单相全控桥式晶闸管整流电路的设计.docx
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单相全控桥式晶闸管整流电路的设计
电力电子技术课程设计报告
题目：
单相全控桥式晶闸管整流电路的设计
第1章绪论
1.1电力电子技术的发展
晶闸管出现前的时期可称为电力电子技术的史前期或黎明时期。
晶闸管由于其优越的电气性能和控制性能，使之很快就取代了水银整流器和旋转变流机组。
并且，其应用范围也迅速扩大。
电力电子技术的概念和基础就是由于晶闸管及晶闸管变流技术的发展而确立的。
晶闸管是通过对门极的控制能够使其导通而不能使其关断的器件，属于半控型器件。
对晶闸管电路的控制方式主要是相位控制式，简称相控方式。
晶闸管的关断通常依靠电网电压等外部条件来实现。
这就使得晶闸管的应用受到了很大的局限。
70年代后期，以门极可关断晶闸管（GTO）、电力双极型晶体管（BJT）和电力场效应晶体管（Power-MOSFET）为代表的全控型器件迅速发展。
全控型器件的特点是，通过对门极（基极、栅极）的控制既可使其开通又可使其关断。
在80年代后期，以绝缘栅极双极型晶体管（IGBT）为表的复合型器件异军突起。
它是MOSFET和BJT的复合，综合了两者的优点。
与此相对，MOS控制晶闸管（MCT）和集成门极换流晶闸管（IGCT）复合了MOSFET和GTO。
1.2电力电子技术的应用
电力电子技术是一门新兴技术，它是由电力学、电子学和控制理论三个学科交叉而成的，在电气自动化专业中已成为一门专业基础性强且与生产紧密联系的不可缺少的专业基础课。
本课程体现了弱电对强电的控制，又具有很强的实践性。
能够理论联系实际，在培养自动化专业人才中占有重要地位。
它包括了晶闸管的结构和分类、晶闸管的过电压和过电流保护方法、可控整流电路、晶闸管有源逆变电路、晶闸管无源逆变电路、PWM控制技术、交流调压、直流斩波以及变频电路的工作原理。
在电力电子技术中，可控整流电路是非常重要的内容，整流电路是将交流电变为直流电的电路，其应用非常广泛。
工业中大量应用的各种直流电动机的调速均采用电力电子装置；电气化铁道（电气机车、磁悬浮列车等）、电动汽车、飞机、船舶、电梯等交通运输工具中也广泛采用整流电力电子技术；各种电子装置如通信设备中的程控交换机所用的直流电源、大型计算机所需的工作电源、微型计算机内部的电源都可以利用整流电路构成的直流电源供电，可以说有电源的地方就有电力电子技术的设备。
1.3电力电子技术课程中的整流电路
整流电路按组成的器件不同，可分为不可控、半控与全控三种，利用晶闸管半导体器件构成的主要有半控和全控整流电路；按电路接线方式可分为桥式和零式整流电路；按交流输入相数又可分为单相、多相（主要是三相）整流电路。
正是因为整流电路有着如此广泛的应用，因此整流电路的研究无论在是从经济角度，还是从科学研究角度上来讲都是很有价值的。
本设计正是结合了Matlab仿真软件对单相半控桥式晶闸管整流电路进行分析。
第2章系统方案及主电路设计
2.1方案的选择
我们知道，单相整流电路形式是各种各样的，可分为单相桥式相控整流电路和单相桥式半控整流电路，整流的结构也是比较多的。
因此在做设计之前我们主要考虑了以下几种方案：
方案一：
单相桥式半控整流电路
电路简图如下：
图2-1单相桥式半控整流电路
对每个导电回路进行控制，相对于全控桥而言少了一个控制器件，用二极管代替，有利于降低损耗！
如果不加续流二极管，当α突然增大至180°或出发脉冲丢失时，由于电感储能不经变压器二次绕组释放，只是消耗在负载电阻上，会发生一个晶闸管导通而两个二极管轮流导通的情况，这使ud成为正弦半波，即半周期ud为正弦，另外半周期为ud为零，其平均值保持稳定，相当于单相半波不可控整流电路时的波形，即为失控。
所以必须加续流二极管，以免发生失控现象。
方案二：
单相桥式全控整流电路
电路简图如下：
图2-2单相桥式全控整流电路
此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。
方案三：
单相半波可控整流电路：
电路简图如下：
图2-3单相半波可控整流电路
此电路只需要一个可控器件，电路比较简单，VT的a移相范围为180。
但输出脉动大，变压器二次侧电流中含直流分量，造成变压器铁芯直流磁化。
为使变压器铁心不饱和，需增大铁心截面积，增大了设备的容量。
实际上很少应用此种电路。
方案四：
单相全波可控整流电路：
电路简图如下：
图2-4单相全波可控整流电路
此电路变压器是带中心抽头的，结构比较复杂，只要用2个可控器件，单相全波只用2个晶闸管，比单相全控桥少2个，因此少了一个管压降，相应地，门极驱动电路也少2个，但是晶闸管承受的最大电压是单相全控桥的2倍。
不存在直流磁化的问题，适用于输出低压的场合作电流脉冲大（电阻性负载时），且整流变压器二次绕组中存在直流分量,使铁心磁化，变压器不能充分利用。
而单相全控式整流电路具有输出电流脉动小，功率因数高，变压器二次电流为两个等大反向的半波，没有直流磁化问题，变压器利用率高的优点。
相同的负载下流过晶闸管的平单相全控式整流电路其输出平均电压是半波整流电路2倍，在均电流减小一半；且功率因数提高了一半。
综上所述，针对他们的优缺点，我们采用方案二，即单相桥式全控整流电路。
2.2系统流程框图
根据方案选择与设计任务要求，画出系统电路的流程框图如图2-1所示。
整流电路主要由驱动电路、保护电路和整流主电路组成。
根据设计任务，在此设计中采用单相桥式全控整流电路带阻感性负载。
图2-1系统框图
2.3主电路的设计
图2-6主电路原理图
图2-7主电路工作波形图
电路如图2-6和图2-7所示。
为便于讨论，假设电路已工作于稳态。
（1）工作原理
在电源电压
正半周期间，VT1、VT2承受正向电压，若在
时触发，VT1、VT2导通，电流经VT1、负载、VT2和T二次侧形成回路，但由于大电感的存在，
过零变负时，电感上的感应电动势使VT1、VT2继续导通，直到VT3、VT4被触发导通时，VT1、VT2承受反相电压而截止。
输出电压的波形出现了负值部分。
在电源电压
负半周期间，晶闸管VT3、VT4承受正向电压，在
时触发，VT3、VT4导通，VT1、VT2受反相电压截止，负载电流从VT1、VT2中换流至VT3、VT4中在
时，电压
过零，VT3、VT4因电感中的感应电动势一直导通，直到下个周期VT1、VT2导通时，VT3、VT4因加反向电压才截止。
值得注意的是，只有当时
，负载电流
才连续，当时
，负载电流不连续，而且输出电压的平均值均接近零，因此这种电路控制角的移相范围是
。
2.4整流电路参数计算
1.在阻感负载下电流连续，整流输出电压的平均值为
（2-1）
由设计任务有电感
，电阻
，
，则输出电压平均值
的最大值可由下式可求得。
（2-2）
可见，当
在
范围内变化时，整流器可在
范围内取值。
2.整流输出电压有效值为
（2-3）
3.整流输出电流平均值为：
（2-4）
4.在一个周期内每组晶闸管各导通180°，两组轮流导通，整流变压器二次电流是正、负对称的方波，电流的平均值
和有效值
相等，其波形系数为1。
流过每个晶闸管的电流平均值与有效值分别为：
（2-5）
（2-6）
5、晶闸管在导通时管压降
=0,故其波形为与横轴重合的直线段；VT1和VT2加正向电压但触发脉冲没到时，VT3、VT4已导通，把整个电压
加到VT1或VT2上，则每个元件承受的最大可能的正向电压等于
；VT1和VT2反向截止时漏电流为零，只要另一组晶闸管导通，也就把整个电压
加到VT1或VT2上，故两个晶闸管承受的最大反向电压也为
。
2.5晶闸管元件的选择
1、晶闸管的额定电流
选择晶闸管额定电流的原则是必须使管子允许通过的额定电流有效值
大于实际流过管子电流最大有效值
，即
=1.57
>
或
>
（2-7）
考虑（1.5～2）倍的裕量：
（2-8）
此外，还需注意以下几点：
①当周围环境温度超过+40℃时，应降低元件的额定电流值。
②当元件的冷却条件低于标准要求时，也应降低元件的额定电流值。
③关键、重大设备，电流裕量可适当选大些。
2、晶闸管的额定电压
晶闸管实际承受的最大峰值电压乘以（2～3）倍的安全裕量，即可确定晶闸管的额定电压：
（2～3）
（2～3）
（622～933）
（2-9）
取800V。
由以上分析计算知选取晶闸管的型号为
。
3、
晶闸管的具体参数
额定通态平均电流（IT（AV））：
1A;
断态重复峰值电压（UDRM）:
500V;
反向重复峰值电压（URRM）:
1800V;
断态重复平均电流（IDR（AV））:
≤6mA;
反向重复平均电流（IRR（AV））:
≤6mA;
门极触发电流（IGT）:
60mA;
门极触发电压（UGT）:
1.8V;
断态电压临界上升率（du/dt）:
50V/uS
维持电流（IH）：
60mA;
额定结温（TjM）：
110℃
第3章驱动电路设计
3.1触发电路简介
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。
3.2触发电路设计要求
晶闸管的型号很多，其应用电路种类也很多，不同的晶闸管型号，应用电路对触发信号都会有不同的要求。
但是，归纳起来，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。
不管是哪种触发电路，对它产生的触发脉冲都有如下要求：
1、触发信号为直流、交流或脉冲电压，由于晶闸管导通后，门极触发信号即失去了控制作用，为了减小门极的损耗，一般不采用直流或交流信号触发晶闸管，而广泛采用脉冲触发信号。
2、触发信号应有足够的功率（触发电压和触发电流）。
触发信号功率大小是晶闸管元件能否可靠触发的一个关键指标。
由于晶闸管元件门极参数的分散性很大，且随温度的变化也大，为使所有合格的元件均能可靠触发，可参考元件出厂的试验数据或产品目录来设计触发电路的输出电压、电流值，并有一定的裕量。
3、触发脉冲应有一定的宽度，脉搏冲的前沿尽可能陡，以使元件在触发信号导通后，阳极电流能迅速上升超过掣住电流而维持导通。
普通晶闸管的导通时间约法为6
，故触发电路的宽度至少应有
以上，对于电感性负载，由于电感会抑制电流的上升，触发脉冲的宽度应更大一些，通常为0.5
至1
，此外，某些具体电路对触发脉冲宽度会有一定的要求，如三相全控桥等电路的触发脉冲宽度要大于60°或采用双窄脉冲。
为了快速而可靠地触发大功率晶闸管，常在触发脉冲的前沿叠加一个强触发脉冲，强触发脉冲的电流波形如图4-1所示。
强触发电流的幅值
可达到最大触发电流的5倍。
前沿
约为几
。
图3-1强触发电流波形
4、触发脉冲必须与晶闸管的阳极电压同步，脉冲称相范围必须满足电路要求。
为保证控制的规律性，要求晶闸管在每个阳极电压周期都在相同控制角α触发导通，这就要求脉冲的频率必须与阳极电压同步。
同时，不同的电路或者相同的电路在不同的负载、不同的用途时，要求的
变化的范围（移相范围）亦即触发脉冲前沿与阳极电压的相位变化范围不同，所用触发电路的脉冲移相范围必须满足实际的需要。
3.3集成触发电路TCA789
3.3.1TCA785芯片介绍
TCA785是德国西门子（Siemens）公司于1988年前后开发的第三代晶闸管单片移相触发集成电路，它是取代TCA780及TCA780D的更新换代产品，其引脚排列与TCA780、TCA780D和国产的KJ785完全相同，因此可以互换。
目前，它在国内变流行业中已广泛应用。
与原有的KJ系列或KC系列晶闸管移相触发电路相比，它对零点的识别更加可靠，输出脉冲的齐整度更好，而移相范围更宽，且由于它输出脉冲的宽度可人为自由调节，所以适用范围较广。
（1）引脚排列、各引脚的功能及用法
TCA785是双列直插式16引脚大规模集成电路。
它的引脚排列如图3-2所示。
图3-2TCA785的引脚排列
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）基本设计特点
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）。
（3）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；
最高工作频率：
10—500Hz；
工作温度范围：
军品-55—+125℃，工业品-25—+85℃，民品0—+70℃。
3.3.2TCA785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3-3所示。
图3-3TCA785锯齿波移相触发电路原理图
锯齿波斜率由电位器RP1调节，RP2电位器调节晶闸管的触发角。
交流电源采用同步变压器提供，同步变压器与整流变压器为同一输入，根据TCA785能可靠地对同步交流电源的过零点进行识别，从而可保证触发脉冲与晶闸管的阳极电压保持同步。
同步变压器的变比选为
。
第4章保护电路设计
在电力电子电路中，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。
4.1过电压保护
以过电压保护的部位来分，有交流侧过压保护、直流侧过电压保护和器件两端的过电压保护三种。
（1）交流侧过电压保护
可采用阻容保护或压敏电阻保护。
阻容保护（即在变压器二次侧并联电阻R和电容C进行保护）
单相阻容保护的计算公式如下：
（4-1）
（4-2）
S：
变压器每相平均计算容量（VA）；
：
变压器副边相电压有效值（V）；
%：
变压器激磁电流百分值；
%：
变压器的短路电压百分值。
当变压器的容量在（10—000）KVA里面取值时
%=（4—10）在里面取值，
%=（5—10）里面取值。
电容C的单位为μF，电阻的单位为Ω。
电容C的交流耐压≥1.5U
。
U
：
正常工作时阻容两端交流电压有效值。
根据公式算得电容值为4.8μF,交流耐压为165V，电阻值为12.86Ω，
在设计中我们取电容为5μF，电阻值为13Ω。
压敏电阻
的计算
=
=1.3×
×220=404.4V（4-3）
流通量取5KA。
选MY31-440/5型压敏电阻（允许偏差+10％）作交流侧浪涌过电压保护。
（2）直流侧过电压保护
直流侧保护可采用与交流侧保护相同保护相同的方法，可采用阻容保护和压敏电阻保护。
但采用阻容保护易影响系统的快速性，并且会造成
加大。
因此，一般不采用阻容保护，而只用压敏电阻作过电压保护。
（1.8～2）
=（1.8～2.2）×198=356.4～435.6V（4-4）
选MY31-440/5型压敏电阻（允许偏差+10％）作直流侧过压保护。
（3）晶闸管两端的过电压保护
抑制晶闸管关断过电压一般采用在晶闸管两端并联阻容保护电路方法，可查下面的经验值表确定阻容参数值。
表4-1阻容保护的数值（一般根据经验选定）
晶闸管额定电流/A
10
20
50
100
200
500
1000
电容/μF
0.1
0.15
0.2
0.25
0.5
1
2
电阻/Ω
100
80
40
20
10
5
2
由于
由上表可知选取C=0.1µF，R=100Ω。
4.2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
A（4-5）
选取RLS-1快速熔断器，熔体额定电流1A。
4.3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4-1所示。
图4-1串联电感抑制回路
4.4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4-2所示。
图4-2并联R-C阻容吸收回路
第5章系统仿真
5.1MATLAB主电路仿真
本次系统仿真采用目前比较流行的控制系统仿真软件MATLAB，使用MATLAB对控制系统进行计算机仿真的主要方法有两种，一是以控制系统的传递函数为基础，
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