电力电子课程设计Word格式.docx
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系主任（或责任教师）签名：
摘要
此次电力电子课程设计，主要是运用MATLAB的simulink仿真功能进行电路仿真设计。
首先，通过查阅资料，找到解决办法。
由于所选的电路，在课堂上老师已经对其进行过讲解，所以，实践也还是比较顺利。
依据课本中学过的理论知识，根据题目所给的设计要求，进行参数计算。
由于课本上有关于参数计算的公式，因此参数设计的过程还算比较容易。
理论计算完毕，接下来就是仿真过程了，通过调用simulink库中已有元件，连接成仿真电路，由于simulink中有触发脉冲，因此免去了触发电路的设计，这使得课程设计大大简化。
关键词：
电力电子课设，参数设计，simulink，仿真
目录
课程设计任务书I
摘要II
1单相桥式全控整流电路带电阻负载理论简介3
1.1单相桥式全控整流电路带电阻负载工作过程简介3
1.2单相桥式全控整流电路带电阻负载工作原理3
1.3与此次课设相关的部分计算公式3
2电路设计3
2.1主电路设计3
2.2驱动电路设计3
2.2.1触发电路TCA785简介3
2.2.2TCA785的设计特点3
2.2.3TCA785的极限参数3
2.2.4TCA785锯齿波移相触发电路3
2.3保护电路设计3
2.3.1过电流保护3
2.3.2电流上升率di/dt的抑制3
2.3.3电压上升率du/dt的抑制3
3运用simulink对电路进行仿真3
3.1单相桥式全控整流仿真电路图设计3
3.2仿真模块参数设置3
3.3仿真输出图形3
4小结与体会3
5参考文献3
单相全控桥式晶闸管整流电路的设计
（纯电阻负载）
1单相桥式全控整流电路带电阻负载理论简介
1.1单相桥式全控整流电路带电阻负载工作过程简介
单相全控桥式整流带电阻负载电路如图1所示。
图1单相全控桥式整流电路
在单项桥式全控整流电路中，晶闸管VT1和VT4组成一对桥臂，VT2和VT3组成另一对桥臂。
在u2正半周（即a点电位高于b点电位），若4个晶闸管均不导通，负载电流id为零，ud也为零，VT1、VT4串联承受电压u2，设VT1和VT4的漏电阻相等，则各承受u2的一半。
若在触发角α处给VT1和VT4加触发脉冲，VT1、VT4即导通，电流从a端经VT1、R、VT4流回电源b端。
当u2为零时，流经晶闸管的电流也降到零，VT1和VT4关断。
在u2负半周，仍在触发延迟角α处触发VT2和VT3（VT2和VT3的α=0处为ωt=π），VT2和VT3导通，电流从电源的b端流出，经VT3、R、VT2流回电源a端。
到u2过零时，电流又降为零，VT2和VT3关断。
此后又是VT1和VT4导通，如此
循环的工作下去，整流电压ud和晶闸管VT1、VT4两端的电压波形如下图
（2）所示。
晶闸管承受的最大正向电压和反向电压分别为
2和
U2。
由于在整流电路的正负半周都有整流输出电流流过负载，故该电路为全波整流。
在U2一个周期内，整流电压波形脉动两次，脉动次数多于半波整流电路，故该电路属于双脉波整流电路。
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，及直流分量为零，如图2所示，不存在变压器直流磁化问题，变压器绕组利用率较高。
1.2单相桥式全控整流电路带电阻负载工作原理
单相桥式全控整流电路带电阻负载工作波形如图2所示。
图2单相桥式全控整流电路带电阻负载工作波形
第1阶段（0~ωt1）：
这阶段u2在正半周期，a点电位高于b点电位晶闸管VT1和VT2方向串联后于u2连接，VT1承受正向电压为u2/2，VT2承受u2/2的反向电压；
同样VT3和VT4反向串联后与u2连接，VT3承受u2/2的正向电压，VT4承受u2/2的反向电压。
虽然VT1和VT3受正向电压，但是尚未触发导通，负载没有电流通过，所以Ud=0，id=0。
第2阶段（ωt1~π）：
在ωt1时同时触发VT1和VT3，由于VT1和VT3受正向电压而导通，有电流经a点→VT1→R→VT3→变压器b点形成回路。
在这段区间里，ud=u2，id=iVT1=iVT3=ud/R。
由于VT1和VT3导通，忽略管压降，uVT1=uVT2=0，而承受的电压为uVT2=uVT4=u2。
第3阶段（π~ωt2）：
从ωt=π开始u2进入了负半周期，b点电位高于a点电位，VT1和VT3由于受反向电压而关断，这时VT1~VT4都不导通，各晶闸管承受u2/2的电压，但VT1和VT3承受的事反向电压，VT2和VT4承受的是正向电压，负载没有电流通过，ud=0，id=i2=0。
第4阶段（ωt2~π）：
在ωt2时，u2电压为负，VT2和VT4受正向电压，触发VT2和VT4导通，有电流经过b点→VT2→R→VT4→a点，在这段区间里，ud=u2，id=iVT2=iVT4=i2=ud/R。
由于VT2和VT4导通，VT2和VT4承受u2的负半周期电压，至此一个周期工作完毕，下一个周期，充复上述过程，单项桥式整流电路两次脉冲间隔为180°
。
1.3与此次课设相关的部分计算公式
整流电压的平均值：
（1）
а=0时，Ｕｄ＝Ｕｄ０＝0.9U2。
а＝180.时，Ｕｄ＝０。
可见，а角的移相范围为180.。
向负载输出的直流电流平均值为：
（2）
晶闸管VT1、VT4和VT2、VT3轮流导电，流过晶闸管的平均电流只有输出直流电流平均值的一半，即：
（3）
负载两端电压的有效值为：
U
（4）
为选择晶闸管、变压器容量、导线截面积等额定值，需要考虑发热问题，为此需要计算电流有效值。
流过晶闸管的电流有效值为：
（5）
变压器二次电流有效值I2与输出直流电流有效值I相等，为：
（6）
2电路设计
2.1主电路设计
题目所给参数要求：
功率1000W，电压220V
由
得到：
流过负载的电流有效值为
=
=4.5A（7）
负载的功率等于负载两端的电压有效值与流过负载电流的有效值的乘积：
（8）
当а=0时，电阻R取得最大值，此时，（8）式可改写为：
（9）
由（9）式得：
=48.4Ω（10）
由（5）式来计算流过晶闸管电流的有效值：
（11）
由流过晶闸管电流的有效值来确定晶闸管的额定电流：
（12）
加在晶闸管两端的电压最大值为
，取2倍的安全余量：
（13）
2.2驱动电路设计
电力电子器件的驱动电路是电力电子主电路与控制电路之间的接口，是电力电子的重要环节，对整个装置的性能有很大的影响。
采用良好的性能的驱动电路。
可以使电力电子器件工作在比较理想的开关状态，缩短开关时间，对装置的运行效率，可靠性和安全性都有很大的意义。
对于相控电路这样使用晶闸管的场合，在晶闸管阳极加上正向电压后，还必须在门极与阴极之间加上触发电压，晶闸管才能从截止转变为导通，习惯上称为触发控制。
提供这个触发电压的电路称为晶闸管的触发电路。
它决定每一个晶闸管的触发导通时刻，是晶闸管装置中不可缺少的一个重要组成部分。
晶闸管相控整流电路，通过控制触发角
的大小即控制触发脉冲起始位来控制输出电压的大小，为保证相控电路的正常工作，很重要的一点是应保证触发角
的大小在正确的时刻向电路中的晶闸管施加有效的触发脉冲。
2.2.1触发电路TCA785简介
此处，驱动电路采用了德国西门子公司的集成触发电路TCA789，其管脚图如图3所示。
图3TCA789管脚图
各引脚的名称、功能及用法如下：
引脚16（VS）：
电源端。
使用中直接接用户为该集成电路工作提供的工作电源正端。
引脚1（OS）：
接地端。
应用中与直流电源VS、同步电压VSYNC及移相控制信号V11的地端相连接。
引脚4（Q1）和2（Q2）：
输出脉冲1与2的非端。
该两端可输出宽度变化的脉冲信号，其相位互差180°
，两路脉冲的宽度均受非脉冲宽度控制端引脚13（L）的控制。
它们的高电平最高幅值为电源电压VS，允许最大负载电流为10mA。
若该两端输出脉冲在系统中不用时，电路自身结构允许其开路。
引脚14（Q1）和15（Q2）：
输出脉冲1和2端。
该两端也可输出宽度变化的脉冲，相位同样互差180°
，脉冲宽度受它们的脉宽控制端引脚12（C12）的控制。
两路脉冲输出高电平的最高幅值为5VS。
引脚13（L）：
非输出脉冲宽度控制端。
该端允许施加电平的范围为-0.5V—5VS，当该端接地时，Q1、Q2为最宽脉冲输出，而当该端接电源电压VS时，Q1、Q2为最窄脉冲输出。
引脚12（C12）：
输出Q1、Q2脉宽控制端。
应用中，通过一电容接地，电容C12的电容量范围为150—4700pF，当C12在150—1000pF范围内变化时，Q1、Q2输出脉冲的宽度亦在变化，该两端输出窄脉冲的最窄宽度为100μs，而输出宽脉冲的最宽宽度为2000μs。
引脚11（V11）：
输出脉冲Q1、Q2或Q1、Q2移相控制直流电压输入端。
应用中，通过输入电阻接用户控制电路输出，当TCA785工作于50Hz，且自身工作电源电压Vs为15V时，则该电阻的典型值为15kΩ，移相控制电压V11的有效范围为0.2V—Vs-2V，当其在此范围内连续变化时，输出脉冲Q1、Q2及Q1，Q2的相位便在整个移相范围内变化，其触发脉冲出现的时刻为：
trr=（V11
R9
C10）/（VREF
K）
式中R9、C10、VREF──分别为连接到TCA785引脚9的电阻、引脚10的电容及引脚8输出的基准电压；
K──常数。
为降低干扰，应用中引脚11通过0.1μF的电容接地，通过2.2μF的电容接正电源。
引脚10（C10）：
外接锯齿波电容连接端。
C10的实用范围为500pF—1μF。
该电容的最小充电电流为10μA。
最大充电电流为1mA，它的大小受连接于引脚9的电阻R9控制，C11两端锯齿波的最高峰值为VS-2V，其典型后沿下降时间为80μs。
引脚9（R9）：
锯齿波电阻连接端。
该端的电阻R9决定着C10的充电电流，其充电电流可按下式计算：
I10=VREFK/R9
连接于引脚9的电阻亦决定了引脚10锯齿波电压幅度的高低，锯齿波幅值为：
V10=VREFK/（R9
C10），电阻R9的应用范围为3
300kΩ。
引脚8（VREF）：
TCA785自身输出的高稳定基准电压端。
负载能力为驱动10块CMOS集成电路，随着TCA785应用的工作电源电压VS及其输出脉冲频率的不同，VREF的变化范围为2.8—3.4V，当TCA785应用的工作电源电压为15V，输出脉冲频率为50Hz时，VREF的典型值为3.1V，如用户电路中不需要应用VREF，则该端可以开路。
引脚7（QZ）和3（QV）：
TCA785输出的两个逻辑脉冲信号端。
其高电平脉冲幅值最大为VS-2V，高电平最大负载能力为10mA。
QZ为窄脉冲信号，它的频率为输出脉冲Q2与Q1或Q1与Q2的两倍，是Q1与Q2或Q1与Q2的或信号，QV为宽脉冲信号，它的宽度为移相控制角φ+180°
，它与Q1、Q2或Q1、Q2同步，频率与Q1、Q2或Q1、Q2相同，该两逻辑脉冲信号可用来提供给用户的控制电路作为同步信号或其它用途的信号，不用时可开路。
引脚6（I）：
脉冲信号禁止端。
该端的作用是封锁Q1、Q2及Q1、Q2的输出脉冲，该端通常通过阻值10kΩ的电阻接地或接正电源，允许施加的电压范围为-0.5V—VS，当该端通过电阻接地，且该端电压低于2.5V时，则封锁功能起作用，输出脉冲被封锁。
而该端通过电阻接正电源，且该端电压高于4V时，则封锁功能不起作用。
该端允许低电平最大灌电流为0.2mA，高电平最大拉电流为0.8mA。
引脚5（VSYNC）：
同步电压输入端。
应用中需对地端接两个正反向并联的限幅二极管，该端吸取的电流为20—200μA，随着该端与同步电源之间所接的电阻阻值的不同，同步电压可以取不同的值，当所接电阻为200kΩ时，同步电压可直接取AC220V。
2.2.2TCA785的设计特点
TCA785的基本设计特点有：
能可靠地对同步交流电源的过零点进行识别，因而可方便地用作过零触发而构成零点开关；
它具有宽的应用范围，可用来触发普通晶闸管、快速晶闸管、双向晶闸管及作为功率晶体管的控制脉冲，故可用于由这些电力电子器件组成的单管斩波、单相半波、半控桥、全控桥或三相半控、全控整流电路及单相或三相逆变系统或其它拓扑结构电路的变流系统；
它的输入、输出与CMOS及TTL电平兼容，具有较宽的应用电压范围和较大的负载驱动能力，每路可直接输出250mA的驱动电流；
其电路结构决定了自身锯齿波电压的范围较宽，对环境温度的适应性较强，可应用于较宽的环境温度范围（-25—+85°
C）和工作电源电压范围（-0.5—+18V）。
2.2.3TCA785的极限参数
电源电压：
+8—18V或±
4—9V；
移相电压范围：
0.2V—VS-2V;
输出脉冲最大宽度：
180°
；
最高工作频率：
10—500Hz；
高电平脉冲负载电流：
400mA；
低电平允许最大灌电流：
250mA；
输出脉冲高、低电平幅值分别为VS和0.3V；
同步电压随限流电阻不同可为任意值；
极限工作频率：
工作温度范围：
工业品-25—+85℃。
2.2.4TCA785锯齿波移相触发电路
由于TCA785自身的优良性能，决定了它可以方便地用于主电路为单个晶闸管或晶体管，单相半控桥、全控桥和三相半控桥、全控桥及其它主电路形式的电力电子设备中触发晶闸管或晶体管，进而实现用户需要的整流、调压、交直流调速、及直流输电等目的。
西门子TCA785触发电路，它对零点的识别可靠，输出脉冲的齐整度好，移相范围宽；
同时它输出脉冲的宽度可人为自由调节。
西门子TCA785外围电路如图4所示。
图4TCA785锯齿波移相触发电路原理图
2.3保护电路设计
电力电子电路中，除了电力电子器件参数选择合适、驱动电路设计良好外，采用合适的过电压、过电流、du/dt保护和di/dt保护也是必要的。
2.3.1过电流保护
快速熔断器的断流时间短，保护性能较好，是目前应用最普遍的保护措施。
快速熔断器可以安装在直流侧、交流侧和直接与晶闸管串联。
接阻感负载的单相全控桥电路，通过晶闸管的有效值
选取RLS-4快速熔断器，熔体额定电流4A。
2.3.2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，局部电流密很大，然后以0.1mm/μs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。
如图5所示：
图5电感抑制电路
2.3.3电压上升率du/dt的抑制
加在晶闸管上的正向电压上升率du/dt也应有所限制,如果du/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du/dt的作用，可以在晶闸管两端并联R-C阻容吸收回路。
如图6所示：
图6阻容吸收电路
3运用simulink对电路进行仿真
3.1单相桥式全控整流仿真电路图设计
电阻负载的单相桥式全控整流仿真电路图如图7所示。
在示波器的五个波形中，第一个的波形表示的是晶闸管VT1的电流ivt1，第二个是晶闸管VT1的电压uvt1，第三个表示的是负载电阻上的电流id，第四个表示的是二次侧绕组的电流i2，第五个是负载电阻上的电压ud。
下面将分析延迟角α分别为0°
、30°
、60°
、90°
、150°
时的波形变化。
图7电阻负载的单相桥式全控整流仿真电路图
3.2仿真模块参数设置
1.交流电源参数设置
图8交流电源参数设置
图8交流电源的设置
对交流电，电压“Peakamplitude”为峰值，设为311V，“Phase”为0d，其频率“Frequency”设置为50Hz，周期T=1/f=1/50=0.02s。
2.脉冲信号发生器参数设置
图9脉冲信号发生器参数设置
“pulsetype”设置为Timebased，
“Time”设置为Usesimulationtime，
“Amplitude”设置为1.0，
“Period”设置为0.02，
“PulseWidth”设置为10，
Pulse参数对话框，其中相位延迟Phasedelay的设置，按关系t=αT/360°
计算。
对交流电T=0.02s，pulse2的相位比pulse1延迟0.01s。
具体设置如表1所示。
表1脉冲信号相位延迟参数设置
α
Pulse1（s）
Pulse2（s）
0.01
30
0.00167
0.01167
60
0.00333
0.01333
90
0.005
0.015
150
0.00833
0.01833
180
0.02
3.电流表参数设置
图10电流测量参数设置
“Outputsignal”设置为complex。
4.电压表参数设置
图11电压测量
5.晶闸管参数设置
晶闸管参数按默认设置
3.3仿真输出图形
1α=0°
时的仿真输出波形如图12所示。
图12α=0°
时的仿真输出波形如图
2α=30°
时的仿真输出波形如图13所示。
图13α=30°
3α=60°
时的仿真输出波形如图14所示。
图14α=60°
4α=90°
时的仿真输出波形如图15所示。
图15α=90°
5α=150°
时的仿真输出波形如图16所示。
图16α=150°
6α=180°
时的仿真输出波形如图17所示。
图17α=180°
由仿真结果可以发现，当输入交流电压为220V，50Hz时，触发角α可以在0º
到180º
变化，且随着α的增大，输出电压的平均值Ud逐渐降低，当α=180º
时，Ud降为了零。
在α=0º
时，由仿真输出电压波形可以求得此时输出电压的有效值U=220V，此时的输出功率
达到最大。
α继续增大时，输出功率P减小，当α增大到180º
时，P减小到零。
通过以上分析可以发现，所设计的带电阻负载的单相桥式全控整流电路能够满足预期要求，设计成功。
4小结与体会
本次课程设计的内容是单相全控桥式晶闸管整流电路的设计（纯电阻负载），了解了整流电路的工作原理，通过到图书馆查阅资料，和上网搜索，对单相全控桥式晶闸管整流电路在纯电阻负载时做了比较详细的分析。
该单相全控桥式晶闸管整流电路最大的特点是：
在原有的单相全控桥式晶闸管整流电路的基础上，通过改变驱动晶闸管的脉冲，将50Hz的交流电压整流成直流电压，并将它加到负载电路两端。
而负载电路则由纯电阻电路构成。
本次课程设计，加深了我对课程《电力电子技术》理论知识的理解，提高了运用所学的各门知识解决问题的能力。
在本次课程设计中，涉及到很多学科，包括：
电力电子技术、电路原理等，学会了如何整合自己所学的知识去解决实际问题。
通过本次课程设计，对课堂上所学关于电力电子的知识有了更深的理解，对如何运用网络上的丰富资料有了些经验。
总之，这次课设使我受益匪浅。
5参考文献
1、李先允主编电力电子技术北京：
中国电力出版社，2006
2、佟纯厚主编电力电子学南京：
东南大学出版社，2000
3、王兆安，黄俊主编电力电子技术（第4版）北京：
机械工业出版社，2004
4、黄俊王兆安主编电力电子交流技术（第3版）北京：
机械工业出版社，1994
5、石玉王文郁主编电力电子技术题解与电路设计指导北京：
机械工业出版社，2000
本科生课程设计成绩评定表
姓名
性别
专业、班级
课程设计题目：
单相全控桥式晶闸管整流电路的设计（纯电阻负载）
课程设计答辩或质疑记录：
成绩评定依据：
序号
评定项目
评分成绩
1
选题合理、目的明确（10分）
2
设计方案正确，具有可行性、创新性（20分）
3
设计结果可信（例如：
系统建模、求解，仿真结果）（25分）
4
态度认真、学习刻苦、遵守纪律（15分）
5
设计报告的规范化、参考文献充分（不少于5篇）（10分）
6
答辩（20分）
总分
最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）
指导教师签字：
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