基于KJ004的单相桥式可控整流电路的设计.docx
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基于KJ004的单相桥式可控整流电路的设计
课程设计（论文）任务书
电气与信息工程学院（部）
学号
学生姓名
专业（班级）
题目
基于KJ004的单相桥式可控整流电路的设计
设计
技术
参数
1、输入电压：
单相交流220V，50Hz
2、输出功率：
1000W
3、负载性质：
电阻
4、用集成触发器KJ004组成触发电路
设计
要求
1、熟悉单相晶闸管整流电路的基本原理，运用所学的理论知识分析设计任务；
2、正确设计主电路，画出电路图，分析工作原理，描绘波形图，并进行相关参数的计算及器件的选型；
3、正确设计控制电路，选择控制芯片，并对其工作原理进行分析与说明；
4、按时完成课程设计任务，认真、正确地书写课程设计报告。
工
作
量
1、完成一份设计说明书（15页左右）；
2、绘制系统总接线图（A4）一张。
工作
计划
1、查资料2天
2、总体方案设计2天
3、单元电路设计4天（画原理图，参数计算）
4、撰写设计说明书及答辩2天
参考
资料
[1]王兆安，刘进军.电力电子技术（第五版）[M].机械工业出版社，2009.
[2]张兴，黄海宏.电力电子技术（第二版）[M].科学出版社，2018.
[3]辛伊波.开关电源基础与应用（第二版）[M].西安电子科技大学出版社，2011.
[4]祝龙记.电气工程与自动化控制系统的MATLAB仿真[M].中国矿业大学出版社，2014.
指导教师签字
系主任签字
年月日
基于KJ004的单相桥式可控整流电路的设计
摘要
整流电路是把交流电能转换为直流电能的电路。
整流电路通常由主电路、变压器等组成。
主电路多用硅整流二极管和晶闸管组成。
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。
本文介绍的可控硅移相触发器KJ004,与分立元件组成的触发电路相比,具有移相线性好、移相范围宽、温漂小、可靠性高、相位不均衡度小等优点,已广泛用于机械、纺织、冶金、化工、轻工等工业系统。
关键词：
可控硅触发器，触发电路
1绪论
1.1课题的目的及意义
单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，也广泛应用于交通运输、电力系统、通信系统、能源系统等其他领域。
因此对单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很强的现实意义，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。
随着电力电子技术的不断发展可控整流电路在直流电动机控制、可变直流电源、高压直流输电、电化学加工处理方面得到广泛的应用。
本课题基于Matlab语言,建立了单相桥式可控整流电路给出了仿真实例，验证了模型的正确性,并证明了该模型具有快捷、灵活、方便、直观等一系列优点从而为电力电子电路的教学及设计提供了一个有效的辅助工具。
1.2现状及应用
电路原理集成触发器具有可靠性高，技术性能好，体积小，功耗低，调试方便等特点。
晶闸管触发电路的集成化已逐渐普及，已逐步取代分立式电路。
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。
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。
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。
1.3课题的设计内容
单相半控整流电路的优点是：
线路简单、调整方便。
弱点是：
输出电压脉冲大，负载电流脉冲大（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。
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，在相同的负载下流过晶闸管的平均电流减小一半；且功率因数提高了一半。
对于使用晶闸管的电路，在晶闸管阳极加正向电压后，还必须在门极与阴极之间加触发电压，使晶闸管在需要导通的时刻可靠导通。
根据控制要求决定晶闸管的导通时刻，对变流装置的输出功率进行控制。
触发电路是变流装置中的一个重要组成部分，变流装置是否能正常工作，与触发电路有直接关系。
由此设计此电路。
2主电路设计
2.1主电路结构
如图2-1所示。
图2-1主电路结构图
2.1.1晶闸管的结构
晶闸管（Thyristor）是晶体闸流管的简称，又称作可控硅整流管（SCR），以前被简称为可控硅。
晶闸管能够通过信号控制其导通，但不能控制其关断，所以称为半控型器件。
晶闸管这个名称往往专指晶闸管的一种基本类型即普通晶闸管。
但从广义上讲，晶闸管还包括许多派生器件，如双向晶闸管（TRIAC）、快速晶闸管（FST）、逆导型晶闸管（RCT）和光控晶闸管（LTT）等。
目前大功率晶闸管常用的外形结构有螺栓式和平板式，它具有三个PN结的四层结构，其外形、结构和图形符号如图2-2所示。
图2-2大功率晶闸管外形结构
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。
由最外的P层和N层引出的两个电极，分别为阳极A和阴极K，由中间的P2层引出的电极是门极G（也称控制极）。
四个区形成J1、J2、J3三个PN结。
因此，晶闸管可以用三个PN结串联来等效，如图2-3所示晶闸管的国际通用名称为Thyristor，简写为VT。
图2-3Thyristor结构
晶闸管是电力电子器件，在工作过程中会因损耗而发热，因此必须安装散热器。
对于螺栓型封装，通常螺栓是其阳极，做成螺栓状是为了能与散热器紧密连接且安装方便，通过阳极（螺栓）拧紧在铝制散热器上，为自然冷却；平板式晶闸管则由两个相互绝缘的散热器夹紧晶闸管，靠冷风冷却。
如图2-4所示。
图2-4平面式晶闸管
平板式两面散热效果好，额定电流大于200A的晶闸管都采用平板式结构。
此外还可以通过水冷、油冷等冷却方式进行冷却。
2.1.2晶闸管的工作原理
通过如图所示电路做一个简单的实验，来说明晶闸管的工作原理。
由电源Us、白炽灯、晶闸管的阳极、阴极组成晶闸管主电路。
电源Uc、开关S、晶闸管门极和阴极组成控制电路也称触发电路。
当晶闸管的阳极A接电源Us的正端。
阴极K经白炽灯接电源的负端，此时晶闸管承受正向电压。
当控制电路中开关S断开时，白炽灯不亮，说明晶闸管不导通。
当晶闸管的阳极和阴极承受正向电压，控制电路中开关S闭合，使控制极也加正向电压，（控制极相对阴极间的电压）。
这时白炽灯亮，说明晶闸管导通。
当晶闸管导通后，将控制极上的电压去掉（即将开美S断开），白炽灯依然亮。
说明一旦晶闸管导通后，控制极就失去控制作用。
当晶闸管的阳极和阴极间加反向电压，不管控制极加不加电压，灯都不亮，此时晶闸管截止。
如果控制极加反向电压，无论晶闸管主电路加正向电压还是反向电压，晶闸管都不导通。
2.1.3系统结构介绍
在单相桥式可控整流电路中,晶闸管VT1和VT4组成一对桥臂,VT2和VT3组成一对桥臂。
在U2的正半周期，触发角α处给晶闸管VT1和VT4加触发脉冲使其开通，ud-u2。
负载中有电感存在使负载电流不能突变，电感对负载电流起平波作用。
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+α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施加反向电压使VT1和VT4关断，流过VT1和VT4的电流迅速的转移到VT2和VT3上，此过程称为换向，亦成为换流。
单相桥式可控整流电路带阻感负载时，晶闸管承受的最大反向电压
2.2主电路分析
由集成触发器KJ004输出的锯齿波和220v交流电分别作用于单相桥式可控整流电路的VT1、VT2、VT3、VT4，然后经过单相桥式可控整流电路调压后给电动机。
2.3主电路参数计算
2.3.1电流、电压的计算
（1）整流输出平均电压Ud、电流Id
（α=0°）
P=1000WId=P/Ud=5.05（A）
（2）晶闸管承受的最大正反向电压为：
U＝220
＝311（V）
（3）流过每个晶闸管的电流的有效值为：
（4）故晶闸管的额定电压为：
UN＝（2~3）×311＝622~933（V）
（5）晶闸管的额定电流为：
IN＝（1.5~2）×3.57∕1.57＝3.41~4.55（A）
（6）漏极电流为1mA时的额定电压U1mA应大于等于1.3U。
U为压敏电阻两端正常工作电压的有效值
2.3.2滤波电感L、电容C计算
并联于晶闸管两端的RC为：
R2=20Ω,C2=0.25μf；电感L的作用是平波，防止电流发生断续现象。
其值要足够大。
根据公式
3控制电路设计
3.1可控移相触发器KJ004的工作原理
3.1.1电路工作原理
电路由同步检测电路、锯齿波形成电路、偏形电压、移相电压及锯齿波电压综合比较放大电路和功率放大电路四部分组成。
电原理见下图:
锯齿波的斜率决定于外接电阻R6、RW1，流出的充电电流和积分电容C1的数值。
对不同的移相控制电压Vy,只有改变权电阻R1、R2的比例调节相应的偏移电压Vp。
同时调整锯齿波斜率电位器RW1,可以使不同的移相控制电压获得整个移相范围。
触发电路为正极性型，即移相电压增加导通角增大。
R7和C2形成微分电路，改变R7和C2的值，可获得不同的脉宽输出。
同步电压为任意值。
如图3-1所示。
图3-1内部原理图
3.1.2封装形式
电路采用双列直插C—16白瓷和黑瓷两种外壳封装,外形尺寸按电子工业部部颁标准。
《半导体集成电路外形尺寸》SJll00—76，如图3-2所示。
3-2KJ004引脚图
表3-1引脚功能
功能
输出
空
锯齿波形成
-Vee（1kΩ）
空
地
同步输入
综合比较
空
微分阻容
封锁调制
输出
+Vcc
引线脚号
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
3.1.3典型接线图及各点波形
同步串联电阻R4的选择按右式计算：
各点波形式如图3-3所示
图3-3KJ004接线图
3.1.4电参数
1.电源电压：
直流+15V、-15V,允许波动土5％（±10％时功能正常）。
2.KJ004电源电流：
正电流≤15mA,负电流≤10mA。
3.同步电压：
任意值。
4.同步输入端允许最大同步电流：
6mA（有效值）
5.移相范围≥1700（同步电压30V,同步输入电阻15kΩ）
6.锯齿波幅度：
≥10V（幅度以锯齿波平顶为准）。
7.输出脉冲：
（1）宽度：
400μS—2mS（通过改变脉宽阻容元件达到）。
（2）幅度：
≥13V。
（3）最大输出能力100mA（流出脉冲电流）。
（4）输出管反压：
BVCEO≥18V（测试条件Ie≤100μA）。
8.正负半周脉冲相位不均衡≤±30。
9.使用环境温度为四级：
C：
0—70℃R：
-55—85℃E：
-40—85℃M：
-55—125℃
3.2驱动电路设计
对于使用晶闸管的电路，在晶闸管阳极加正向电压后，还必须在门极与阴极之间加触发电压，使晶闸管在需要导通的时刻可靠导通。
。
根据控制要求决定晶闸管的导通时刻，对变流装置的输出功率进行控制。
触发电路是变流装置中的一个重要组成部分，变流装置是否能正常工作，与触发电路有直接关系，因此，正确合理地选择设计触发电路及其各项技术指标是保证品闸管变流装置安全，可靠，经济运行的前提。
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要求:
①发信号可为直流、交流或脉冲电压。
②触发信号应有足够的功率（触发电压和触发电流）。
由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，对于电感性负载，脉冲一般为051MS,相当于50Hz、18度电度角。
为了可靠地、快速地触发大功率晶闸管，常常在触发脉冲的前沿叠加上一个触发脉冲。
③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。
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。
④触发脉中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更求
例如单相全控桥式整流电路带电阻性负载时，要求触发脉冲的移项范围0度~180度，带大电感负载时，要求移项范围是0度~90度;三相半波可控整流电路电阻性负载时，要求移项范围是0度~90度。
⑤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α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。
触发电路同时受控于电压uc与同步电压us控制。
3.3保护电路的设计
在电力电子器件电路中，除了电力电子器件参数要选择合适，驱动电路设计良好外，采用合适的晶闸管保护，过电压保护，过电流保护，
保护和
保护也是必不可少的。
3.3.1晶闸管的保护电路
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
，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断器进行保护。
如图3-4所示：
图3-4并联RC电路阻容吸收回路
3.3.2主电路的过电压保护电路设计
所谓过压保护，即指流过晶闸管两端的电压值超过晶闸管在正常I作时所能承受的最大峰值电压Um都称为过电压。
产生过电压的原因一般由静电感应、雷击或突然切断电感回路电流时电磁感应所引起。
其中，对雷击产生的过电压，需在变压器的初级侧接上避雷器，以保护变压器本身的安全;而对突然切断电感回路电流时电磁感应所引起的过电压，一般发生在交流侧、直流侧和器件上，因而，下面介绍单相桥式全控整流主电路的电压保护方法
1.交流侧过电压保护
过电压产生过程:
电源变压器初级侧突然拉闸，使变压器的励磁电流突然切断，铁芯中的磁通在短时间内变化很大，因而在变压器的次级感应出很高的瞬时电压。
保护方法：
阻容保护
2.直流侧过电压保护
过电压产生过程:
当某一桥臂的晶闸管在导通状态突然因果载使快速熔断器熔断时，由于直流住电路电感中储存能量的释放，会在电路的输出端产生过电压。
保护方法:
阻容保护
如图3-5所示。
图3-5反向阻断式过电压抑制RC电路
3.3.3主电路的过电流保护电路设计
电力电子电路运行不正常或者发生故障时，可能会发生过电流现象。
过电流分载和短路两种情况。
一般电力电子均同时采用几种过电压保护措施，怪提高保护的可靠性和合理性。
在选择各种保护措施时应注意相互协调。
通常，电子电作为第一保护措施，快速熔断器只作为短路时的部分区断的保护，直流快速断路器在电子电力动作之后实现保护，过电流继电器在过载时动作。
在选择快熔时应考虑:
1、电压等级应根据快熔熔断后实际承受的电压来确定。
2、电流容量应按照其在主电路中的接入方式和主电路连接形式确定。
快熔-般与电力半导体体器件串联连接，在小容量装置中也可串接于阀侧交流母线或直流母线。
3、快熔的It值应小于被保护器件的允许It值。
4、为保证熔体在正常过载情况下不熔化，应考虑其时间电流特性。
快熔对器件的保护方式分为全保护和短保护两种。
全保护是指无论过载还是短路均由快熔进行保护，此方式只适用于小功率装置或器件使用裕量较大的场合。
短路保护方式是指快熔只要短路电流较大的区域内起保护作用，此方式需与其他过电流保护措施相配合。
熔断器是最简单的过电流保护元件，但最普通的熔断器由于熔断特性不合适，很可能在晶闸管烧坏后熔断器还没有熔断，快速熔断器有较好的快速熔断特性，一旦发生过电流可及时熔断起到保护作用。
最好的办法是晶闸管元件上直接串快熔，因流过快熔电流和晶闸管的电流相同，所以对元件的保护作用最好。
保护电路如图3-6所示。
图3-6缓冲电路图
总结
通过基于KJ004的单相全控桥式整流电路的设计，使我加深了对整流电路的理解，让我对电力电子该课程产生了浓烈的兴趣。
整流电路的设计方法多种多样，其中单相全控桥式整流电路其负载我们用的多的主要是电阻型、带大电感型，接反电动势型。
它们各自有自己的优点。
还让我认识到KJ004芯片的就够作用组成，让我了解到原来如此微小的芯片内部结构是相当复杂的，但经过了解学习，发现其内部结构，也是很容易认识的。
对于一个电路的设计，首先应该对它的理论知识很了解，这样才能设计出性能好的电路。
整流电路中，开关器件的选择和触发电路的选择是极其关键的，开关器件和触发电路选择的好，对整流电路的性能指标影响很大。
在这次课程设计过程中，碰到的难题就是保护电路的设计。
因为保护电路的种类较多，因此要选择一个适合本课题的保护电路就比较难。
后来经老师，还有同学的帮助，选择了一个较好的保护电路。
这次的课程设计是我收获最大的一次，虽然中途遇到了不少困难，但还是被我逐步解决了。
通过这次课程设计我对于文档的编排格式有一定的了解和掌握，这对于以后的毕业设计及，工作需要都有很大的帮助，在完成课程设计的同时我也在复习一遍电力电子这门课程，把以前一些没弄懂的问题这次弄明白了很多。
参考文献
[1]王兆安，刘进军.电力电子技术（第五版）[M].机械工业出版社，2009.
[2]张兴，黄海宏.电力电子技术（第二版）[M].科学出版社，2018.
[3]辛伊波.开关电源基础与应用（第二版）[M].西安电子科技大学出版社，2011.
[4]祝龙记.电气工程与自动化控制系统的MATLAB仿真[M].中国矿业大学出版社，2014.
[5]窦钊.KJ004可控硅触发器的原理及其应用[J].电子技术应用,1987.
[6]胡大友.晶闸管单相全控桥触发模块[J].电气时代,1993.
[7]陈国华.KJ004系列可控硅移相电路及其应用[J].电子技术,1991.
[8]胡大友.专用集成电路KJ004[J].电气时代,1992.
附录
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