单相桥式整流电路设计.docx

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单相桥式整流电路设计

一、设计课题一

单相桥式整流电路设计

二、设计要求

1、单相桥式相控整流得设计要求为：

负载为感性负载丄二600H,R=500欧姆、

2、技术要求：

⑴、

⑵、

⑶、

《电力电子技术》课程设计任务书

电网供电电压为单相220V;

电网电压菠动为+5%--10%：

输出电压为0〜200V

在整个设计中要注意培养灵活运用所学得电力电子技术知识与创造性得思维方式以及创造能力要求具体电路方案得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得选择应有计算与说明。

课程设计从确定方案到整个系统得设计，必须在检索、阅读及分析研究大量得相关文献得基础上,经过剖析、提炼，设计出所要求得电路（或装置）。

课程设计中要不断提出问題,并给出这些问題得解决方法与自己得研究体会。

在整个设计中要注意培养独立分析与独立解决问題得能力

随着科学技术得日益发展，人们对电路得要求也越来越高，由于在生产实际中需要大小可调得直流电源，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、小各种容量得直流电能，就是目前获得直流电能得主要方法，得到了广泛应用。

但就是晶杂管相控整流电路中随着触发角a得增大,电流中谐波分量相应增大，因此功率因素很低。

把逆变电路中得SPWM控制技术用于整流电路，就构成了PWM整流电路。

通过对PWM整流电路得适当控制，可以使其

输入电流非常接近正弦波，且与输入电压同相位，功率因素近似为1。

这种整流电路称为高功率因素整流器，它具有广泛得应用前景

第1章方案得选择

单相桥式整流电路可分为单相桥式相控整流电路与单相桥式半控整流电路,它们所连接得负栽性质不同就会有不同得特点。

下面分析两种单相桥式整流电路在带电感性负载得工作情况。

单相半控整流电路得优点就是：

线路简单、调整方便。

弱点就是：

输出电压脉动冲大，负载电流脉冲大（电阻性负载吋），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得半波，没有直流黴化问题，变压器利用率高得优点。

单相全控式整流电路其输出平均电压就是半波整流电路2倍，在相同得负载下流过晶闸管得平均电流减小一半；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得就是单相全控桥式整流电路。

根据以上得比较分析因此选择得方案为单相全控桥式整流电路（负载为阻感性负载）-

1、1元器件得选择

1.1.1晶闸管得介绍

1）晶闸管得结构

晶闸管就是大功率器件，工作叶产生大量得热，因此必须安装散热器。

晶闸管有螺栓型与平板型两种封装

引出阳极A、阴极K与门极（或称栅极）G三个联接端。

对于螺栓型封装，通常螺栓就是其阳极，能与散热器紧密联接且安装方便

平板型封装得晶闸管可由两个散热器将其夹在中间

内部结构：

四层三个结如图仁1

2.晶闸管得工作原理图

晶闸管由四层半字体P、N,.P2、怙）组成，形成三个结J,（P,N.）.J2（NF2）、J3（P2N2）,并分别从円、Pz、N?

引入A、G、K三个电极，如图1、2（左）所示。

由于具有扩散工艺，具有三结四层结构得普通晶闸管可以等效成如图1、2（右）所示得两个晶闸管T,（Pi-N卜P2）与（N-P^-Nj）组成得等效电路。

1.1.2可关斷晶闸管

可关断晶闸管简称GTO。

可关断晶闸管得结构

GTO得内部结构与普通晶闸管相同，都就是PNPN四层结构，外部引出阳极A、阴极K与门极G如图1、3。

与普通晶闸管不同，GTO就是一种多元胞得功率集成器件，內部包含十个甚至数百个共阳极得小GTO元胞，这些GTO元胞得阴极与门极在器件內部并联在一起，使器件得功率可以到达相当大得数值。

1）可关断晶闸管得工作原理

GTO得字通机理与SCR就是完全一样得。

6T0一旦字通之后，门极信号就是可以撤除得，在制作时釆用特殊得工艺使管子字通后处于临界饱与，而不像普通晶闸管那样处于深饱与状态，这样可以用门极负脉冲电流破坏临界饱与状态使其关斷。

GTO在关断机理上与SCR就是不同得。

门极加负脉冲即从门极抽出电流（即抽出饱与导通时储存得大量栽流予），强烈正反馈使器件退出饱与而关斷。

1.1.3晶闸管得派生器件

在晶闸管得家族中，除了最常用得普通型晶闸管之外，根据不同得得实际需要,術生出了一系列得派生器件，主要有快速晶闸管（FST）、双向晶闸管（TRIAL）、可关斷晶闸管（GTO）、逆导晶闸管、（RCT）与光控晶闸管。

可关斷晶闸管具有普通晶闸管得全部优点，如耐压高，电流大等。

同时它又就是全控型器件，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。

故我们选择可关斷晶闸管。

1、2整流电路

我们知道，单相整流器得电路形式就是各种各样得，整流得结构也就是比较多得。

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

对每个字电回路进行控制，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究然增大至180°或出发脉冲丟失时，由于电感储能不经变压器二次绕组释放，只就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得情况，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得波形，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

电路简图如下：

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，不存在变压器直流礁化问題，变压器得利用率也高。

综上所述，针对她们得优缺点，我们釆用方案二，即单相桥式全控整流电

路。

第2章辅助电路得设计

2、1驱动电路得设计

2.1.1触发电路得论证与选择

1）单结晶体管得工作原理

单结晶体管原理单结晶体管（简称UJT）又称基极二极管，它就是一种只有PN结与两个电阻接触电极得半导体器件，它得基片为条状得高阻N型硅片，两端分别用欧姆接触引出两个基极b与b"在硅片中间略偏b?

—侧用合金法制作一个P区作为发射极e。

其结构，符号与等效电如图2、1所示。

2）单结晶体管得特性

从图一可以瞧出，两基•极b与b2之间得电阻称为基极电阻。

Rb尸rbi+rbj

式中：

Rb,——第一基极与发射结之间得电阻，其数值随发射极电流.J而变化，rb2为第二基极与发射结之间得电阻，其数值与ie无关；发射结就是PN结，与二极管等效。

若在两面三刀基•极b2,b|间加上正电压Vbb,则A点电压为：

VA=[rbi/（rbi+rb；）]vbF（rbi/rbjvbb=t\Vb-

式中：

Tl——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得伏安特性，见图2、2：

（1）当V。

＜TiVb.Ot,发射结处于反向偏置，管子截止，发射极只有很小得漏电流

CflOO

（2）当V3qg+VDVD为二极管正向压降（约为0、7V）,PN结正向导通，J显著增加，rbi阻值迅速减小，讥相应下降，这种电压随电流增加反而下降得特性，称为负阻特性。

管子由截止区进入负阻区得临界P称为峰点，与其对应得发射极电压与电流，分别称为峰点电压Ip与峰点电流IpoIp就是正向漏电流，它就是使单结晶体管导通所需得最小电流，显然V=TlVb,o

（3）随着发射极电流I。

得不斷上升,V。

不斷下降，降到V点后，Ve不再下降了，这点V称为谷点，与其对应得发射极电压与电流,称为谷点电压此与谷点电流I汕

（4）过了V后，发射极与第一基■极间半字体内得载流子达到了饱与状态，所以Uc继续增加时，i。

便缓慢得上升，显然认就是维持单结晶体管导通得最小发射极电压，如果£〈V“管子重新截止。

单结晶体管得主要参数

1基■极间电阻Rbb发射极开路时，基极b“b2之间得电阻，一般为2-10千欧，其数值随温度得上升而增大。

2分压比n由管子内部结构决定得参数，一般为0、3—0.85。

3eb间反向电压Vcbb2开路，在额定反向电压Vcb2下，基极b1与发射极e之间得反向耐压。

4反向电流1«b开路，在额定反向电压VGb2下，曲2间得反向电流。

5发射极饱与压降Vg在最大发射极额定电流时,eb间得压降。

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得发射极电流。

2.1.2触发电路

晶闸管触发主要有移相触发、过零触发与脉冲列调制触发等。

触发电路对其产生得触发脉冲要求：

1触发信号可为直流.、交流或脉冲电压。

2触发信号应有足够得功率（触发电压与触发电流）。

3触发脉冲应有一定得宽度，脉冲得前沿尽可能陡，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得阳极电压同步，脉冲移相范圉必须满足电路要求。

1）单结晶体管触发电路

电路图如图2、3（a）所示。

2）单结晶体管自激震荡电路

从图2、3（a）可知，经DH）2整流后得直流电源UZ—路径R2、R,加在单结晶体管两个基极b、b2之间，另一路通过Re对电容C充电，发射极电压U。

二Uc按指数规律上升。

Uc刚冲点到大于峰点转折电压Up得瞬间，管子e-b,间得电阻突然变小，开始导通。

电容C开始通过管子e-bi迅速向R,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又由字通转入截止,然电源又重新对电容C充电，上述过程不断重复。

在电容上形成锯齿波震荡电压，在上得到一系列前沿很陡得触发尖脉冲US,如图2、3（b）所示其震荡频率为

f=1/T=1/R^CLn（1/1-Ti）

式中71=0.3〜0、9就是单结晶体管得分压比。

即调节Re,可调节振荡频率2.1.3同步电源

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削波为梯形波血，而削波得最大值Uz既就是同步信号，又就是触发电路电源、当Uoz过零叶，电容C经e-b..R.迅速放电到零电压、这就就是说，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得时刻（即控制角CI）一致，实现同步、

2.1.4移相控制

当R。

增大叶，单结晶体管发射极充电到峰点电压Up得时间增大，第一个脉冲出现得时刻推迟，即控制角a增大，实现了移相。

2.1.5脉冲输出

触发脉冲Ug由直接取出，这种方法简单、经济，但触发电路与主电路有直接得电联系，不安全。

对于晶闸管串联接法得全控桥电路无法工作。

所以一般采用脉冲变压器输出。

2、2保护电路得设计

2.2.1保护电路得论证与选择

电力电子系统在发生故障时可能会发生过流、过压，造成开关器件得永久性损坏。

过流、过压保护包括器件保护与系统保护两个方面。

检测开关器件得电流、电压，保护主电路中得开关器件，防止过流、过压损坏开关器件。

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得数值。

2.2.2过电流保护

当电力电子变流装置內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；外部出现负载过栽；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;均能引起装置或其她元件得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得过电流保护。