电力电子技术单相半控桥式晶闸管整流电路的设计.docx
《电力电子技术单相半控桥式晶闸管整流电路的设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电力电子技术单相半控桥式晶闸管整流电路的设计.docx（21页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
电力电子技术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作电流，即出现过电流。
因此，必须对电力电子装置进行适当的过流保护。
其保护原理图如下图3.7所示。
过压保护：
设备在运行过程中，会受到由交流供电电网进入的操作过电压和雷击过电压的侵袭。
同时，设备自身运行过程中以及非正常运行中也有过电压出现。
因此，必须对电力电子装置进行适当的过压保护。
其保护原理图如下图3.8所示。
图3.7过流保护原理图
图3.8过压保护原理图
3.4触发电路
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有如下要求。
第一，触发信号可为直流、交流或脉冲电压。
第二，触发信号应有足够的功率（触发电压和触发电流）。
由晶闸管的门极伏安特性曲线可知，同一型号的晶闸管的门极伏安特性的分散性很大，所以规定晶闸管元件的门极阻值在某高阻和低阻之间，才可能算是合格的产品。
晶闸管器件出厂时，所标注的门极触发电流Igt、门极触发电压U是指该型号的所有合格器件都能被触发导通的最小门极电流、电压值，所以在接近坐标原点处以触发脉冲应以一定的宽度且脉冲前沿应尽可能陡。
由于晶闸管的触发是有一个过程的，也就是晶闸管的导通需要一定的时间。
只有当晶闸管的阳极电流即主回路电流上升到晶闸管的掣住电流以上时，晶闸管才能导通，所以触发信号应有足够的宽度才能保证被触发的晶闸管可靠的导通。
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。
第三，触发脉冲的宽度要能维持到晶闸管彻底导通后才能撤掉，晶闸管对触发脉冲的幅值要求是：
在门极上施加的触发电压或触发电流应大于产品提出的数据，但也不能太大，以防止损坏其控制极，在有晶闸管串并联的场合，触发脉冲的前沿越陡越有利于晶闸管的同时触发导通。
第四，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。
第五，触发脉冲与主电路电源必须同步。
为了使晶闸管在每一个周期都以相同的控制角
被触发导通，触发脉冲必须与电源同步，两者的频率应该相同，而且要有固定的相位关系，以使每一周期都能在同样的相位上触发。
4元器件的选择
4.1晶闸管
晶闸管（Thyristor）是晶体闸流管的简称，又称作可控硅整流（SCR），开辟了电力电子技术迅速发展和广泛应用的崭新时代。
自20世纪80年代以来，晶闸管开始被性能更好的全控型器件取代。
晶闸管能承受的电压和电流容量最高，工作可靠，以被广泛应用于相控整流、逆变、交流调压、直流变换等领域，成为功率低频（200Hz以下）装置中的主要器件。
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。
4.1.1晶闸管的结构与工作原理
1）晶闸管的外形与结构
图4-2所示为晶闸管的外形、结构、电器图形符号和模块外形。
从外形上来看，晶闸管也主要有螺栓型和平板型两种封装结构，均引出阳极A、阴极K和门极G三个连接端。
晶闸管内部是PNPN四层半导体结构，分别命名为P1、N1、P2、N2四个区。
P1区引出阳极A，N2区引出阴极K，P2区引出门极G。
四个区形成J1、J2、J3三个PN结。
如果正向电压加到器件上，则J2处于反向偏置状态，器件A、K两端之间处于阻断状态，只能流过很小的漏电流；如果反向电压加到器件上，则J1和J3反偏，该器件也处于阻断状态，仅有极小的反向漏电流通过。
2）晶闸管的工作原理
晶闸管导通的工作原理可以用双晶体管模型来解释，如图4-3所示。
如在器件上取一倾斜的截面，则晶闸管可以看作由P1N1P2和N1P2N2构成的两个晶体管V1、V2组合而成。
如果外电路向门极注入电流IG，也就是注入驱动电流，则IG流入晶体管V2的基极。
即产生集电极电流Ic2，它构成晶体管V1的基极电流，放大成集电极电流Ic1，又进一步增大V2的基极电流，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。
所以，对晶闸管的驱动过程更多的是成为触发，产生注入门极的触发电流IG的电路称为门极触发电路。
也正是由于通过其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。
晶闸管在以下几种情况下也可能被触发导通：
阳极电压升高至相当高的数值造成雪崩效应；阳极电压上升率du/dt过高；结温较高；光直接照射硅片，即光触发。
这些情况除了由于光触发可以保证电路与主电路之间的良好绝缘而应用于高压电力设备之外，其他都因不易控制而难以应用于实践。
只有门极触发是最精确、迅速而可靠的控制手段。
图4.2晶闸管的外形、结构、电气图形符号和模块外形
a）晶闸管外形b）内部结构c）电气图形符号d）模块外形
图4.3晶闸管的双晶体管模型及其工作原理
4.1.2晶闸管的选择
由于设计要求单相桥式半控整流电路输出电压范围为0～180伏连续可调，即
（4-1）
化简得
（4-2）
取U=200V，则
，正好满足
的范围。
即输出电压的0～180伏对应着
角的1800～0。
输出平均电流的最大值为
（4-3）
晶闸管承受的最大反向电压为
（4-4）
流过每个晶闸管的最大电流的有效值为
（4-5）
故晶闸管的额定电压为
（4-6）
晶闸管的额定电流为
（4-7）
4.2电力二极管
电力二极管（PowerDiode）自20世纪50年代初期就获得应用，虽然是不可控器件，但其原理和结构简单，工作可靠，所以直到现在电力二极管仍然大量应用于许多电气设备当中。
电力二极管实际上是由一个面积较大的PN结和两端引线以及封装组成的。
当PN结外加正向电压（正向偏置），即外加电压的正端接P区、负端接N区时，外加电场与PN结自建电场方向相反，使得多子的扩散运动大于少子的漂移运动，形成扩散电流，在内部造成空间电荷区变窄，而在外电路上则形成自P区流入而从N区流出的电流，称为正向电流IF。
当外加电压升高时，自建电场将进一步被削弱，扩散电流进一步增加。
这就是PN结的正向导通状态。
当PN结外加反向电压时（反向偏置），外加电场与PN结自建电场方向相同，使得少子的漂移运动大于多子的扩散运动，形成漂移电流，在内部造成空间电荷区变窄，而在外电路上则形成自N区流入而从P区流出的电流，称为反向电流IR。
但是少子的浓度很小，在温度一定时漂移电流的数值趋于恒定，被称为反向饱和电流Is，一般仅为微安数量级，因此反向偏置的PN结表现为高阻态，几乎没有电流流过，被称为反向截止状态。
这就是PN结的单向导电性，二极管的基本原理就在于PN结的单向导电性这个主要特征。
由于在单相桥式半控整流电路中，电力二极管所承受的电压和流经的电流与晶闸管相同，因此电力二极管参数的选定与晶闸管相同。
5MATLAB建模与仿真
启动MATLAB，打开Simulink，新建文件，根据单相桥式半控整流电路所需的元器件添加相应的控件并连线，完成仿真图的绘制。
绘制完成后的仿真图如图5-1所示。
图5-1单相桥式半控整流电路的MATLAB仿真图
由前面的计算我们已经知道，当控制角
从0连续变化到1800时，对应的直流输出电压从180V连续变化到0。
图5-2、5-3、5-4、5-5分别给出了控制角
为0、450、900、1800时的仿真波形图。
从上到下的分别是电源电压U、晶闸管VT1的触发脉冲P1、晶闸管VT3的触发脉冲P2、流经晶闸管VT1的电流Id1、流经晶闸管VT3的电流Id2、输出电压Ud的波形。
图5-2控制角
=0时的仿真波形
图5-3控制角
=450时的仿真波形
图5-4控制角
=900时的仿真波形
图5-5控制角
=1800时的仿真波形
6心得体会
这次的课程设计让我对电力电子的理论知识有了很深的认识，尤其是在书本中介绍不完全的知识。
要完成这次课程设计，仅仅靠书本上的知识是远远不够的，我查阅了一些关于电力电子的书籍，也通过网络查了很多电力电子的知识。
课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，这是我们迈向社会，从事职业工作前一个必不少的过程。
对于课程设计的内容，首先要做的应是对设计内容的理论理解，在理论充分理解的基础上，才能做好课程设计。
设计过程中，我明白了整流电路，尤其是单相桥式半控整流电路的重要性以及整流电路设计方法的多样性。
总之，这次课程设计不仅增加了我的知识积累，为将来的毕业设计打下了基础，还让我懂得自主学习的重要性，还有做什么事情都要有恒心，有信心，动脑子去想，就一定有所收获。
在此还要感谢老师对我不厌其烦的指导，使我能够顺利完成此次课程设计。
参考文献
[1]王兆安，刘进军.电力电子技术[M].北京：
机械工业出版社，2009
[2]王维平.现代电力电子技术及应用[M].南京：
东南大学出版社，1999
[3]叶斌.电力电子应用技术及装置[M].北京：
铁道出版社，1999
[4]马建国，孟宪元.电子设计自动化技术基础[M].清华大学出版社,2004
[5]马建国.电子系统设计[M].北京：
高等教育出版社,2004
[6]王锁萍.电子设计自动化教程[M].四川：
电子科技大学出版社，2002
本科生课程设计成绩评定表
姓名
性别
男
专业、班级
自动化100...班
课程设计题目：
单相半控桥式晶闸管整流电路的设计
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：
升级会员 