单相半控桥式晶闸管整流电路的设计.docx
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单相半控桥式晶闸管整流电路的设计
学号：
课程设计
题目
单相半控桥式晶闸管整流电路的设计
（带续流二极管）（阻感负载）
学院
自动化
专业
自动化
班级
100...班
姓名
指导教师
许湘莲
2012
年
12
月
29
日
一课程设计的性质和目的
性质：
是电气信息专业的必修实践性环节。
目的：
1、培养学生综合运用知识解决问题的能力与实际动手能力；
2、加深理解《电力电子技术》课程的基本理论；
3、初步掌握电力电子电路的设计方法。
二课程设计的内容:
单相半控桥式晶闸管整流电路的设计（带续流二极管）（阻感负载）
设计条件：
1、电源电压：
交流100V/50Hz
2、输出功率：
500W
3、移相范围0º~180º
三课程设计基本要求
1、两人一个题目，按学号组合；
2、根据课程设计题目，收集相关资料、设计主电路、控制电路；
3、用MATLAB/Simulink对设计的电路进行仿真；
4、撰写课程设计报告——画出主电路、控制电路原理图，说明主电路的工作原理、选择元器件参数，说明控制电路的工作原理、绘出主电路典型波形，绘出触发信号（驱动信号）波形，说明仿真过程中遇到的问题和解决问题的方法，附参考资料；
5、通过答辩。
摘要
电力电子技术课程设计是在教学及实验基础上，对课程所学理论知识的深化和提高。
本次课程设计要完成单相桥式半控整流电路的设计，对电阻负载供电，并使输出电压在0到180伏之间连续可调，由于是半控电路，因此会用到晶闸管与电力二极管。
此外，还要用MATLAB对设计的电路进行建模并仿真，得到电压与电流波形，对结果进行分析。
关键词：
半控整流晶闸管
1设计的基本要求
1.1设计的主要参数及要求：
设计条件：
1、电源电压：
交流100V/50Hz
2、输出功率：
500W
3、移相范围0º~180º
1.2设计的主要功能
单相桥式半控整流电路的工作特点是晶闸管触发导通，而整流二极管在阳极电压高于阴极电压时自然导通。
单相桥式整流电路在感性负载电流连续时，当相控角α<90°时，可实现将交流电功率变为直流电功率的相控整流；在α>90°时，可实现将直流电返送至交流电网的有源逆变。
在有源逆变状态工作时，相控角不应过大，以确保不发生换相（换流）失败事故。
不含续流二极管的电路具有自续流能力，但一旦出现异常，会导致：
一只晶闸管与两只二极管之间轮流导电，其输出电压失去控制，这种情况称之为“失控”。
失控时的的输出电压相当于单相半波不可控整流时的电压波形。
在失控情况下工作的晶闸管由于连续导通很容易因过载而损坏。
因为半导体本身具有续流作用，半控电路只能将交流电能转变为直流电能，而直流电能不能返回到交流电能中去，即能量只能单方向传递。
含续流二极管的电路具有电路简单、调整方便、使用元件少等优点，而且不会导致失控显现，续流期间导电回路中只有一个管压降，少了一个管压降，有利于降低损耗。
2总体系统
2.1主电路结构及其工作原理
单相桥式半控整流电路虽然具有电路简单、调整方便、使用元件少等优点，但却有整流电压脉动大、输出整流电流小的缺点。
其使用的电路图如下图2.1所示。
图2.1主体电路结构原理图
在交流输入电压u2的正半周（a端为正）时，Th1和D1承受正向电压。
这时如对晶闸管Th1引入触发信号，则Th1和D1导通电流的通路为u2+→Th1→R→D1→u2-。
这时Th2和D1都因承受反向电压而截至。
同样，在电压u2的负半周时，Th2和D2承受正向电压。
这时，如对晶闸管Th2引入触发信号，则Th2和D2导通，电流的通路为：
u2-→Th2→R→D2→u2+。
这时Th1和D1处于截至状态。
显然，与单相半波整流相比较，桥式整流电路的输出电压的平均值要大一倍。
2.2参数计算
输出电压的平均值：
（2-1）
=0时，Ud=Ud0=0.9U；
=1800时，Ud=0。
可见，
角的移相范围为1800。
向负载输出的直流电流平均值为
（2-2）
输出电压平均值：
U
=0.9U2
（2-3）
输出电流平均值：
=Ud/R（2-4）
流过晶闸管电流有效值：
I
=
/
（2-5）
波形系数：
K
=I
/
=
/2（2-6）
交流侧相电流的有效值:
I
=
·I
（2-7）
续流管电流有效值：
I
=
·I
（2-8）
（2-9）
（2-10）
（2-11）
（2-12）
（2-13）
令
0时，U2=220V,P出=50V×10A=500W。
Ud=0.9U2（1+
）/2=198V
Id=P出/Ud=10.8A，Kf=IVT/Id=
/2=0.707，
晶闸管的额定电流为：
IT=KfId/1.57=2.5A,取2倍电流安全储备，并考虑晶闸管元件额定电流系列取5A。
晶闸管元件额定电压
U2=
100=141.4V，取2～3倍电压安全储备，并考虑晶闸管额定电压系列取300V。
令
时，IVT=
Id=Id=10.8A时，
此时流过续流二极管的电流最大为10.8A，取2倍电流安全储备，并考虑晶闸管元件额定电流系列取20A。
续流二极管两端的最大电压为Ud=220V,取2～3倍电压安全储备，并考虑晶闸管额定电压系列去220V。
所以选择续流二极管额定电压为220V,额定电流为20A的晶闸管和二极管，电感取无穷大，L=150H，R=20
。
3硬件电路
3.1系统总体原理框图
单相半控桥式整流电路的设计，我们首先对电路原理进行分析，通过分析，结合具体的性能指标求出相应的参数，然后在Matlab仿真软件中建立仿真模型，仿真模型采用交流输入电源，使用晶闸管和二极管作为整流器件，通过不断仿真、调试、不断修改参数，知道符合正确的参数要求。
其系统原理框图如下图3.1
图3.1系统原理框图
其对应波形原理图如图3.2所示
图3.2波形原理图
3.2驱动电路
3.2.1驱动电路方案
方案一：
采用专用集成芯片产生驱动信号。
专用集成芯片对于整个系统来说非常好：
集成度高，不易产生各种干扰；产生的驱动信号精确度高，更便于系统的精确度：
简单、省事，易于实现。
但是，专用集成芯片的价格比较昂贵且不易购买；对于锻炼个人能力用专用芯片业很难达到效果。
方案二：
采用LM339、ICL8083等构成的驱动电路虽然效果不是很好，但是它完全是硬件驱动，能更好的锻炼人的知识运用和能力的开发。
两个方案相比较而言我选择方案二。
3.2.2驱动电路的设计
晶闸管门极触发信号由触发电路提供，由于晶闸管电路种类很多，如整流、逆变、交流调压、变频等；所带负载的性质也不相同，如电阻性负载、电阻—电感性负载、反电势负载等。
尽管不同情况对触发电路的要求也不同，但是其基本的要求却是相同的，具体如下
（a）触发信号应有足够的功率
这些指标在产品样本中均已标明，由于晶闸管元件门极参数分散性大，且触发电压、电流手温度影响会发生变化。
例如元件温度为1000C时触发电流、电压值比在室温时低2—3倍；元件温度为-400C时触发电流、电压值比在室温时高2—3倍；为了使元件在各种工作条件下都能可靠的触发，可参考元件出厂的实验数据或产品目录，设计触发电路的输出电压、电流值，并留有一定的裕量。
一般可取两倍左右的触发电流裕量，而触发电压按触发电流的大小来决定，但是应注意不要超过晶闸管门极允许的峰值功率和平均功率极限值。
（b）触发脉冲信号应有一定的宽度
普通晶闸管的导通时间一般为6us，故触发脉冲的宽度至少应有6us以上，对于电感性负载，由于电感会抑制电流的上升，触发脉冲的宽度应该更大些，通常为0.5ms—1ms，否则在脉冲终止时主电路电流还未上升到晶闸管的擎住电流时，此时将使晶闸管无法导通而重新恢复关断状态。
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b1和b2。
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e。
其符号和等效电如下图3.3所示。
图3.3单结晶体管的符号和等效电路图
结晶体管的特性
从图（a）可以看出，两基极b1和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，b1间加上正电压Vbb，则A点电压为：
VA=[rb1/（rb1+rb2）]vbb=（rb1/rbb）vbb=ηVbb
式中：
η——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的伏安特性，见图3.4
图3.4单结晶体管的伏安特性
（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Iceo。
（2）当Ve≥ηVbb+VDVD为二极管正向压降（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=ηVbb。
（3）随着发射极电流Ie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Iv。
（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b1，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η由管子内部结构决定的参数，一般为0.3--0.85。
（3）eb1间反向电压Vcb1b2开路，在额定反向电压Vcb2下，基极b1与发射极e之间的反向耐压。
（4）反向电流Ieob1开路，在额定反向电压Vcb2下，eb2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，eb1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。
单结晶体管电路如下图3.5所示，波形图如图3.6所示
图3.5单结晶体管触发电路图
图3.6触发信号波形
3.3保护电路
3.3.1变压器二次侧熔断器
采用快速熔断器是电力电子装置中最有效、应用最广泛的一种过电流保护措施。
在选择快速熔断时应考虑：
（1）电压等级应根据熔断后快速熔断实际承受的电压来确定。
（2）电流容量应按其在主电路中的接入方式和主电路联接形式确定。
快速熔断一般与电力半导体器件串联连接，在小容量装置中也可串联于阀侧交流母线或直流母线中。
（3）快速熔断
值应小于被保护器件的允许
值。
（4）为保护熔体在正常过载情况下不熔化，应考虑其时间电流特性。
因为晶闸管的额定电流为10A，快速熔断器电流大于1.5倍的晶闸管额定电流，所以快速熔断器的熔断电流为15A。
3.3.2晶闸管保护电流
过流保护：
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高低；均能引起装置或其它元件的电流超过正常的工
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