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三相桥式全控整流电路的研究及触发电路设计

xxxx大学

毕业论文（设计）

题目：

三相桥式全控整流电路的研究及触发电路设计

姓名：

学院：

机电工程学院

专业：

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2006.02

学号：

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日期：

年月日

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日期：

年月日

三相桥式全控整流电路的研究及触发电路设计

摘要

整流电路尤其是三相桥式可控整流电路是电力电子技术中最为重要，也是应用得最为广泛的电路，不仅应用于一般工业领域，也广泛应用于交通运输、电力系统、通信系统、能源系统及其他领域。

三相可控整流电路中应用最多的是三相桥式全控整流电路。

这次设计主要对三相桥式整流电路进行研究，研究其工作原理及其产生的波形。

在理解三相桥式整流电路工作原理的基础上，设计出合理的三相桥式整流电路的触发电路，较好的实现整流的功能。

触发电路设计方面分析了KC04，KC41，KC42，CD4066,CD4069等集成电路构成的各功能模块的工作原理，其中着重分析了KC04实现宽、窄脉冲两种工作模式的原理及其工作波形及KC41和KC42之间的关系，该电路可用于三相全控整流及逆变、三相交流调压及直流电机调速系统等实验。

关键词：

整流电路；触发电路；移相触发脉冲

Three-PhaseBridgeControlledRectifierCircuitDesignResearchAndTriggerCircuit

Abstract

Rectifiercircuitisanimportantpowerelectronicstechnologyandthree-phasebridgerectifiercircuitwhichiscontrolledisthemostimportant.Itisusedwidelyinthecircuit,notonlyappliestogeneralindustry,alsowidelyusedintransportation,powersystems,communicationssystems,energysystemsandotherareas.Three-phasecontrolledrectifiercircuitisthemostwidelyusedthree-phasebridgecontrolledrectifiercircuit.Thedesignofthemainthree-phasebridgerectifiercircuitresearch,tostudytheworkingprincipleandtheresultingwaveform.Three-phasebridgerectifiercircuitinunderstandingthebasisoftheprincipledesignareasonablethree-phasebridgerectifiercircuitoftriggercircuit,thebettertoachieverectificationfunction.TriggercircuitdesignoftheKC04,KC41,KC42,CD4066,CD4069andotherintegratedcircuitsconsistingoftheworkingprincipleofeachfunctionalmodule,whichanalyzestheKC04realizationofwide,narrowpulseprincipleoftwomodesandtheirwaveandKC41andKC42relationship,thecircuitcanbeusedforthree-phasefullycontrolledrectifierandinverter,three-phaseACvoltageregulationandDCmotorspeedcontrolsystemexperiment.

Keywords:

Rectifiercircuit;Triggercircuit;Changeappearancetriggerpulse

1绪论

1.1研究的目的

整流电路可将交流电源变换成直流电源。

将从发电机端或交流励磁机端获得的交流电压变换成直流电压，供给发电机转子励磁绕组或励磁机磁场绕组的励磁需要，这是同步发电机半导体励磁系统中整流电路的主要任务。

对于接在发电机转子励磁回路中的三相桥式全控整流电路，除了将交流变换成直流的正常任务外，还可以将储存在转子磁场中的能量，经全控桥迅速反馈给交流电源进行将直流变换成交流的逆变灭磁。

三相全控整流电路的整流负载容量较大，输出直流电压脉动较小，是目前应用最为广泛的整流电路。

本次设计为更好的实现各行各业对整流电路的需求，在充分了解整流主电路的基础上，设计出性能优良的触发电路，以产生出更加精密的波形，以实现各种电路对整流电路的要求。

1.2国内外研究的现状

对于整流电路的研究，主要体现在触发电路的研究上。

主电路中晶闸管装置的的正常工作，与门极触发电路正确和可靠的运行密切相关，门极触发电路必须按主电路的要求来设计。

对于晶闸管变流装置主电路，对门极触发电路的要求：

触发脉冲应有足够的功率，触发脉冲的电压和电流应大于晶闸管要求的数值，并留有一定的裕量。

触发脉冲的相位应能在规定范围内移动。

触发脉冲与晶闸管主电路电源必须同步，两者频率应该相同，而且要有固定的相位关系，使每一周期都能在同样的相位上触发。

触发脉冲的波形要符合要求。

目前，国内外研究的方向大致分为以下几种：

（a）RC触发电路

它是最原始、最基本的可控硅触发电路，其主要特点是体积小、结构简单。

家用电风扇、调速器以及电烤炉调温器基本上由这种电路结构组成，工业上基本不再采用此电路。

.

（b）晶体管触发电路、单结晶体管触发电路

晶体管触发电路、单结晶体管触发电路是在RC触发电路基础上改进得来的，其原理基本上相同。

利用单结晶体管的负阻特性和RC电路的充放电特性可以组成单结晶体管触发电路。

它通过同步变压器输出电压整流成梯形波作为同步电压，通过改变尺的大小，可改变电容充电速度，也就改变了第1个脉冲出现的角度，达到调节角的目的。

通过脉冲变压器输出触发脉冲以实现触发电路与主电路的电气隔离。

单结晶体管触发电路线性较差，温漂较大，对称差，目前在直流电焊机和一些要求不很高的场所还有应用。

（c）模拟（集成）触发电路

随着集成电路的出现和发展，集成电路在可控硅触发电路中也得到广泛应用。

如KC04、TCA785、TCA787等。

本文就用了KC04可控硅移相触发电路。

KC04可控硅移相触发电路适用于单相、三相全控桥式供电装置，作可控硅的双路脉冲移相触发。

KC04器件输出2路相差180°的移相脉冲，可以方便地构成全控桥式触发器线路。

该电路具有输出负载能力大，移相性好，正负半周脉冲相位均衡性好，移相范围宽，对同步电压要求低，有脉冲列调制输出端等功能与特点。

该电路由同步检测电路、锯齿波形成电路、偏移电压、偏移电压综合比较放大电路和功相率放大电路等部分组成。

本文利用集成电路设计组成可控硅移相触发电路，该电路克服了双基极管移相触发电路工作电压高、适应面窄、热损耗大之缺陷；同时该电路具有体积小、移相范围宽、灵敏度高之优点；不仅可作模块触发电路，更重要的是它还可与不同规格型号的单个可控硅相配套．电路结构简单，操作方便、安全可靠。

从而给生产过程的控制精确度和电路的设计带来方便。

1.3设计的方法

本文可输出宽、窄脉冲列的晶闸管触发电路，分析了KC04，KC41，KC42集成电路构成的各功能模块的工作原理，其中着重分析了KC04实现宽、窄脉冲两种工作模式的原理及其工作波形，对电力电子实验过程中遇到的宽脉冲触发方式，学生往往知其然而不知其所以然。

因此本文晶闸管触发电路如何输出宽、窄脉冲列的工作原理进行了具体分析。

本次设计的触发电路大致原理如下：

同步变压器对电网电压进行采样并降压，之后输入KC04用来产生单脉冲，通过调节分压电阻可以实现对单脉冲占空比的调节，通过模拟开关4066来实现对KC04宽窄脉冲模式的切换，使KC04输出宽脉冲或者窄脉冲，KC42则产生高频调制波对KC04输出的宽脉冲或窄脉冲进行高频调制，使其输出宽窄脉冲列，当KC04处于宽脉冲方式时，KC04输出直接加到驱动电路，而KC04处于窄脉冲方式时单脉冲（3片KC04产生6路）输入至KC41合成双脉冲，每组双脉冲相位相差60º，用于触发整流桥电路。

1.4设计的意义

以往的晶闸管触发电路一般都只能输出窄脉冲，且窄脉冲没有经过脉冲调制。

本次论文中介绍的晶闸管触发电路可输出宽窄脉冲列，并通过KC42对宽窄脉冲进行高频调制，减小了脉冲变压器的体积和能耗，同时本文对KC04产生宽窄脉冲列的工作原理进行了详细的分析，对其两种工作状态下的波形进行了比较。

给出了KC41及KC42的外围电路图，对KC41产生双窄脉冲及KC42如何进行高频调制的原理进行了介绍，根据不同的实验特点，宽窄脉冲两种触发模式可以用于不同的研究，其中三相全控整流实验中就选择双窄脉冲列方式。

这在以后的教学及研究中都有很大的帮助。

2三相桥式整流电路

2.1晶闸管简介

晶体闸流管又叫可控硅整流器，它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。

a晶闸管的结构与工作原理

外形有螺栓型和平板型两种封装。

有三个联接端，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晶闸管可由两个散热器将其夹在中间。

图2-1晶闸管的结构与工作原理

a）晶闸管双晶体管模型b）工作原理

据上图推导正反馈即晶闸管一旦导通，则门极失去控制。

阻断状态是IG=0，共基极电流增益1+2很小。

流过晶闸管的漏电流稍大于两个晶体管漏电流之和[1]。

开通状态是注入触发电流使晶体管的发射极电流增大以致1+2趋近于1的话，流过晶闸管的电流IA，将趋近于无穷大，实现饱和导通。

IA实际由外电路决定。

其他几种可能导通的情况：

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；光触发，光触发可以保证控制电路与主电路之间的良好绝缘而应用于高压电力设备中，称为光控晶闸管。

只有门极触发是最精确、迅速而可靠的控制手段。

b晶闸管的基本特性

晶闸管正常工作时的特性为承受反向电压时，不论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通；承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情况下晶闸管才能开通；晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用；要使晶闸管关断，只能使晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下[2]。

静态特性：

（a）正向特性

IG=0时，器件两端施加正向电压，只有很小的正向漏电流，为正向阻断状态。

正向电压超过正向转折电压Ubo，则漏电流急剧增大，器件开通。

随着门极电流幅值的增大，正向转折电压降低。

晶闸管本身的压降很小，在1V左右。

（b）反向特性

反向特性类似二极管的反向特性。

反向阻断状态时，只有极小的反相漏电流流过。

当反向电压达到反向击穿电压后，可能导致晶闸管发热损坏。

动态特性：

（a）开通过程：

延迟时间td（0.5～1.5s）

上升时间tr（0.5～3s）

开通时间tgt以上两者之和。

（2-1）

（b）关断过程：

反向阻断恢复时间trr

正向阻断恢复时间tgr

关断时间tq为以上两者之和:

（2-2）

普通晶闸管的关断时间约几百微秒

c晶闸管的主要参数

（a）电压定额

断态重复峰值电压UDRM，即在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的正向峰值电压。

反向重复峰值电压URRM，即在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的反向峰值电压[3]。

通态（峰值）电压UT，即晶闸管通以某一规定倍数的额定通态平均电流时的瞬态峰值电压。

通常取晶闸管的UDRM和URRM中较小的标值作为该器件的额定电压，选用时，一般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压2～3倍。

（b）电流定额

通态平均电流IT（AV），即在环境温度为40C和规定的冷却状态下，稳定结温不超过额定结温时所允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。

标称其额定电流的参数。

使用时应按有效值相等的原则来选取晶闸管。

维持电流IH，即使晶闸管维持导通所必需的最小电流。

擎住电流IL，是晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号后，能维持导通所需的最小电流[4]。

对同一晶闸管来说，通常IL约为IH的2～4倍。

浪涌电流ITSM，指由于电路异常情况引起的并使结温超过额定结温的不重复性最大正向过载电流。

（c）动态参数

除开通时间tgt和关断时间tq外，还有：

断态电压临界上升率du/dt，它指在额定结温和门极开路的情况下，不导致晶闸管从断态到通态转换的外加电压最大上升率。

电压上升率过大，使充电电流足够大，就会使晶闸管误导通。

通态电流临界上升率di/dt，指在规定条件下，晶闸管能承受而无有害影响的最大通态电流上升率，如果电流上升太快，可能造成局部过热而使晶闸管损坏。

d晶闸管的派生器件

（a）快速晶闸管

它包括快速晶闸管和高频晶闸管。

开关时间以及du/dt和di/dt耐量都有明显改善。

普通晶闸管关断时间数百微秒，快速晶闸管数十微秒，高频晶闸管10s左右。

高频晶闸管的不足在于其电压和电流定额都不易做高。

由于工作频率较高，不能忽略其开关损耗的发热效应。

（b）双向晶闸管

可认为是一对反并联联接的普通晶闸管的集成。

有两个主电极T1和T2，一个门极G。

在第Ｉ和第III象限有对称的伏安特性。

不用平均值而用有效值来表示其额定电流值。

（c）逆导晶闸管

将晶闸管反并联一个二极管制作在同一管芯上的功率集成器件。

具有正向压降小、关断时间短、高温特性好、额定结温高等优点[5]。

（d）光控晶闸管

又称光触发晶闸管，是利用一定波长的光照信号触发导通的晶闸管，光触发保证了主电路与控制电路之间的绝缘，且可避免电磁干扰的影响，因此目前在高压大功率的场合。

2.2主电路的选取方案

三相可控整流电路的控制量可以很大，输出电压脉动较小，易滤波，控制滞后时间短，因此在工业中几乎都是采用三相可控整流电路。

在电子设备中有时也会遇到功率较大的电源，例如几百瓦甚至超过1—2kw的电源，这时为了提高变压器的利用率，减小波纹系数，也常采用三相整流电路。

另外由于三相半波可控整流电路的主要缺点在于其变压器二次侧电流中含有直流分量，为此在应用中较少。

而采用三相桥式全控整流电路，可以有效的避免直流磁化作用。

虽然三相桥式全控整流电路的晶闸管的数目比三相半波可控整流电路的少，但是三相桥式全控整流电路的输出电流波形便得平直，当电感足够大时，负载电流波形可以近似为一条水平线。

三相桥式全控整流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，不存在变压器直流磁化问题，变压器的利用率也高。

由于教学实验中，所采用的直流电机和交流电机的功率总共500W左右，而额定电流小于3A。

根据断态重复峰值电压和反向重复峰值电压最小为155V，选其3倍，比较各种半控器件，采用晶闸管BT151-500R。

虽然IGBT为全控器件，易于控制，但由于其造价昂贵，而对电路的稳定性要求也较高，易于损坏，所以在主电路的设计中不采用它，而是采用半控的晶闸管。

2.3单相桥式全控整流电路

三相整流电路中应用较多的桥式全控带电阻负载的工作情况工作原理及波形分析见图2-5。

VT1和VT4组成一对桥臂，在u2正半周承受电压u2，得到触发脉冲即导通，当u2过零时关断；VT2和VT3组成另一对桥臂，在u2正半周承受电压-u2，得到触发脉冲即导通，当u2过零时关断。

a角的移相范围为180°。

数量关系：

（2-3）

图2-2单相全控桥式带电阻负载时的电路及波形

（2-4）

（2-5）

（2-6）

（2-7）

（2-8）

不考虑变压器的损耗时，要求变压器的容量为

。

b带阻感负载的工作情况

为便于讨论，假设电路已工作于稳态，id的平均值不变。

假设负载电感很大，负载电流id连续且波形近似为一水平线u2过零变负时，由于电感的作用晶闸管VT1和VT4中仍流过电流id，并不关断。

至ωt=π+a时刻，给VT2和VT3加触发脉冲，因VT2和VT3本已承受正电压，故两管导通。

VT2和VT3导通后，u2通过VT2和VT3分别向VT1和VT4施加反压使VT1和VT4关断，流过VT1和VT4的电流迅速转移到VT2和VT3上，此过程称换相，亦称换流。

（2-9）

晶闸管移相范围为90°，承受的最大正反向电压均为

，导通角θ与a无关，均为180°。

变压器二次侧电流i2的波形为正负各180°的矩形波，其相位由a角决定，有效值I2=Id。

图2-3单相全控桥带阻感负载时的电路及波形

c带反电动势负载时的工作情况

在|u2|>E时，才有晶闸管承受正电压，有导通的可能，导通之后，ud=u2，直至|u2|=E，id即降至0使得晶闸管关断，此后ud=E与电阻负载时相比，晶闸管提前了电角度δ停止导电，δ称为停止导电角[6]。

图2-4单相桥式全控整流电路接反电动势和电阻负载时的电路及波形

在a角相同时，整流输出电压比电阻负载时大。

如图2-4所示id波形在一周期内有部分时间为0的情况，称为电流断续[7]。

与此对应，若id波形不出现为0的点的情况，称为电流连续。

当触发脉冲到来时，晶闸管承受负电压，不可能导通。

为了使晶闸管可靠导通，要求触发脉冲有足够的宽度，保证当

时刻有晶闸管开始承受正电压时，触发脉冲仍然存在。

这样，相当于触发角被推迟为δ。

负载为直流电动机时，如果出现电流断续则电动机的机械特性将很软。

为了克服此缺点，一般在主电路中直流输出侧串联一个平波电抗器，用来减少电流的脉动和延长晶闸管导通的时间。

2.4三相桥式全控整流电路工作原理

三相桥式可控整流电路是电力电子技术中最为重要，也是应用得最为广泛的电路，不仅应用于一般工业领域，也广泛应用于交通运输、电力系统、通信系统、能源系统及其他领域[8]。

因此，对三相桥式可控整流电路的相关参数和不同性质负载的工作情况进行对比分析与研究具有一定的现实意义，这不仅是电力电子电路理论学习的重要一环，而且对工程实践的实际应用具有预测和指导作用。

图2-5三相桥式全控整流电路原理图

三相桥式可控整流电路应用最为广泛，共阴极组——阴极连接在一起的3个晶闸管（VT1，VT3，VT5）共阳极组——阳极连接在一起的3个晶闸管（VT4，VT6，VT2）编号：

1、3、5，4、6、2。

2.4.1带电阻负载时的工作情况

a=0°时的情况

假设将电路中的晶闸管换作二极管进行分析对于共阴极阻的3个晶闸管，阳极所接交流电压值最大的一个导通对于共阳极组的3个晶闸管，阴极所接交流电压值最低（或者说负得最多）的导通任意时刻共阳极组和共阴极组中各有1个晶闸管处于导通状态。

从相电压波形看，共阴极组晶闸管导通时，ud1为相电压的正包络线，共阳极组导通时，ud2为相电压的负包络线，ud=ud1-ud2是两者的差值，为线电压在正半周的包络线直接从线电压波形看，ud为线电压中最大的一个，因此ud波形为线电压的包络线。

图2-6三相全控整流电路电阻负载a=0°时的波形

三相桥式全控整流电路的特点：

（a）晶闸管同时通形成供电回路，其中共阴极组和共阳极组各1个，且不能为同1相器件。

（b）对触发脉冲的要求：

按VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6的顺序，相位依次差60°。

共阴极组VT1、VT3、VT5的脉冲依次差120°，共阳极组VT4、VT6、VT2也依次差120°同一相的上下两个桥臂，即VT1与VT4，VT3与VT6，VT5与VT2，脉冲相差180°。

（c）ud一周期脉动6次，每次脉动的波形都一样，故该电路为6脉波整流电路。

（d）需保证同时导通的2个晶闸管均有脉冲可采用两种方法：

一种是宽脉冲触发，另一种方法是双脉冲触发（常用）。

（e）晶闸管承受的电压波形与三相半波时相同，晶闸管承受最大正、反向电压的关系也相同a=30°时的工作情况从wt1开始把一周期等分为6段，ud波形仍由6段线电压构成，区别在于：

晶闸管起始导通时刻推迟了30°，组成ud的每一段线电压因此推迟30°变压器二次侧电流ia波形的特点：

在VT1处于通态的120°期间，ia为正，ia波形与同时段的ud波形相同，在VT4处于通态的120°期间，ia波形的形状也与同时段的ud波形相同，但为负值。

a=60°时工作情况ud波形中每段线电压的波形继续后移，ud平均值继续降低。

a=60°时ud出现为零的点。

图2-7三相桥式全控整流电路带电阻负载a=30°

当a≤60°时，ud波形均连续，对于电阻负载，id波形与ud波形形状一样，也连续。

当a>60°时，ud波形每60°中有一段为零，ud波形不能出现负值。

带电阻负载时三相桥式全控整流电路a角的移相范围是120°。

图2-8三相桥式全控整流电路带电阻负载a=60°时的波形

2.4.2阻感负载时的工作情况

a≤60°时，ud波形连续，工作情况与带电阻负载时十分相似，各晶闸管的通断情况、输出整流电压ud波形、晶闸管承受的电压波形等都一样区别在于：

由于负载不同，同样的整流输出电压加到负载上，得到的负载电流id波形不同。

阻感负载时，由于电感的作用，使得负载电流波形变得平直，当电感足够大的时候，负载电流的波形可近似为一条水平线。

a>60°时阻感负载时的工作情况与电阻负载时不同，电阻负载时ud波形不会出现负的部分，而阻感负载时，由于电感L的作用，ud波形会出现负的部分带阻感负载时，三相桥式全控整流电路的a角移相范围为90°。

图2-9三相桥式全控整流电路带电阻负载a=90°时的波形

定量分析：

当整流输出电压连续时（即带阻感负载时，或带电阻负载a≤60°时）的平均值为：

（2-10）

带电阻负载且a>60°时，整流电压平均值为：

（2-11）

输出电流平均值为

当整流