單相半控橋式晶閘管整流電路設計_課程論文

1、電力電子技術課程設計說明書 單相半控橋式晶閘管整流電路設計 院 、 部：電 氣 及 信 息 工 程 學 院 學生姓名： 指導教師： 職稱 專 業(yè)： 自 動 化 班 級： 完成時間： 2013 年 5 月23日 前 言 隨著科學技術的日益發(fā)展,人們對電路的要求也越來越高,由于在生產實際中需要大小可調的直流電源,而相控整流電路結構簡單、控制方便、性能穩(wěn)定,利用它可以方便地得到大中、小各種容量的直流電能,是目前獲得直流電能的主要方法,得到了廣泛應用。在電能的生產和傳輸上，目前是以交流電為主。電力網供給用戶的是交流電，而在許多場合，例如電解、蓄電池的充電、直流電動機等，需要用直流電。要得到直流電，除了

2、直流發(fā)電機外，最普遍應用的是利用各種半導體元件產生直流電。這個方法中，整流是最基礎的一步。整流，即利用具有單向導電特性的器件，把方向和大小交變的電流變換為直流電。整流的基礎是整流電路。由于電力電子技術是將電子技術和控制技術引入傳統(tǒng)的電力技術領域，利用半導體電力開關器件組成各種電力變換電路實現電能和變換和控制，而構成的一門完整的學科。故其學習方法與電子技術和控制技術有很多相似之處，因此要學好這門課就必須做好課程設計，因而我們進行了此次課程設計。又因為整流電路應用非常廣泛，而單相半控橋式晶閘管整流電路又有利于夯實基礎，故我們將單結晶體管觸發(fā)的單相晶閘管半控整流電路這一課題作為這一課程的課程設計的課

3、題。 摘 要 單向橋式半控整流電路實際上是由單相橋式全控電路簡化而來的。在單相橋式全控整流電路中，每一個導電回路中有兩個晶閘管，即用兩個晶閘管同時導通以控制導電的回路。但實際上為了對每個導電回路進行控制，只需要一個晶閘管就行了，另一個晶閘管可以用二級管代替，從而得到單向半控橋式整流電路。 除了用二極管代替晶閘管以外，該電路在實際應用中需加設續(xù)流二極管RVD，以避免可能發(fā)生的失控現象。實際運行中，若無續(xù)流二極管，則當a突然增大至180o或觸發(fā)脈沖丟失時，會發(fā)生一個晶閘管持續(xù)導通而兩個二極管輪流導通的情況，這使du成為正弦半波，即半周期du為正弦，另外半周期du為零，其平均值保持恒定，相當于單相半

4、波不可控整流電路時的波形，稱為失控。有續(xù)流二極管RVD時，續(xù)流過程由RVD完成，在續(xù)流階段晶閘管關斷，這就避免了某一個晶閘管持續(xù)導通從而導致失控的現象?？偟膩碚f，單相橋式半控整流電路具有電路簡單、調整方便、使用元件少等優(yōu)點，而且不會導致失控顯現，續(xù)流期間導電回路中只有一個管壓降，少了一個管壓降，有利于降低損耗。 關鍵字：單相，半控，續(xù)流二極管 AbstractChanXiangQiao type half controlled rectifier circuit is actually made up of single-phase bridge type all control circui

5、t is simplified. Single-phase bridge type all control the rectifier circuit, each electrical circuit has two thyristor, in which two thyristor conduction to control electric circuit at the same time. But in fact, in order to control each conductive loop, need only a thyristor, another thyristor diod

6、e can be used instead, one-way half controlled bridge rectifier circuit is obtained. In addition to using diode instead of thyristor, the electric circuit in the actual application needs to be added a fly-wheel diode RVD, in order to avoid the possibility of out of control phenomenon. In actual oper

7、ation, without the fly-wheel diode, is when the a suddenly increases to 180 o or trigger pulse is lost, will happen a thyristor continuous conduction and two diode conduction in turn, this makes du sine half-wave, du half a cycle of sine, another half cycle du is zero, the average constant, equivale

8、nt to a single phase half wave of uncontrolled rectifier circuit waveform, called the out of control. A fly-wheel diode RVD, postproduction process completed by RVD, the fly-wheel phase thyristor turn-off, this avoids a thyristor conduction and lead to runaway phenomenon. In general, single phase br

9、idge type half controlled rectifier circuit has simple circuit, convenient adjustment, the advantages of less component, and does not lead to out of control, stream during the conductive loop only one pipe pressure drop, a pipe pressure drop, less conducive to reduce wear and tear. Key words: single

10、 phase， half controlled， fly-wheel diode 目 錄前 言I摘 要II一、工作原理11.1單相半控橋式晶閘管可控整流電路（阻感負載）（無續(xù)流二極管）11.2驅動電路的設計3二、基本電量計算62.1 通過變壓器副邊繞組的電流有效值I262.2 流過晶閘管和整流管的電流平均值和有效值分別為6三、參數計算73.1單相半控橋式晶閘管可控整流電路（阻感負載）（無續(xù)流二極管）7四、仿真電路及仿真結果94.1阻感負載（無續(xù)流二極管）仿真電路圖：94.2阻感負載（無續(xù)流二極管）仿真結果波形圖10五、小結11六、課程設計心得12七、參考文獻13 一、工作原理1.1單相半控橋式

11、晶閘管可控整流電路（阻感負載）（無續(xù)流二極管） 圖1-1 阻感性負載（無續(xù)流二極管）的主電路 假設負載電流因電感足夠大而平直，當電源u2正半波，在=時觸發(fā),VT1后VT1、VT2導通，電流通路為A- VT1-L-R- VT2-B,電流由電源提供；當=后，電源電壓u2經零變負，但由于電感電勢的作用，電流仍將繼續(xù)，電感通過R-VD1-VT1回路放電。在=處，二極管VD2電流給VD1，電流iVD2及i2終止，在=（+）區(qū)間電流由電感釋放電能提供。當=（+）時觸發(fā)VT2導通，由于VT2的導通才能使VT1承受反壓而關斷，其后的工作過程與前半周類似。由此可見，VT1觸發(fā)導通后，需VT2的觸發(fā)導通才能關斷。

12、因此流過晶閘管的電流在一個周期內各占一半，其換流時刻由門極觸發(fā)脈沖決定；而二極管VD1、VD2的導通與關斷僅由電源電壓的正負半波決定，在=n(n為正整數)處換流，所以單相半控橋式整流電路電感負載時各元件導通角均為1800，電源在區(qū)間內停止對負載供電。半控橋式整流電路中的整流二極管VD1、VD2本身兼有續(xù)流二極管的作用，因此電路中不需另加續(xù)流二極管。但如果在工作中出現異常，比如VT2的觸發(fā)脈沖消失，則VT1由于電感續(xù)流作用將不能關斷，等到下一個正半波到來時，VT1無需觸發(fā)仍繼續(xù)導通，結果是：一只晶閘管與兩只二極管之間輪流導電，其輸出電壓失去控制，這種情況稱之為“失控”。失控時的的輸出電壓相當于單

13、相半波不可控整流時的電壓波形。在失控情況下工作的晶閘管由于連續(xù)導通很容易因過載而損壞。因為半導體本身具有續(xù)流作用，半控電路只能將交流電能轉變?yōu)橹绷麟娔?，而直流電能不能返回到交流電能中去，即能量只能單方向傳遞。同理，帶續(xù)流二極管的全控電路能量也只能單方向傳遞。 圖1-2 主電路典型的實際輸出波形 圖1-3 主電路典型的理論輸出波形1.2驅動電路的設計 晶閘管門極觸發(fā)信號由觸發(fā)電路提供，由于晶閘管電路種類很多，如整流、逆變、交流調壓、變頻等；所帶負載的性質也不相同，如電阻性負載、電阻電感性負載、反電勢負載等。盡管不同情況對觸發(fā)電路的要求也不同，但是其基本的要求卻是相同的，具體如下 （a）觸發(fā)信號應

14、有足夠的功率這些指標在產品樣本中均已標明，由于晶閘管元件門極參數分散性大，且觸發(fā)電壓、電流手溫度影響會發(fā)生變化。例如元件溫度為1000C時觸發(fā)電流、電壓值比在室溫時低23倍；元件溫度為-400C時觸發(fā)電流、電壓值比在室溫時高23倍；為了使元件在各種工作條件下都能可靠的觸發(fā)，可參考元件出廠的實驗數據或產品目錄，設計觸發(fā)電路的輸出電壓、電流值，并留有一定的裕量。一般可取兩倍左右的觸發(fā)電流裕量，而觸發(fā)電壓按觸發(fā)電流的大小來決定，但是應注意不要超過晶閘管門極允許的峰值功率和平均功率極限值。（b）觸發(fā)脈沖信號應有一定的寬度 普通晶閘管的導通時間一般為6us，故觸發(fā)脈沖的寬度至少應有6us以上，對于電感性

15、負載，由于電感會抑制電流的上升，觸發(fā)脈沖的寬度應該更大些，通常為0.5ms1ms，否則在脈沖終止時主電路電流還未上升到晶閘管的擎住電流時，此時將使晶閘管無法導通而重新恢復關斷狀態(tài)。單結晶體管原理單結晶體管（簡稱UJT）又稱基極二極管，它是一種只有PN結和兩個電阻接觸電極的半導體器件，它的基片為條狀的高阻N型硅片，兩端分別用歐姆接觸引出兩個基極b1和b2。在硅片中間略偏b2一側用合金法制作一個P區(qū)作為發(fā)射極e。其符號和等效電如下圖1.3所示。 圖1-3 電路典型的單結晶體管的符號和等效電路圖從圖13可以看出，兩基極b1和b2之間的電阻稱為基極電阻。Rbb=rb1+rb2式中：Rb1第一基極與發(fā)射

16、結之間的電阻，其數值隨發(fā)射極電流ie而變化，rb2為第二基極與發(fā)射結之間的電阻，其數值與ie無關；發(fā)射結是PN結，與二極管等效。若在兩面三刀基極b2，b1間加上正電壓Vbb，則A點電壓為：VA=rb1/（rb1+rb2）vbb=（rb1/rbb）vbb=Vbb式中：稱為分壓比，其值一般在0.30.85之間，如果發(fā)射極電壓VE由零逐漸增加，就可測得單結晶體管的伏安特性，見圖1.4 圖1-4 單結晶體管的伏安特性 （1）當VeVbb時，發(fā)射結處于反向偏置，管子截止，發(fā)射極只有很小的漏電流Iceo。（2）當VeVbb+VD VD為二極管正向壓降（約為0.7V），PN結正向導通，Ie顯著增加，rb1阻

17、值迅速減小，Ve相應下降，這種電壓隨電流增加反而下降的特性，稱為負阻特性。管子由截止區(qū)進入負阻區(qū)的臨界P稱為峰點，與其對應的發(fā)射極電壓和電流，分別稱為峰點電壓Ip和峰點電流Ip。Ip是正向漏電流，它是使單結晶體管導通所需的最小電流，顯然Vp=Vbb。（3）隨著發(fā)射極電流Ie的不斷上升，Ve不斷下降，降到V點后，Ve不再下降了，這點V稱為谷點，與其對應的發(fā)射極電壓和電流，稱為谷點電壓Vv和谷點電流Iv。（4）過了V后，發(fā)射極與第一基極間半導體內的載流子達到了飽和狀態(tài)，所以uc繼續(xù)增加時，ie便緩慢的上升，顯然Vv是維持單結晶體管導通的最小發(fā)射極電壓，如果VeVv，管子重新截止。單結晶體管的主要參

18、數（1）基極間電阻Rbb發(fā)射極開路時，基極b1，b2之間的電阻，一般為2-10千歐，其數值隨溫度的上升而增大。（2）分壓比由管子內部結構決定的參數，一般為0.3-0.85。（3）eb1間反向電壓Vcb1 b2開路，在額定反向電壓Vcb2下，基極b1與發(fā)射極e之間的反向耐壓。（4）反向電流Ieo b1開路，在額定反向電壓Vcb2下，eb2間的反向電流。（5）發(fā)射極飽和壓降Veo在最大發(fā)射極額定電流時，eb1間的壓降。（6）峰點電流Ip單結晶體管剛導通時，發(fā)射極電壓為峰點電壓時的發(fā)射極電流。二、基本電量計算2.1 通過變壓器副邊繞組的電流有效值I22.2 流過晶閘管和整流管的電流平均值和有效值分別

19、為三、參數計算3.1單相半控橋式晶閘管可控整流電路（阻感負載）（無續(xù)流二極管） 1）電源電壓：交流100V/50Hz；2）輸出功率：500W；3）移相范圍：0180。輸出電壓平均值：U=0.9U2輸出電流平均值：= Ud/R流過晶閘管電流有效值I= /波形系數：K= I/=/2交流側相電流的有效值:I=I令0時，U2=100V，P出=500W。Ud=0.9U2(1+)/2=90V，P出=Ud2/R,得R=16.2，取R=20。Id=P出/Ud=5.56A，Kf=IVT/ Id=/2=0.707，晶閘管的額定電流為：IT= Kf Id/1.57=2.5A,取2倍電流安全儲備，并考慮晶閘管元件額定

20、電流系列取5A。晶閘管元件額定電壓U2=100=141.4V，取23倍電壓安全儲備，并考慮晶閘管額定電壓系列取300V。所以選擇晶閘管和二極管的額定電壓為 300V,額定電流為5A的，電感取無窮大，L=150H，R=20。四、仿真電路及仿真結果4.1阻感負載（無續(xù)流二極管）仿真電路圖： 阻感負載（無續(xù)流二極管）利用MATLAB仿真電路圖如下圖所示： 圖4-1 仿真電路圖 本仿真圖利用MATLAB中的simulink命令畫出并仿真，仿真結果如下頁圖4-2.4.2阻感負載（無續(xù)流二極管）仿真結果波形圖 阻感負載（無續(xù)流二極管）利用MATLAB仿真結果波形圖如下圖所示： 圖4-2 仿真結果波形圖 從波形圖可以看出本設計中的電路圖是符合單相半控橋式晶閘管整流電路設計最終結果的。五、小結對于一個電路的設計，首先應該對它的理論知識很了解，這樣才能設計出性能好的電路。整流電路中，開關器件的選擇和觸發(fā)電路的選擇是最關鍵的，開關器件和觸發(fā)電路選擇的好，對整流電路的性能指標影響很大。在這次設計過程中，體現出自己單獨設計的能力以及綜合運用知識的能力，體會了