单结晶体管触发的单相晶闸管全控整流电路.docx
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单结晶体管触发的单相晶闸管全控整流电路
摘要
随着社会的发展，在日常生产生活中我们用到直流电源的地方也越来越广泛！
而能够将交流电能转换为直流电能的整流电路的主要电力电子器件是半控型的晶闸管，与其对应的主要变换电路是相控整流电路。
相控整流电路结构简单、控制方便、性能稳定，是目前获得直流电能的主要方法，得到了广泛的应用。
关键词直流电源；整流电路；单结晶体；晶闸管；同步触发；全控整流电路
Abstract
Theplacethatwiththedevelopmentofsociety,weuseindailychildbirthinlifetodirect-currentpowersourcebealsomoreandmorebroad!
Butbeabletobethatpartly,thecrystalbrakechargingatypemanages,mainpartshiftsthancorrespondingacircuitistochargecommutationcircuiteachotherwiththeelectricpowerelectrondeviceexchangingmainpartthatelectricenergychangesintothecommutationcircuitthatdirectcurrentcan.Thefunctionhasstabilizedchargethecommutationcircuitstructuresimplicityeachother,underthecontrolofconvenient,hasbeentogainthemainmethodthatdirectcurrentcanatpresent,hasgotbroadapplication,
KeywordsDirect-currentpowersource;Commutationcircuit;Shancrystal;Brakeisinchargeofcrystal;Triggersynchrony;Chargecommutationcircuitcompletely
1设计任务书……………………………………………………………………4
1.1设计课题………………………………………………………4
1.2设计目的………………………………………………………4
1.3设计要求…………………………………………………4
1.4参数确定及元件选取…………………………………………………………4
2设计方案的选取……………………………………………………6
2.1设计方案的选取…………………………………………………………6
3单相晶闸管全控整流电路…………………………………………7
3.1晶闸管（Thyristor）……………………………………………………11
3.2单相桥式相控整流电路………………………………………………11
4单结晶体管触发电路系统电路………………………………16
4.1单结晶体管（简称UJT）……………………………………………………16
4.2单结晶体管触发电路………………………………………………………18
5总电路图………………………………………………………………21
5.1总电路图及工作原理………………………………………………………216晶闸管的保护…………………………………………………………23
6.1晶闸管的保护………………………………………………………………23
心得体会……………………………………………………………………………24
参考文献……………………………………………………………………………25
致谢……………………………………………………………………………26
1设计任务书
1.1设计课题
本次电力电子课程设计的课题就是设计单结晶体管触发的单相晶闸管全控整流电路。
1.2设计目的
1进一步掌握晶闸管相控整流电路的组成、结构、工作原理；
2重点理解移相电路的功能、结构、工作原理；
3理解同步变压器的功能；
1.3设计要求
1根据课题正确选择电路形式；
2绘制完整电气原理图（包括主要电气控制部分）；
3详细介绍整体电路和各功能部件工作原理并计算各元、器件值；
4编制使用说明书，介绍适用范围和使用注意事项；
说明：
负载形式及参数可自行选择（例如：
输入的为市电，即相电压为220V，输出电压在0—200V可调，负载RL=5Ω）
1.4参数确定及元件选择
1.4.1有关参数的计算
由于在任务书中说明了有关参数中的负载形式及参数可自行选择所以我们选择电压为市电压即220V交流电源、频率为50HZ、负载RL=4Ω；电感为10mH;要求电流Id在0~25A之间变化；所以有关参数确定过程如下：
1负载RL两端的最大平均电压为：
Udmax=Rd*Idmax=25*4V=100V
又因为：
所以当α=0时Ud最大，即Ud=0.9U2
所以U2=111V
所以变压器的变比为2：
1；即K=2
当α=0时id的波形系数为：
=1.11
所以负载电流的有效值为：
I=Kf*Id=1.11*25A=27.75A
所以我们所要选取的导线切面积为：
A≧27.75/6mm2
=4.625mm2
所以我们选取BU-70铜线；
3因为It=
，则晶闸管的额定电流为：
TTN（AV）≧
=
A≈12.5A；
我们在考虑到2倍裕量，所以我们取30A；
晶闸管承受的最大电压是：
TYM=
*111V=157V；
我们在选取晶闸管时考虑到2倍裕量，所以我们取400V，即我们选择的型号是KP30-4晶闸管。
S=U2*I2=U2*I=111*27.75V*A=3.08KV*A
Ps=U22/Rd=U2I=111*27.75=30.08KW
又因为PF等于：
所以当α=0时，PF=1。
其电路的移相范围为：
0-180；
1.4.2元器件选取
电源：
市电压220（交）50HZ
整流变压器Tr的变比为2
Rd=4Ω
Id在0—25A之间变化
L=10mH移相范围为0——180度
负载电阻的最大功率为3.08KW
电路的最大平均功率为1；（当α=0度时）
所选晶闸管型号为KP30-4的晶闸管。
其晶闸管承受的最大电压为400（考虑到2倍裕量）。
选择导线为BU-70铜线
2设计方案的选取
2.1设计方案的选取
根据任务书，分析其要求我们经过讨论与比较得到了下了方案：
方案一：
二极管实现整流。
其优点就是电路简单容易实现，但是以二极管实现整流所得到的整流输出因为所含的杂波多且不稳定还有不能控制其开关等缺点，不能达到我们的要求所以舍弃该方案。
方案二：
以单结晶体管触发电路+单相半波相控整流电路实现。
单相半波相控整流电路的优点是：
线路简单、调整方便。
缺点是：
输出电压脉动大，负载电流脉动大，且整流变压器二次绕组中存在直流电流分量，使铁心磁化，变压器容量不能充分利用。
若不用变压器，则交流回路有直流电流，使电网波形畸变引起额外损耗，因此单相半波相控整流电路只适于小容量、波形要求不高的场合。
此方案我们暂时持保留意见。
方案三：
以单结晶体管触发电路+单相桥式相控整流电路来实现.通过对单相半波相控整流电路与单相桥式相控整流电路分析，对单相全控桥式整流电路与半波整流电路可作出如下比较：
①a的移相范围相等，均为０o～180o。
②输出电压平均值Ｕd是半波整流电路的２倍。
③在相同的负载功率下，流过晶闸管的平均电流减小一半。
④功率因数提高了。
经过比较后我们决定采用方案三的方式来实现任务书所要求的设计内容。
但是单相桥式相控整流电路又分为电阻型负载和电感型两种。
具体选择哪种电路我们在后面分析后再做决定应用哪种！
3单相晶闸管全控整流电路
3.1晶闸管（Thyristor）
晶闸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，在大容量的场合具有重要地位。
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下面是晶闸管的结构图
图3.1晶闸管的外形图3.2内部结构图3.3电气图形符号
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。
外形:
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.
3.1.1晶闸管的工作原理
我们先用一个试验来看看晶闸管的导通实验：
图3.4晶闸管的导通实验试验
实验结果：
（a）控制极不加电压，灯泡不亮。
（b）控制极加正向电压，灯泡亮。
（c）去掉控制极正向电压，灯泡亮。
（d）阳极加反向电压，灯泡熄灭。
晶闸管的工作原理分析：
图3.5晶闸管的工作电路
当晶闸管的阳极和阴极之间施加正向电压时，若给门极Ｇ也加正向电压ＥＧ，门极电流ＩＧ经晶体管Ｖ２放大后成为集电极电流ＩＣ２，ＩＣ２又是晶体管Ｖ１的基极电流，放大成集电极电流ＩＣ１，又进一步使增大Ｖ２基极电流，如此形成强烈的正反馈，最后Ｖ１和Ｖ２进入完全饱和状态，即晶闸管导通。
此时如果撤掉外地人电路注入门极的电流ＩＧ，晶闸管由于内部已形成了强烈的正反馈会仍然维持导通状态。
而若要使晶闸管关断，必须去掉阳极所加的正向电压，或者给阳极施加反压，或者设法使流过晶闸管的电流降低到接近于零的某一数值以下，晶闸管才能关断。
从实验结果和晶闸管的工作电路我们可知晶闸管导通和关断条件是：
①晶闸管导通的条件：
晶闸管阳极与阴极之间加正向电压（UAK>0）。
同时晶闸管控制极与阴极之间加正向触发电压或正向触发脉冲，晶闸管导通后，控制极便失去作用。
依靠正反馈，晶闸管仍可维持导通状态。
②晶闸管关断的条件：
晶闸管阳极电流小于维持电流（IA所以，对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
3.1.2晶闸管的特性与主要参数
（1）晶闸管的伏安特性
首先我们看看晶闸管的伏安特性曲线如下图：
图3.6晶闸管的伏安特性曲线
（2）晶闸管的主要参数
正向平均电流IF：
环境温度为40C及标准散热条件下，晶闸管处于全导通时可以连续通过的工频正弦半波电流的平均值。
图3.7电路波形图
日常生活生产中所用到的普通晶闸管IF一般为1A—1000A。
维持电流IH:
在规定的环境和控制极断路时，晶闸管维持导，通状态所必须的最小电流。
一般IH为几十~一百多毫安。
通态平均电压（管压降）UF:
在规定的条件下，通过正弦半波平均电流时，晶闸管阳、阴极间的电压平均值。
一般为1V左右。
正向重复峰值电压（晶闸管耐压值）UFRM:
控制极开路且正向阻断情况下,允许重复加在晶闸管两端的正向峰值电压。
一般取UFRM=80%UB0。
普通晶闸管UFRM为100V—3000V
反向重复峰值电压URRM：
控制极开路时,允许重复作用在晶闸管元件上的反向峰值电压。
一般取URRM=80%UBR。
普通晶闸管URRM为100V—3000V
控制极触发电压和电流UG、IG：
温下，阳极电压为直流6V时，使晶闸管完全导通所必须的最小控制极直流电压、电流。
一般UG为1到5V，IG为几十到几百毫安。
浪涌电流IFSM：
在规定时间内，晶闸管中允许通过的最大过载电流。
晶闸管的开通与关断时间
开通时间tgt：
普能晶闸管的开通时间约为６us。
与触发脉冲的陡度、电压大小、结温以及主回路中的电感量等有关。
关断时间tq：
一般约为几十到几百微秒。
与元件结温、关断前阳极电流的大小以及所加反压的大小有关。
（3）晶闸管型号及其含义
图3.8晶闸管型号及其含义
如KP200-18F表示额定正向平均电流为200A，额定电压为1800V，管压降为0.9V的普通晶闸管。
（4）晶闸管的开关特性
晶闸管的开关特性是指通态和断态转换过程中电压和电流的变化情况。
由于晶闸管的内部结构特点，它的开通和关断并不是瞬时完成的，需要一定的时间，即存在瞬态过程。
当元件的导通与关断频率较高时，就必须考虑这种时间的影响。
晶闸管的开通和关断过程电压和电流波形如图所示。
图3.9晶闸管的开通和关断过程波形
开通过程
当晶闸管的Ａ、Ｋ之间正偏且门极获得触发信号后，由于管子内部正反馈的建立需要时间，阳极电流不会马上增大，而要延迟一段时间。
因此规定以下几个时间：
延迟时间td：
门极获得触发信号时刻开始，到阳极电流上升到稳态值的10%的时间。
上升时间tr：
阳极电流从10%上升到稳态值的90%所需的时间
开通时间tgt：
以上两者之和，tgt=td+tr
经过tgt时间后，晶闸管才会从断态变为通态。
关断过程
反向阻断恢复时间trr：
从正向电流降为零，到反向恢复电流衰减至接近于零的时间
正向阻断恢复时间tgr：
晶闸管要恢复其对正向电压的阻断能力还需要一段时间。
在正向阻断恢复时间内如果重新对晶闸管施加正向电压，晶闸管会重新正向导通。
实际应用中，应对晶闸管施加足够长时间的反向电压，使晶闸管充分恢复其对正向电压的阻断能力，电路才能可靠工作。
晶闸管的电路换向关断时间tq定义为trr与tgr之和，即tq=trr+tgr。
3.2单相桥式相控整流电路
由于单相半波相控整流电路的性能较差，在实际应用中所以很少采用，在小功率场合我们更多的是采用单相全控桥式整流电路。
3.2.1电阻性负载
图3.10性负载的单相桥式全控整流电路及其波形
其工作过程是：
正半周时，a点电位高于b点电位，两个晶闸管T1、T4同时承受正向电压。
门极无触发信号，则两个晶闸管处于正向阻断状态，电源电压将全部加在T1、T4上，两个晶闸管各自承受电源电压的一半，负载电压为零。
在ωt=α时，给T1、T4同时施加触发脉冲，T1、T4即时导通，电源电压通过T1、T4加在负载上。
当电源电压下降至零时，负载电流也降至零，T1、T4自然关断。
在电源电压的正半周，晶闸管T2、T3始终承受反向电压而处于截止状态。
在的负半周，b点电位高于a点电位，晶闸管T2、T3同时承受正向电压。
在ωt=2π+α时触发T2、T3，T2、T3导通，电流从b端流出经T3、R、T2回到电源a端，负载获得与正半周相同的整流电压和电流波形，这期间，T1、T4均承受反向电压而处于阻断状态。
当过零变正时，T2、T3关断，负载电压和电流也降至零。
此后，T1、T4又承受正向电压，并在ωt=π+α时被触发导通，依此循环工作。
整流输出电压的平均值：
由上式可知，Ｕd为最小值时，a=180o；Ｕd为最大值时,a=0o，所以单相全控桥式整流电路带电阻性负载时，a的移相范围是0o～180o。
整流输出电压的有效值：
输出电流的平均值和有效值分别为：
流过每个晶闸管的平均电流为输出电流平均值的一半，即
流过每个晶闸管的平均电流有效值为
注：
每个晶闸管承受的最大可能的正向电压等于每个晶闸管承受的最大反向电压为
电路的功率因数
通过上述分析，对单相全控桥式整流电路与半波整流电路可作出如下比较：
①a的移相范围相等，均为０o～180o。
②输出电压平均值Ｕd是半波整流电路的２倍。
③在相同的负载功率下，流过晶闸管的平均电流减小一半。
④功率因数提高了。
3.2.2电感性负载
在电源正半周，晶闸管T1和T4同时承受正向电压。
若在ωt=α时同时触发T1和T4导通，则电源电压通过T1和T4加至负载上。
当电源电压过零变负时，由于大电感的存在，T1和T4仍继续导通。
在电源负半周，晶闸管T2和T3同时承受正向电压。
在ωt=π+α时同时触发T2和T3导通，T1和T4承受反向电压而关断，负载电流由T1和T4换流至T2和T3，电源电压通过T2和T3施加到负载端。
当电源电压过零变正时，电感的储能使T2和T3维持继续导通，直至下一个周期T1和T4被触发导通为止。
下面是带电感性负载的单相桥式全控整流电路及其波形图
图3.11带电感性负载的单相桥式全控整流电路及其波形
注意：
只有当a≤90o时，负载电流id才连续，当a﹥90o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移相范围是0o～90o。
整流输出电压平均值:
整流输出电压有效值:
流过晶闸管的电流平均值和有效值:
;
电流波形系数Kf为：
注：
每个晶闸管可能承受的最大可能的正向电压等于;晶闸管承受的最大反向电压为
电感性负载又可以分为不带续流二极管和带续流二极管两种：
a不带续流二极管
图3.12不带续流二极管的电感性负载单相桥式全控整流电路及其波形
在正半周，T1承受正向阳极电压。
在控制角为时触发晶闸管T1，则T1和D2导通，负载电流从a点经T1、负载、D2回到b点。
此时整流电路的输出电压。
当过零变负时，由于电感的作用，T1仍继续导通，但由于此时b点电位高于a点电位，D1正偏导通，D2反偏截止，D2、D1自然换相，负载电流从a点经T1、负载、D1回到a点，形成不经过变压器的续流状态，输出电压接近于零
在负半周，T2承受正向阳极电压。
在时触发晶闸管T2，则T2和D1导通，T1承受反向电压而截止。
负载电流从b点经T2、负载、D1回到a点。
此时整流电路的输出电压。
当过零变正时，D2正偏导通，D1反偏截止，D1、D2自然换相，负载电流从b点经T2、负载、D2回到b点，形成不经过变压器的续流状态，输出电压接近于零。
单相桥式半控整流电路虽然自身有自然续流能力，但在实际运行中，当突然增大至180o或触发脉冲突然丢失时，会发生一个晶闸管持续导通而两个二极管轮流导通的现象，此时触发脉冲对输出电压失去了控制作用，称为失控。
2带续流二极管
图3.13带续流二极管的电感性负载单相桥式全控整流电路及其波形
并联续流二极管后，当电源电压降至零时，负载电流经续流二极管续流，晶闸管电流降至维持电流以下而关断，从而避免了失控现象。
主要参数
电路形式
UO（AV）/U2
S
ID（AV）/IO（AV）
URM/U2
半波整流
0.45
157%
100%
1.41
全波整流
0.90
67%
50%
2.83
桥式整流
0.90
67%
50%
1.41
所以经过综合比较分析后我们确定采用以单极管触发电路为触发电路，以带续流二极管的电感性负载单相桥式全控整流电路为主电路的方案来实现设计任务。
4单结晶体管触发电路
4.1单结晶体管（简称UJT）
单结晶体管（简称UJT）又称为基极二极管，它是一种只有一个PN结和两个电阻的半导体器件，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发基极b1和b2.在硅片之间略偏b2一侧用合金法制作一个P区作为发射极e。
其结构和等效电路图如图4.1所示。
图4.1单结型晶体管
从图4.1我们可以看出，两基极b1与b2之间的电阻称为基极电阻：
rbb=rb1+rb2
式中：
rb1——第一基极与发射极之间的电阻，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。
若在两面三刀极b2,b1间加上正向的电压Vbb，则A点电压为：
Va=[rb1/（rb2+rb1）]Vbb=ηVbb
式中：
η——称为分压比，
其值一般在0.3——0.86之间，
4.1.1单结晶体管的工作特性
如果发射极电压Ve由零逐渐增大，就可测量出单结晶体
管的伏安特性，见下图4.2所示
图4.2伏安特性曲线图
图中：
1.负阻区：
UE>UP后，大量空穴注入基区，致使IE增加、UE反而下降，出现负阻。
2.UP（峰点电压）：
单结管由截止变导通所需发射极电压。
3.UV、IV（谷点电压、电流）:
维持单结管导通的最小电压、电流。
其具体工作过程是：
（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IC1。
（2）当VE≧ηVbbVD为二极管的正向压降（约为0.7V），PN结正向导通，IE显著增加，rb1阻值迅速减小，VE也相应的下降，这种电压随电流增加反而减小的特性称为负阻特性。
管子由截止区进入负阻区的零界点P点称为峰点，与其对就的发射极电压和电流，分别称为峰点电压VP和峰点电流VI。
IP为正向漏电流，它是使单结晶体管导通的最小电流，显然VP=ηVbb。
（3）随着发射极的电流IE不断的上升，VE不断的下降，下降到V点后，VE不在下降了，这点V称为谷点，与其对应的发射极电压和电流分别称为：
谷点电压VV和谷点电流IV。
（4）过了V点后，发射极一第一极间的半导体内的载流子达到了饱和状态，所以UC继续增加同时，IE便缓慢上升，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，则管子重新截至。
4.1.2单结晶体管工作原理
单结晶体管工作原理和等效电路图如图4.3所示：
图4.3工作原理图和等效电路图
由图可求得:
–分压比（0.5~0.9）
UEPN结反偏，IE很小；
当UEUP时
PN结正向导通,IE迅速增加。
UP–峰点电压
UD–PN结正向导通压降
4.1.3单结晶体管的特点
1.UEUE>UP时单结管导通，
UE2.单结晶体管的峰点电压UP与外加固定电压UBB及分压比有关，外加电压UBB或分压比不同，则峰点电压UP不同。
3.不同单结晶体管的谷点电压UV和谷点电流IV都不一样。
谷点电压大约在2~5V之间。
常选用稍大一些，UV稍小的单结晶体管，以增大输出脉冲幅度和移相范围。
4.2单结晶体管触发电路
4.2.1振荡电路
单结晶体管弛张振荡电路利用单结管的负阻特性及RC电路的充放电特性组成频率可调的振荡电路。
4.2.2电路振荡过程分析
图4.4单结晶体管弛张振荡电路
图4.5电压整荡波形图
1.uE=uC此时R1上的电流很小，其值为：
R1、R2是外加的，不同于内部的RB1、RB2。
前者一般取几十欧~几百欧；RB1+RB2
一般为2~15千欧。
2.随电容的充电，uC逐渐升高。
当uCUP时，单结管导通，uo=UP-UF。
然后电容
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