用集成触发电路触发的三相桥式全控整流电路设计.docx
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用集成触发电路触发的三相桥式全控整流电路设计
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用集成触发电路触发的三相桥式全控整流电路设计
摘要
对于整流电路的研究，主要体现在触发电路的研究上。
本文在深入理解三相桥式整流电路工作原理的基础上，设计了一种新式的三相桥式整流电路的触发电路，更好的实现了整流的功能。
触发电路设计方面分析了KC04,KC41,KC42,3DK6,3DG27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KC41和KC42之间的关系。
关键词：
整流电路，触发电路，移相触发脉冲
，
…
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Usingintegratedcircuittriggertriggerofthree-phasefull-bridgecontrolledrectifiercircuitdesign
ABSTRACT
Fortheresearchoftherectifiercircuit,mainlyembodiesintheresearchoftriggercircuit.Basedoninunderstandingthebasisoftheprinciple,thepaperdesignanew-styletriggercircuitofthethree-phasebridgerectifiercircuit,thebettertoachieverectificationfunction.TriggercircuitdesignoftheKC04,KC41,KC42,3DK6,3DG27andotherintegratedcircuitsconsistingoftheworkingprincipleofeachfunctionalmodule,whichanalyzestheKC04realizationofwide,narrowpulseprincipleoftwomodesandKC41andKC42relationship.
KEYWORDS:
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Rectifiercircuit，Triggercircuit，Changeappearancetriggerpulse
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1绪论
整流电路技术在工业生产上应用极广。
如调压调速直流电源、电解及电镀的直流电源等。
整流电路就是把交流电能转换为直流电能的电路。
大多数整流电路由变压器、整流主电路和滤波器等组成。
它在直流电动机的调速、发电机的励磁调节、电解、电镀等领域得到广泛应用。
整流电路通常由主电路、滤波器和变压器组成。
20世纪70年代以后，主电路多用硅整流二极管和晶闸管组成。
滤波器接在主电路与负载之间，用于滤除脉动直流电压中的交流成分。
变压器设置与否视具体情况而定。
变压器的作用是实现交流输入电压与直流输出电压间的匹配以及交流电网与整流电路之间的电隔离（可减小电网与电路间的电干扰和故障影响）。
整流电路的种类有很多，有半波整流电路、单相桥式半控整流电路、单相桥式全控整流电路、三相桥式半控整流电路、三相桥式全控整流电路等。
把交流电变换成大小可调的单一方向直流电的过程称为可控整流。
整流器的输入端一般接在交流电网上。
为了适应负载对电源电压大小的要求，或者为了提高可控整流装置的功率因数，一般可在输入端加接整流变压器，把一次电压U1，变成二次电压U2。
由晶闸管等组成的全控整流主电路，其输出端的负载，我们研究是电阻性负载、电阻电感负载（如直流电动机的励磁绕组，滑差电动机的电枢线圈等）。
以上负载往往要求整流能输出在一定范围内变化的直流电压。
为此，只要改变触发电路所提供的触发脉冲送出的早晚，就能改变晶闸管在交流电压U2一周期内导通的时间，这样负载上直流平均值就可以得到控制。
2主电路设计及原理
2.1总体框架图
图2-1总体框架图
三相桥式全控整流电路的原理
一般变压器一次侧接成三角型，二次侧接成星型，晶闸管分共阴极和共阳极。
一般1、3、5为共阴极，2、4、6为共阳极。
（1）2管同时通形成供电回路，其中共阴极组和共阳极组各1，且不能为同1相器件。
（2）对触发脉冲的要求：
1）按VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6的顺序，相位依次差60。
2）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。
3）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。
（3）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。
（4）需保证同时导通的2个晶闸管均有脉冲，可采用两种方法：
一种是宽脉冲触发一种是双脉冲触发（常用）
（5）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。
三相桥式全控整流电路实质上是三相半波共阴极组与共阳极组整流电路的串联。
在任何时刻都必须有两个晶闸管导通才能形成导电回路，其中一个晶闸管是共阴极组的，另一个晶闸管是共阳组的。
6个晶闸管导通的顺序是按VT6–VT1→VT1–VT2→VT2–VT3→VT3–VT4→VT4–VT5→VT5–VT6依此循环，每隔60°有一个晶闸管换相。
为了保证在任何时刻都必须有两个晶闸管导通，采用了双脉冲触发电路，在一个周期内对每个晶闸管连续触发两次，两次脉冲前沿的间隔为60°。
三相桥式全控整流电路原理图如右图所示。
三相桥式全控整流电路用作有源逆变时，就成为三相桥式逆变电路。
由整流状态转换到逆变状态必须同时具备两个条件：
一定要有直流电动势源，其极性须和晶闸管的导通方向一致，其值应稍大于变流器直流侧的平均电压；其次要求晶闸管的a＞90°，使Ud为负值。
图2-2三相桥式全控整流电路
三相桥式全控整流电路原理图
2-3三相桥式全控整流电路带电动机（阻感）负载原理图
三相全控桥的工作特点
⑴2个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。
⑵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。
⑶ud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。
⑷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。
阻感负载时的波形分析
三相桥式全控整流电路大多用于向阻感负载和反电动势阻感负载供电（即用于直流电机传动），下面主要分析阻感负载时的情况，因为带反电动势阻感负载的情况，与带阻感负载的情况基本相同。
当α≤600时，ud波形连续，电路的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。
区别在于负载不同时，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，电阻负载时ud波形与id的波形形状一样。
而阻感负载时，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。
图2-4和图2-5分别给出了三相桥式全控整流电路带阻感负载α=00和α=300的波形。
图2-4中除给出ud波形和id波形外，还给出了晶闸管VT1电流iVT1的波形，可与带电阻负载时的情况进行比较。
由波形图可见，在晶闸管VT1导通段，iVT1波形由负载电流id波形决定，和ud波形不同。
图2-5中除给出ud波形和id波形外，还给出了变压器二次侧a相电流ia的波形，在此不做具体分析。
图2-4触发角为00时的波形图图2-5触发角为300时的波形图
当α＞600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。
图2-6给出了α=900时的波形。
若电感L值足够大，ud中正负面积将基本相等，ud平均值近似为零。
这说明，带阻感负载时，三相桥式全控整流电路的α角移相范围为900。
图2-6触发角为900时的波形图
3晶闸管
晶闸管的结构
晶闸管是一种4层功率半导体器件，具有3个PN结，其内部的构造、外形和电路符号如图3-1所示。
其中，最外层的P区和N区分别引出两个电极，称为阳极A和阴极K，中间的P区引出控制极（或称门极）。
图3-1晶闸管的结构
晶闸管的工作原理
晶闸管组成的实际电路如图3-2所示
图3-2晶闸管组成的实际电路
为了说明晶闸管的工作原理，可将其看成NPN和PNP两个三极管相连，用三极管的符号来表示晶闸管的等效电路，如图3-3所示。
图3-3晶闸管的等效电路
其工作过程如图3-4所示。
当晶闸管的阳极A和阴极K之间加正向电压UZ而控制极K不加电压时，中间的PN结处于反向偏置，管子不导通，处于关断状态。
图3-4晶闸管的伏安特性
当晶闸管的阳极A和阴极K之间加正向电压UA，且控制极G和阴极K之间也加正向电压UG时，外层靠下的PN结处于导通状态。
若V2管的基极电流为IB2，则集电极电流Ic2为β2IB2，V1管的基极电流IB1等于Vz管的集电极电流，因而V2的集电极电流Icl为βlβ2如，该电流又作为V2管的基极电流，再一次进行上述的放大过程，形成正反馈。
在很短的时间（一般几微秒）两只二极管均进入饱和状态，使晶闸管完全导通。
当晶闸管完全导通后，控制极就失去了控制作用，管子依靠内部的正反馈始终维持导通状态。
此对管子压降很小，一般为0.6～V，电源电压几乎全部加在负载电阻R上，晶闸管中有电流流过，可达几十至几千安。
要想关断晶闸管，必须将阳极电流减小到不能维持正反馈过程，当然也可以将阳极电源断开或者在晶闸管的阳极和阴极之间加一反向电压。
综上所述，可得如下结论：
①晶闸管与硅整流二极管相似，都具有反向阻断能力，但晶闸管还具有正向阻断能力，即晶闸管正向导通必须具有一定的条件：
阳极加正向电压，同时控制极也加正向触发电压（实际工作中，控制极加正触发脉冲信号）。
②晶闸管一旦导通，控制极即失去控制作用。
要使晶闸管重新关断，必须做到以下两点之一：
一是将阳极电流减小到小于维持电流IH；二是将阳极电压减小到零或使之反向。
4触发电路设计
控制晶闸管的导通需要触发脉冲，常用的触发电路有单结晶体管触发电路，设计利用KJ004构成的集成触发器实现产生同步信号为锯齿波的触发电路。
集成触发电路
本系统中选择模拟集成触发电路KJ004，KJ004可控硅移相触发电路适用于单相、三相全控桥式供电装置中，作可控硅的双路脉冲移相触发。
KJ004器件输出两路相差180度的移相脉冲，可以方便地构成全控桥式触发器线路。
KJ004电路具有输出负载能力大、移相性能好、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。
原理图如下：
图4-1KJ004的电路原理图
KJ004的工作原理
如图4-1KJ004的电路原理图所示，点划框内为KJ004的集成电路部分，它与分立元件的同步信号为锯齿波的触发电路相似。
V1～V4等组成同步环节，同步电压uS经限流电阻R20加到V1、V2基极。
在uS的正半周，V1导通，电流途径为（+15V－R3－VD1－V1－地）；在uS负半周，V2、V3导通，电流途径为（+15V－R3－VD2－V3－R5－R21―（―15V））。
因此，在正、负半周期间。
V4基本上处于截止状态。
只有在同步电压|uS|＜时，V1～V3截止，V4从电源十15V经R3、R4取得基极电流才能导通。
电容C1接在V5的基极和集电极之间，组成电容负反馈的锯齿波发生器。
在V4导通时，C1经V4、VD3迅速放电。
当V4截止时，电流经（+15V－R6－C1－R22－RP1－（－15V））对C1充电，形成线性增长的锯齿波，锯齿波的斜率取决于流过R22、RP1的充电电流和电容C1的大小。
根据V4导通的情况可知，在同步电压正、负半周均有相同的锯齿波产生，并且两者有固定的相位关系。
V6及外接元件组成移相环节。
锯齿波电压uC5、偏移电压Ub、移相控制电压UC分别经R24、R23、R26在V6基极上叠加。
当ube6>+时，V6导通。
设uC5、Ub为定值，改变UC，则改变了V6导通的时刻，从而调节脉冲的相位。
V7等组成了脉冲形成环节。
V7经电阻R25获得基极电流而导通，电容C2由电源+15V经电阻R7、VD5、V7基射结充电。
当V6由截止转为导通时，C2所充电压通过V6成为V7基极反向偏压，使V7截止。
此后C2经（+15V－R25－V6－地）放电并反向充电，当其充电电压uc2≥+时，V7又恢复导通。
这样，在V7集电极就得到固定宽度的移相脉冲，其宽度由充电时间常数R25和C2决定。
V8、V12为脉冲分选环节。
在同步电压一个周期内，V7集电极输出两个相位差为180°的脉冲。
脉冲分选通过同步电压的正负半周进行。
如在us正半周V1导通，V8截止，V12导通，V12把来自V7的正脉冲箝位在零电位。
同时，V7正脉冲又通过二极管VD7，经V9～V11放大后输出脉冲。
在同步电压负半周，情况刚好相反，V8导通，V12截止，V7正脉冲经V13～V15放大后输出负相脉冲。
说明：
1）KJ004中稳压管VS6～VS9可提高V8、V9、V12、V13的门限电压，从而提高了电路的抗干扰能力。
二极管VD1、VD2、VD6～VD8为隔离二极管。
2）采用KJ004元件组装的六脉冲触发电路，二极管VD1～VD12组成六个或门形成六路脉冲，并由三极管V1～V6进行脉冲功率放大。
3）由于V8、V12的脉冲分选作用，使得同步电压在一周内有两个相位上相差的脉冲产生，这样，要获得三相全控桥式整流电路脉冲，需要六个与主电路同相的同步电压。
因此主变压器接成D，yn11及同步变压器也接成D，yn11情况下，集成触发电路的同步电压uSa、uSb、uSc分别与同步变压器的uSA、uSB、uSC相接RP1～RP3为锯齿波斜率电位器，RP4～RP6为同步相位
集成触发器电路图
三相桥式全控触发电路由3个KJ004集成块和1个KJ041集成块（KJ041内部是由12个二极管构成的6个或门）及部分分立元件构成，可形成六路双脉冲，再由六个晶体管进行脉冲放大即可，分别连到VT1，VT2，VT3，VT4，VT5，VT6的门极。
6路双脉冲模拟集成触发电路图如图4-2所示：
图4-2集成触发电路图
KC04移相触发器
KC04与分立元器件的锯齿波触发电路相似，也是由同步，锯齿波形成，移相控制，脉冲形成及放大输出等环节组成。
该电路在一个交流周期内，在1脚和15脚输出相位差180的两个窄脉冲，可以作为三相桥式主电路同一相所接的上下晶闸管的触发脉冲，16脚接+15V电源，8脚接同步电压，但由同步变压器送出的电压须经微调电位器Ω和电容1组成的滤波移相，以达到消除同步电压高频谐波的侵入，提高抗干扰能力。
所配阻容参数，使同步电压约后移30，可以通过微调电位器调整，使得输出脉冲间隔均匀。
4脚形成的锯齿波，可以通过调节电位器使三篇集成块产生的锯齿波斜率一致。
9脚为锯齿波、直流偏移电压-Ub和控制移相电压Uc综合比较输入。
13脚为负脉冲调制和脉冲封锁的控制。
KC04个点电压波形如图4-3所示。
图4-3KC04与KC41C电路个点电压波形
同步电压为锯齿波的触发电路
晶闸管的电流容量越大，要求的触发功率就越大。
对于大众电流容量的晶闸管，为了保证其触发脉冲具有足够的功率，往往采用由晶体管组成的触发电路。
晶体管触发电路按电压的形式不同，分为正弦波和锯齿波两种。
同步电压为锯齿波的触发电路，不受电网波动和波形畸变的影响，移相范围宽，应用广泛。
图4-3同步电压为锯齿波的触发电路
同步环节
同步环节由同步变压器T、晶体管V2、二极管VDl、VD2、Rl及Cl等组成。
在锯齿波触发电路中，同步就是要求锯齿波的频率与主回路电源的频率相同。
锯齿波是由起开关作用的V2控制的，V2截止期间产生锯齿波，V2截止持续时间就是锯齿波的宽度，V2开关作用的晶闸管的频率就是锯齿波的频率。
要使触发脉冲与主回路电源同步，必须使V2开关的频率与主回路电源频率达到同步。
同步变压器和整流变压器接在同一电源上，用同步变压器二次侧电压来控制V2的通断，这就保证了触发脉冲与主回路电源的同步。
锯齿波形成及脉冲移相环节
电路中由晶体管V1组成恒流源向电容C2充电，晶体管V2作为同步开关控制恒流源对C2的充放电过程。
晶体管V3为射极跟随器，起阻抗变换和前后级隔离作用，以减小后级对锯齿波线性的影响。
工作过程分析：
图4-5锯齿波触发电路各点电压波形
脉冲形成、放大和输出环节
脉冲形成环节由晶体管V4、V5、V6组成；放大和输出环节由V7、V8组成；同步移相电压加在晶体管V4的基极，触发脉冲由脉冲变压器二次侧输出。
双脉冲形成环节
三相全控桥式电路要求触发脉冲为双脉冲，相邻两个脉冲间隔为60°，该电路可以实现双脉冲输出。
对于三相全控桥电路，电源三相U、V、W为正相序时，6只晶闸管的触发顺序为VT1→VT2→VT3→VT4→VT5→VT6彼此间隔60°，为了得到双脉冲，6块触发板的X、Y可按图3-9所示方式连接，即后相的X端与前相的Y端相连。
图4-6实现双脉冲连接的示意图
应当注意的是，使用这种触发电路的晶闸管装置，三相电源的相序是确定的。
在安装使用时，应该先测定电源的相序，进行正确的连接。
强触发及脉冲封锁环节
在晶闸管串、并联使用或全控桥式电路中，为了保证被触发的晶闸管同时导通。
可采用输出幅值高、前沿陡的强脉冲触发电路。
电路中的脉冲封锁信号为零电位或负电位，是通过VD5加到V5集电极的。
当封锁信号接入时，晶体管V7、V8就不能导通，触发脉冲无法输出。
进行脉冲封锁，一般用于事故情况或者是无环流的可逆系统。
二极管VD5的作用是防止封锁信号接地时，经V5、V6和VD4到—15V之间产生大电流通路。
特点
同步电压为锯齿波的触发电路抗干扰能力强，不受电网电压波动与波形畸变的直接影响，移相范围宽。
缺点是整流装置的输出电压ud与控制电压UC之间不成线性关系，且电路较复杂。
5保护电路的设计
为了保护设备安全，必须设置保护电路。
保护电路包括过电流与过电流保护，大致可以分为两种情况：
一种是在适当的地方安装保护器件，例如R-C阻容吸收回路、限流电感、快速熔断器等；另一种则是采用电子保护电路，检测设备的输出电压或输入电流，当输出电压或输入电流超过允许值时，借助整流触发控制系统使整流桥短时内工作于有源逆变工作状态，从而抑制过电压或过电流的数值。
本例中设计的三相桥式全控整流电路为大功率装置，故考虑第一种保护方案，分别对晶闸管、交流侧、直流侧进行保护设电路的设计。
晶闸管的保护电路
⑴、晶闸管的过电流保护：
过电流可分为过载和短路两种情况，可采用多种保护措施。
对于晶闸管初开通时引起的较大的di/dt，可在晶闸管的阳极回路串联入电感进行抑制；对于整流桥内部原因引起的过流以及逆变器负载回路接地时可以采用接入快速熔短器进行保护。
如图5-1所示：
图5-1串联电感及熔断器抑制回路
⑵、晶闸管的过电压保护：
晶闸管的过电压保护主要考虑换相过电压抑制。
晶闸管元件在反向阻断能力恢复前，将在反向电压作用下流过相当大的反向恢复电流。
当阻断能力恢复时，因反向恢复电流很快截止，通过恢复电流的电感会因高电流变化率产生过电压，即换相过电压。
为使元件免受换相过电压的危害，一般在元件的两端并联RC电路。
如图5-2所示：
图5-2并联RC电路阻容吸收回路
交流侧保护电路
晶闸管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，同时设备自身运行中以及非正常运行中也有过电压出现，所以要进行过电压保护，可采用如图5-3所示的反向阻断式过电压抑制RC保护电路。
整流电路正常工作时，保护三相桥式整流器输出端电压为变压器次级电压的峰值，输出电流很小，从而减小了保护元件的发热。
过电压出现时，该整流桥用于提供吸收过电压能量的通路，电容将吸取过电压能量转换为电场能量；过电压消失后，电容经、放电，将储存的电场能量释放，逐渐将电压恢复到正常值。
图5-3反向阻断式过电压抑制RC电路
直流侧阻容保护电路
直流侧也可能发生过电压，在图4-4中，当快速熔断器熔断或直流快速开关切断时，因直流侧电抗器释放储能，会在整流器直流输出端造成过电压。
另外，由于直流侧快速开关（或熔断器）切断负载电流时，变压器释放的储能也产生过电压，尽管交流侧保护装置能适当地保护这种过电压，仍会通过导通的晶闸管反馈到直流侧来，为此，直流侧也应该设置过电压保护，用于抑制过电压。
图5-4直流侧阻容保护
6结论
国际技术和市场形势分析
集成电路是换代节奏快、技术含量高的产品。
从当今国际市场格局来看，集成电路企业之间在知识产权主导权上斗争激烈，重要集成电路产品全球产业组织呈现出跨国公司（准）寡头垄断的特征，集成电路跨国公司销售、制造、研发布局朝全球化方向发展。
有鉴于此，当前集成电路是中国的“短腿”产业，产品研究开发至关重要。
集成电路产品研发和换代周期较短。
按照摩尔定律，集成芯片上所集成的电路数目，微处理器的性能，每隔一个周期就翻一番；可比单位货币所能购买到的电脑性能，每隔一个周期就翻两番。
为什么集成电路产品研发换代周期如此之短因为芯片制造商要以最短时间，尽其所能，开发新技术，将技术标准更新换代，以实现产品性价比迅速优化，并大规模锁定消费者群体，乃至防止自身技术标准锁定的消费者、使用者群体流失到竞争厂商那儿去。
由此，集成电路制造商要生存和发展，必须从销售收入之中，高比率地支出研发预算，建设研发队伍，开展研发行动。
研发主要目标在于，形成具有性价比优势的技术标准和产品规格。
以全球优势芯片制造商英特尔为例，近几年其研发支出占销售收入的比重一直高达13-15％，而同期相对比，即使是研发强度较高的汽车和航空器产业，其优势跨国公司的研发支出占销售收入的比重也都在5％上下。
中国集成电路产业继续突围发展的基本要领
集成电路之所以成为中国的短腿产业，有其内在原因。
集成电路企业的启动需要有较先进的技术和较强劲的资本实力作为基础；也需要国内居民普遍的收入达到一定水平，以支撑电脑、手机、消费电子、高端家电等购买阀值相对较高的产品形成市场规模。
至于某些中高端芯片产品发展，国内企业还处于成长初期，会面临外方强势跨国公司全面垄断市场的压力。
全面考虑这些情况，作为“短腿”的中国集成电路产业的发展历程必定是一个不断在技术和市场上构建优势，并突出外方强势企业重围的过程。
这是继单片机课程设计之后的第二个学科课程设计。
这次我的课程设计题目是三相桥式全控整流电路的设计，由于这是电力电子技术课程的重点，老师也反复强调的知识点，所以这个知识点我掌握的比较透彻，这次课程设计的基本原理自然也基本上理解了。
整个课程设计的过程中，重点难道还是在protel原理图的绘制和PCB板的绘制。
在弄懂了设计原理后，首先要用MATLAB进行仿真，用Simulink搭建模块，进行仿真实验，根据要求设计相关参数，模块搭建好后，通过调节触发角得到了不同的波形。
由于开始没有加滤
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