
图2.1单相全控桥式晶闸管整流电路
2.主电路工作原理
当忽略主电路各部分的电感时，只有在u2瞬时值的绝对值大于反电动势|u2|>
E时，才有晶闸管承受正电压，有导通的可能。
晶闸管导通之后，，，直至|u2|=E,id即降至0使得晶闸管关断，此后。
与电阻负载时相比，晶闸管提前了电角度，如图2.2所示，称为停止导电角。
图2.2输出电压电流波形
3.参数计算
（1）停止导电角
由图可得，，所以满足要求中的移相角范围30。
—150。
。
（2）最大输出电压平均值
分析图2.2可得，当时，输出电压平均值取得最大值
（3）负载电阻R
当晶闸管阻断时，电流为0，输出功率为零，当晶闸管导通时，最大输出功率为
得
（4）最大输出电流平均值
（5）最大输出电流有效值
（6）流过晶闸管的最大电流有效值
（7）流过晶闸管的最大电流平均值
4.晶闸管元件的选型
（1）额定电压
晶闸管所承受的最大电压为
选用额定电压时，额定电压要留有一定裕量，取正常工作时晶闸管所承受峰值的2-3倍
故，取424.2V。
（2）额定电流
额定电流一般取晶闸管通态平均电流的1.5-2倍，由3中的计算结果可得，取
取晶闸管额定电流为9.570A。
国产晶闸管参数如下：
图2.3各种晶闸管参数
根据表格，可取4个KPI0普通晶闸管
5.晶闸管电路对电网的影响
晶闸管作为一种电力电子装置，难免会对电网产生不利影响，突出表现为以下几个方面。
晶闸管电路中产生的谐波对电网的危害包括：
（1）谐波影响各种电气设备的正常工作，例如使电机发生机械振动、使变
压器局部严重过热等。
（2）谐波使电网中的元件产生附加的谐波损耗，降低发电、输电及用电设
备的效率，甚至会使线路过热而发生火灾。
（3）谐波会引起电网中局部的并联谐振，从而使谐波放大，危害加大，甚至引起严重事故。
（4）谐波会对临近通讯系统产生干扰，轻者产生噪声，降低通信质量，重者导致信息丢失，使通信系统无法正常工作。
（5）谐波还会导致继电保护和自动装置的误动作，并使电器测量仪表计量不准确
晶闸管电路产生的无功功率对电网带来的不利影响包括：
（1）无功功率会导致电流增大和视在功率增加，导致设备容量增加。
（2）无功功率增加，会使总电流增加，从而使设备和线路的损耗增加。
（3）使线路的压降增大，冲击性无功负载还会使电压剧烈波动。
三、晶闸管的触发电路设计
晶闸管是半控型电流驱动型器件，其触发电路的作用是产生符合要求的门极触发脉冲，保证晶闸管在需要的时刻有阻断转为导通。
晶闸管触发电路往往包括触发脉冲的放大和输出环节以及对其触发时刻进行控制的相位控制电路。
本次设计的触发电路主要有芯片KJ004构成。
1.KJ004芯片简介
KJ004可控硅移相触发电路适用于单相、三相全控桥式供电装置中,作可控硅的双路脉冲移相触发。
器件输出两路相差180度的移相脉冲,可以方便地构成全控桥式触发器线路。
电路具有输出负载能力大、移相性能好、正负半周脉冲相位均衡性好、移相范围宽、对同步电压要求低,有脉冲列调制输出端等功能与特点。
2.芯片工作原理
电路由同步检测电路、锯齿波形成电路、偏形电压、移相电压及锯齿波电压综合比较放大电路和功率放大电路四部分组成。
电原理见下图：
锯齿波的斜率决定于外接电阻R6、RW1,流出的充电电流和积分电容C1的数值。
对不同的移相控制电压VY,只有改变权电阻R1、R2的比例,调节相应的偏移电压VP。
同时调整锯齿波斜率电位器RW1,可以使不同的移相控制电压获得整个移相范围。
触发电路为正极性型,即移相电压增加,导通角增大。
R7和C2形成微分电路,改变R7和C2的值,可获得不同的脉宽输出的同步电压为任意值。
图3.1KJ004内部原理图
3.芯片封装
电路采用双列直插C—16白瓷和黑瓷两种外壳封装,外形尺寸按电子工业部部颁标准。
《半导体集成电路外形尺寸》SJll00—76
图3.2KJ004芯片封装图
功能
输出
空
锯齿波形成
-Vee（1kΩ）
地
同步输入
综合比较
微分阻容
封锁调制
+Vcc
引线脚号
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
图3.3KJ004芯片各引脚功能
4.芯片电参数
1.电源电压：
直流+15V、-15V,允许波动土5％（±
10％时功能正常）。
2.KJ004电源电流：
正电流≤15mA,负电流≤10mA。
3.同步电压：
任意值。
4.同步输入端允许最大同步电流：
6mA（有效值）
5.移相范围≥1700（同步电压30V,同步输入电阻15kΩ）
6.锯齿波幅度：
≥10V（幅度以锯齿波平顶为准）。
7.输出脉冲：
（1）宽度：
400μS—2mS（通过改变脉宽阻容元件达到）。
（2）幅度：
≥13V。
（3）最大输出能力100mA（流出脉冲电流）。
（4）输出管反压：
BVCEO≥18V（测试条件Ie≤100μA）。
8.正负半周脉冲相位不均衡≤±
30。
9.使用环境温度为四级：
C：
0—70℃R：
-55—85℃E：
-40—85℃M：
-55—125℃
5.相控触发工作原理及电路原理图
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。
可控硅移相触发电路具有简单、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3.4所示。
图3.4晶闸管触发电路（大图详见附录）
四、保护电路的设计
在电力电子器件电路中，除了电力电子器件参数要选择合适，驱动电路设计良好外，采用合适的过电压保护，过电流保护，du/dt保护和di/dt保护也是必不可少的。
1．过电压保护电路设计
所谓过压保护，即指流过晶闸管两端的电压值超过晶闸管在正常工作时所能承受的最大峰值电压Um都称为过电压。
产生过电压的原因一般由静电感应、雷击或突然切断电感回路电流时电磁感应所引起。
其中，对雷击产生的过电压，需在变压器的初级侧接上避雷器，以保护变压器本身的安全；
而对突然切断电感回路电流时电磁感应所引起的过电压，一般发生在交流侧、直流侧和器件上，因而，下面介绍单相桥式全控整流主电路的电压保护方法。
（1）直流侧与交流侧过电压保护
采用阻容保护易影响系统的快速性，并且会造成di/dt加大。
因此，一般不采用阻容保护，而只用压敏电阻作过电压保护。
（2）晶闸管过电压保护
抑制晶闸管关断过电与一般采用在晶闸管两端并联阻容保护电路，一般由经验值表确定阻容参数值。
晶闸管额定电流/A
20
50
电容/uF
0.1
0.15
0.2
电阻/Ω
100
80
40
图4.1经验值表
2.过电流保护电路设计
电力电子电路运行不正常或者发生故障时，可能会发生过电流现象。
过电流分载和短路两种情况。
一般电力电子均同时采用几种过电压保护措施，怪提高保护的可靠性和合理性。
在选择各种保护措施时应注意相互协调。
通常，电子电路作为第一保护措施，快速熔断器只作为短路时的部分区断的保护，直流快速断路器在电子电力动作之后实现保护，过电流继电器在过载时动作。
在选择快熔时应考虑：
1）电压等级应根据快熔熔断后实际承受的电压来确定。
2）电流容量应按照其在主电路中的接入方式和主电路连接形式确定。
快熔一般与电力半导体体器件串联连接，在小容量装置中也可串接于阀侧交流母线或直流母线中。
3）快熔的It值应小于被保护器件的允许It值。
4）为保证熔体在正常过载情况下不熔化，应考虑其时间电流特性。
快熔对器件的保护方式分为全保护和短保护两种。
全保护是指无论过载还是短路均由快熔进行保护，此方式只适用于小功率装置或器件使用裕量较大的场合。
短路保护方式是指快熔只要短路电流较大的区域内起保护作用，此方式需与其他过电流保护措施相配合。
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
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