單相半橋無源逆變電路的設(shè)計(jì)文檔

1、1概述1.1 課題背景和意義功率MOSFET（金屬氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管）是最重要的一種功率場 效應(yīng)晶體管，除此之外還有 MISFET、MESFET、JFET等幾種。功率MOSFET為 功率集成器件，內(nèi)含數(shù)百乃至上萬個(gè)相互并聯(lián)的MOSFET單元。為提高其集成度和耐壓性，大都采用垂直結(jié)構(gòu)（即VMOS）,如VVMOS （V型槽結(jié)構(gòu)）、VUMOS、 SIPMOS 等。為 qiPMCE的端布足的圖1如圖1顯示了一種SIPMOS（n溝道增強(qiáng)型功率 MOSFET）的部分剖面結(jié)構(gòu)。 其柵極用導(dǎo)電的多晶硅制成，柵極與半導(dǎo)體之間有一層二氧化硅薄膜，柵極與源極 位于硅片的同一面，漏極則在背面。從總體上看，漏極

2、電流垂直地流過硅片，漏 極和源極間電壓也加在硅片的兩個(gè)面之間。該器件屬于耗盡型 n溝道的功率MOSFET,其源極和漏極之間有一 n型導(dǎo)電溝道，改變柵極對(duì)源極的電壓，可以 控制通過溝道的電流大小。耗盡型器件在其柵極電壓為零時(shí)也存在溝道， 而增強(qiáng) 型器件一定要施加?xùn)艠O電壓才有溝道出現(xiàn)。與 n溝道器件對(duì)應(yīng)，還有p溝道的功 率 MOSFET。234# a J； 4 « 9 « A * mcjsfkt 比 總"Ft . J r*開曲電壓圖2圖2為圖1所示SIPMOS的輸出特性。它表明了柵極的控制作用及不同柵 極電壓下，漏極電流與漏極電壓之間的關(guān)系。圖 2中，在非飽和區(qū)（I

3、），源極和漏 極間相當(dāng)于一個(gè)小電阻；在亞閾值區(qū)（田）則表現(xiàn)為開路；在飽和區(qū)（H）,器件具 有放大作用。功率MOSFET屬于電壓型控制器件。它依靠多數(shù)載流子工作，因而具有許多 優(yōu)點(diǎn):能與集成電路直接相連；開關(guān)頻率可在數(shù)兆赫以上（可達(dá) 100MHz）,比雙 極型功率晶體管（GTR）至少高10倍；導(dǎo)通電阻具有正溫度系數(shù)，器件不易發(fā)生二 次擊穿，易于并聯(lián)工作。與GTR相比，功率MOSFET的導(dǎo)通電阻較大，電流密 度不易提高，在100kHz以下頻率工作時(shí)，其功率損耗高于GTR。此外，由于導(dǎo) 電溝道很窄（微米級(jí)），單元尺寸精細(xì)，具制作也較 GTR困難。在80年代中期, 功率MOSFET的容量還不大（有 1

4、00A/60V, 75A/100V, 5A/1000V等幾種）。 功率MOSFET是70年代末開始應(yīng)用的新型電力電子器件， 適合于數(shù)千瓦以下的 電力電子裝置，能顯著縮小裝置的體積并提高其性能， 預(yù)期將逐步取代同容量的 GTRo功率MOSFET的發(fā)展趨勢(shì)是提高容量，普及應(yīng)用，與其他器件結(jié)合構(gòu)成 復(fù)合管，將多個(gè)元件制成組件和模塊，進(jìn)而與控制線路集成在一個(gè)模塊中 （這將 會(huì)更新電力電子線路的概念）。止匕外，隨著頻率的進(jìn)一步提高，將出現(xiàn)能工作在 微波領(lǐng)域的大容量功率MOSFET。同時(shí)運(yùn)用MOSFET晶體管來進(jìn)行電路的整流和逆變有很大的優(yōu)點(diǎn)功率場效 應(yīng)晶體管（VF）又稱VMO的效應(yīng)管。在實(shí)際應(yīng)用中，它有

5、著比晶體管和MOSg效應(yīng)管更好的特性。即是在大功率范圍應(yīng)用的場效應(yīng)晶體管，它也稱作功率 MOSFE T其優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面： 1.具有較高的開關(guān)速度。2 .具有較寬的安全工作區(qū)而不會(huì)產(chǎn)生熱點(diǎn)，并且具有正的電阻溫度系數(shù)，因此 適合進(jìn)行并聯(lián)使用。3 .具有較高的可靠性。4 .具有較強(qiáng)的過載能力。短時(shí)過載能力通常額定值的 4倍。5 .具有較高的開啟電壓，即是閾值電壓，可達(dá) 26V（一般在1.5V5V之間）。 當(dāng)環(huán)境噪聲較高時(shí)，可以選 用閾值電壓較高的管子，以提高抗干擾能力；反之， 當(dāng)噪聲較低時(shí)，選用閾值電壓較低的管子，以降低所需的輸入驅(qū)動(dòng)信號(hào)電壓。 給 電路設(shè)計(jì)帶來了極大地方便。6 .由于它是電

6、壓控制器件，具有很高的輸入阻抗，因此其驅(qū)動(dòng)功率很小，對(duì)驅(qū) 動(dòng)電路要求較低。由于這些明顯的優(yōu)點(diǎn)，功率場效應(yīng)晶體管在電機(jī)調(diào)速，開關(guān)電源等各種領(lǐng)域應(yīng)用 的非常廣泛。2主電路的設(shè)計(jì)2.1 整流部分主電路設(shè)計(jì)單項(xiàng)橋式全控整流電路帶電阻性負(fù)載電路如圖1.1idu圖2.1R在單項(xiàng)橋式全控整流電路中，晶閘管 VT1和VT4組成一對(duì)橋臂，VT2和VT3組 成另一對(duì)橋臂。在U2正半周（即a點(diǎn)電位高于b點(diǎn)電位），若4個(gè)品閘管均不導(dǎo) 通，負(fù)載電流id為零，Ud也為零，VT、VT4串聯(lián)承受電壓U2,設(shè)VT和VT4的漏電 阻相等，則各承受U2的一半。若在觸發(fā)角a處給VT1和VT4加觸發(fā)脈沖，VTi、 VT4即導(dǎo)通，電流從

7、a端經(jīng)VI、R VT4流回電源b端。當(dāng)U2為零時(shí)，流經(jīng)晶閘管 的電流也降到零，VT和VT4關(guān)斷。在U2負(fù)半周，仍在觸發(fā)延遲角a處觸發(fā)VT2和VT3 （VT2和VT3的a =0處為 t二兀），VT2和VT3導(dǎo)通，電流從電源的b端流出，經(jīng)VT3、R VT2流回電源a端。 到u2過零時(shí)，電流又降為零，VT2和VT3關(guān)斷。此后又是VT1和VT4導(dǎo)通，如此 循環(huán)的工作下去，整流電壓ud和晶閘管VTi、VT4兩年的電壓波形如下圖（2）所 示。品閘管承受的最大正向電壓和反向電壓分別為 也U2和J2 U2。-2工作原理第1階段（0ti）：這階段u2在正半周期，a點(diǎn)電位高于b點(diǎn)電位晶閘管 VT1和VT2方向串聯(lián)

8、后于U2連接，VT承受正向電壓為 小/2, VT2承受u-2的反向 電壓；同樣VT3和VT4反向串聯(lián)后與U2連接，VT3承受U2/2的正向電壓，VT4承受 U2/2的反向電壓。雖然VT和VT3受正向電壓，但是尚未觸發(fā)導(dǎo)通，負(fù)載沒有電 流通過，所以Ud=0, i d=0o第2階段（coti兀）：在ti時(shí)同時(shí)觸發(fā)VT和VT3,由于VT和VT3受正向 電壓而導(dǎo)通，有電流經(jīng)a點(diǎn)- VT-&VT器一變壓器b點(diǎn)形成回路。在這段區(qū)間里， Ud=U2, i d=i VT1=i VT3=Ud/R 0由于VT和VT3導(dǎo)通，忽略管壓降，UVT=UVT2=0,而承受的 電壓為 UVT2=UVT4=U2o第3階

9、段（冗3 t2）:從t=冗開始u2進(jìn)入了負(fù)半周期，b點(diǎn)電位高于a 點(diǎn)電位，VT1和VT3由于受反向電壓而關(guān)斷，這時(shí) VTVT4都不導(dǎo)通，各晶閘管 承受U2/2的電壓，但VTi和VT3承受的事反向電壓，VT2和VT4承受的是正向電壓， 負(fù)載沒有電流通過，Ud=0, i d=i 2=0o第4階段（cot2 兀）：在t2時(shí)，u2電壓為負(fù)，VT2和VT4受正向電壓，觸 發(fā)VT2和VT4導(dǎo)通，有電流經(jīng)過b點(diǎn)-VT2-R-VT4-a點(diǎn)，在這段區(qū)間里，Ud=U2, i d=i vT2=ivT4=i2=Ud/R0由于VT2和VT4導(dǎo)通，VT2和VT4承受U2的負(fù)半周期電壓，至 此一個(gè)周期工作完畢，下一個(gè)周期，

10、充復(fù)上述過程，單項(xiàng)橋式整流電路兩次脈沖 間隔為180°。2.2 逆變部分主電路設(shè)計(jì)如圖所示，它有兩個(gè)橋臂，每個(gè)橋臂由一個(gè)全控器件和一個(gè)二極管反并聯(lián)而成。在直流側(cè)有兩個(gè)相互串聯(lián)的大電容， 兩個(gè)電容的中點(diǎn)為直流電源中點(diǎn)。負(fù)載接在直流電源中點(diǎn)和兩個(gè)橋臂連接點(diǎn)之間。開關(guān)器件設(shè)為V1和V2,當(dāng)負(fù)載為感性時(shí)，輸出為矩形波，Um=Ud/2.剛開始V1為通態(tài)，V2為斷態(tài)，給V1關(guān)斷信號(hào)，V2開通信號(hào)后，V1關(guān)斷，但由于感性負(fù)載，電流方向不能立即改變，就沿著VD2續(xù)流，直到電流為零時(shí)VD2截止，V2開通，電流開始反向。依此原理， V1和V2交替導(dǎo)通，VD1和VD2 交替續(xù)流。此電路優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)簡單，使

11、用器件少，缺點(diǎn)是輸出交流電壓幅值僅為Ud/2。圖2.22.3 控制電路的設(shè)計(jì)控制電路需要實(shí)現(xiàn)的功能是產(chǎn)生控制信號(hào)，用于逆變電路中功率器件的通 斷，通過對(duì)逆變角的調(diào)節(jié)而達(dá)到對(duì)逆變后的交流電壓的調(diào)節(jié)。我們采用PWM控制方法，進(jìn)行連續(xù)控制，我們采用了 SG3525芯片，它是一款 專用的PWM控制集成芯片，它采用恒頻調(diào)寬控制方案，內(nèi)部包括精密基準(zhǔn)源， 鋸齒波振蕩器，誤差放大器，比較器，分頻器和保護(hù)電路等。SG3525是電流控制型PWM控制器，所謂電流控制型脈寬調(diào)制器是按照接反饋 電流來調(diào)節(jié)脈寬的。在脈寬比較器的輸入端直接用流過輸出電感線圈的信號(hào)與誤 差放大器輸出信號(hào)進(jìn)行比較，從而調(diào)節(jié)占空比使輸出的電感

12、峰值電流跟隨誤差電 壓變化而變化。由于結(jié)構(gòu)上有電壓環(huán)和電流環(huán)雙環(huán)系統(tǒng)， 因此，無論開關(guān)電源的 電壓調(diào)整率、負(fù)載調(diào)整率和瞬態(tài)響應(yīng)特性都有提高， 是目前比較理想的新型控制 器。SG3525的結(jié)構(gòu)和工作原理：Representative Block Diagram1L圖2.3OSCOutott Ounder- 心爾 .OO1OJCupd E mITA 7q lrte->SGJ527AOutput StjQfRdnna FrgVC I DuquA |O1* _n_OutpurS袁江Na output”r- i a 11一'廠 一 IXvanstfw 仆MV皿I .hanr-t XLt，二

13、 Sc）加6“ITPW8箱人匚 同事端匚 布品持蠟比匚 ctH rtU 放電詵匚 帔啟動(dòng)電匚131110一 V* BITE二1 A. BWI tt二I A9E二閉蝕控制二“恰圖2.4I.Inv.input（引腳1）：誤差放大器反向輸入端。在閉環(huán)系統(tǒng)中，該引腳接反饋信號(hào)。在開環(huán)系統(tǒng)中，該端與補(bǔ)償信號(hào)輸入端（引腳9）相連，可構(gòu)成跟隨器。2.Noninv.input（引腳2）：誤差放大器同向輸入端。在閉環(huán)系統(tǒng)和開環(huán)系統(tǒng)中，該端接給定信號(hào)。根據(jù)需要，在該端與補(bǔ)償信號(hào)輸入端（引腳 9）之間接入不同類 型的反饋網(wǎng)絡(luò)，可以構(gòu)成比例、比例積分和積分等類型的調(diào)節(jié)器.3.Sync（引月卻3）:振蕩器外接同步信號(hào)輸

14、入端。該端接外部同步脈沖信號(hào)可實(shí)現(xiàn) 與外電路同步。4.OSC.Output6M卻4）:振蕩器輸出端。5 .CT（弓加卻5）:振蕩器定時(shí)電容接入端。6 .RT （引腳6）:振蕩器定時(shí)電阻接入端。7 .Discharge（引腳7）：振蕩器放電端。該端與引腳5之間外接一只放電電阻，構(gòu) 成放電回路。8 .Soft-Start（弓加卻8）:軟啟動(dòng)電容接入端。該端通常接一只5的軟啟動(dòng)電容。9.Compensation（弓I腳9）: PWM比較器補(bǔ)償信號(hào)輸入端。在該端與引腳2之間接 入不同類型的反饋網(wǎng)絡(luò)，可以構(gòu)成比例、比例積分和積分等類型調(diào)節(jié)器。10.Shutdown（弓I腳10）:外部關(guān)斷信號(hào)輸入端。該端

15、接高電平時(shí)控制器輸出被禁 止。該端可與保護(hù)電路相連，以實(shí)現(xiàn)故障保護(hù)。ll.Output A （引腳11）:輸出端Ao引腳11和引腳14是兩路互補(bǔ)輸出端。 12.Ground（引腳12）:信號(hào)地。13.Vc（弓加卻13）:輸出級(jí)偏置電壓接入端。14.Output B （引腳14）:輸出端Bo引腳14和引腳11是兩路互補(bǔ)輸出端。 15.Vcc （引腳15）:偏置電源接入端。16.Vref（引腳16）:基準(zhǔn)電源輸出端。該端可輸出一溫度穩(wěn)定性極好的基準(zhǔn)其中， 腳16為SG3525的基準(zhǔn)電壓源輸出，精度可以達(dá)到（5.1 ±1%） V,采用了溫 度補(bǔ)償，而且設(shè)有過流保護(hù)電路。腳 5,腳6,腳7內(nèi)

16、有一個(gè)雙門限比較器，內(nèi) 電容充放電電路，加上外接的電阻電容電路共同構(gòu)成 SG3525的振蕩器。振蕩器 還設(shè)有外同步輸入端（腳3）。腳1及腳2分別為芯片內(nèi)誤差放大器的反相輸入 端、同相輸入端。該放大器是一個(gè)兩級(jí)差分放大器，直流開環(huán)增益為70dB左右。 SG3525勺特點(diǎn)如下：（1）工作電壓范圍寬：8-35V0（2） 5.1 （1 1.0%） V微調(diào)基準(zhǔn)電源。（3）振蕩器工作頻率范圍寬：100HL400KHz.（4）具有振蕩器外部同步功能。（5）死區(qū)時(shí)間可調(diào)。（6）內(nèi)置軟啟動(dòng)電路。（7）具有輸入欠電壓鎖定功能。（8）具有PW械存功能，禁止多脈沖。(9)逐個(gè)脈沖關(guān)斷。(10)雙路輸出(灌電流/拉電流

17、)：mA(峰值)。a基準(zhǔn)電壓源：基準(zhǔn)電壓源是一個(gè)三端穩(wěn)壓電路，其輸入電壓 VCC可在(8 35) V內(nèi)變化，通常采用+15V,其輸出電壓VST= 5.1V,精度士 1%采用溫度補(bǔ) 償，作為芯片內(nèi)部電路的電源，也可為芯片外圍電路提供標(biāo)準(zhǔn)電源， 向外輸出電 流可達(dá)400mA沒有過流保護(hù)電路。b振蕩電路：由一個(gè)雙門限電壓均從基準(zhǔn)電源取得，其高門限電壓 VH=3.9 V, 低門限電壓VL=0.9,內(nèi)部橫流源向CT充電，其端壓VC線性上升，構(gòu)成鋸齒波 的上升沿，當(dāng)VC=VH寸比較器動(dòng)作，充電過程結(jié)束，上升時(shí)間 t1為：t1= 0.67RTCT2.1比較器動(dòng)作時(shí)使放電電路接通，CT放電，VC下降并形成鋸齒

18、波的下降沿，當(dāng)VC=VLL寸比較器動(dòng)作，放電過程結(jié)束，完成一個(gè)工作循環(huán)，下降時(shí)間問 t2為：t2=1.3RDCT2.2注意：此時(shí)間即為死區(qū)時(shí)間鋸齒波的基本周期T為：T=t1+t2=(0.67RT+1.3RD)CT振蕩頻率：f=1/T2.3CT和RT是連接腳5和腳6的振蕩器的電阻和電容，RD是于腳7相連的放電電阻 的阻值?？刂齐娐穲D：D3R31產(chǎn)0 luF驅(qū)動(dòng)信號(hào)圖2.5(1)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)：圖2.6如圖2.6 ,我們采用了電氣隔離的光耦合方式。光耦合器(optical coupler , 英文縮寫為OC亦稱光電隔離器，簡稱光耦。光耦合器以光為媒介傳輸電信號(hào)。 它對(duì)輸入、輸出電信號(hào)有良好的隔離作

19、用，所以，它在各種電路中得到廣泛的應(yīng) 用。目前它已成為種類最多、用途最廣的光電器件之一。光耦合器一般由三部分 組成：光的發(fā)射、光的接收及信號(hào)放大。輸入的電信號(hào)驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管( LED ,使之發(fā)出一定波長的光，被光探測(cè)器接收而產(chǎn)生光電流，再經(jīng)過進(jìn)一步放大后輸 出。這就完成了電一光一電的轉(zhuǎn)換，從而起到輸入、輸出、隔離的作用。由于光 耦合器輸入輸出間互相隔離，電信號(hào)傳輸具有單向性等特點(diǎn)，因而具有良好的電 絕緣能力和抗干擾能力。又由于光耦合器的輸入端屬于電流型工作的低阻元件， 因而具有很強(qiáng)的共模抑制能力。所以，它在長線傳輸信息中作為終端隔離元件可 以大大提高信噪比。在計(jì)算機(jī)數(shù)字通信及實(shí)時(shí)控制中作為信號(hào)

20、隔離的接口器件， 可以大大增加計(jì)算機(jī)工作的可靠性。光耦合器的主要優(yōu)點(diǎn)是：信號(hào)單向傳輸，輸入端與輸出端完全實(shí)現(xiàn)了電氣隔 離隔離，輸出信號(hào)對(duì)輸入端無影響，抗干擾能力強(qiáng)，工作穩(wěn)定，無觸點(diǎn)，使用壽 命長，傳輸效率高。光耦合器是 70年代發(fā)展起來產(chǎn)新型器件，現(xiàn)已廣泛用于電 氣絕緣、電平轉(zhuǎn)換、級(jí)間耦合、驅(qū)動(dòng)電路、開關(guān)電路、斬波器、多諧振蕩器、信 號(hào)隔離、級(jí)間隔離、脈沖放大電路、數(shù)字儀表、遠(yuǎn)距離信號(hào)傳輸、脈沖放大、 固態(tài)繼電器（SSR）、儀器儀表、通信設(shè)備及微機(jī)接口中。在單片開關(guān)電源中，利 用線性光耦合器可構(gòu)成光耦反饋電路， 通過調(diào)節(jié)控制端電流來改變占空比， 達(dá)到 精密穩(wěn)壓目的。我們?cè)谀┒思右粋€(gè)推挽式放大結(jié)

21、構(gòu)進(jìn)行電壓電流放大，達(dá)到高輸出電壓，高速，高共模抑制。保護(hù)電路的設(shè)計(jì)：相對(duì)于電機(jī)和繼電器，接觸器等控制器而言，電力電子器件承受過電流和過 電壓的能力較差，短時(shí)間的過電流和過電壓就會(huì)把器件損壞。 但又不能完全根據(jù) 裝置運(yùn)行時(shí)可能出現(xiàn)的暫時(shí)過電流和過電壓的數(shù)值來確定器件參數(shù)，必須充分發(fā)揮器件應(yīng)有的過載能力。因此，保護(hù)就成為提高電力電子裝置運(yùn)行可靠性必不可 少的重要環(huán)節(jié)。3主電路過電壓保護(hù)設(shè)計(jì)3.1 保護(hù)電路選擇所謂過壓保護(hù)，即指流過晶閘管兩端的電壓值超過晶閘管在正常工作時(shí)所能 承受的最大峰值電壓UnTB稱為過電壓，其電路圖見圖2.1圖3.1產(chǎn)生過電壓的原因一般由靜電感應(yīng)、雷擊或突然切斷電感回路電流

22、時(shí)電磁 感應(yīng)所引起。其中，對(duì)雷擊產(chǎn)生的過電壓，需在變壓器的初級(jí)側(cè)接上避雷器，以 保護(hù)變壓器本身的安全；而對(duì)突然切斷電感回路電流時(shí)電磁感應(yīng)所引起的過電 壓，一般發(fā)生在交流側(cè)、直流側(cè)和器件上，因而，下面介紹單相橋式全控整流主 電路的電壓保護(hù)方法。交流側(cè)過電壓保護(hù)過電壓產(chǎn)生過程：電源變壓器初級(jí)側(cè)突然拉閘，使變壓器的勵(lì)磁電流突然切 斷，鐵芯中的磁通在短時(shí)間內(nèi)變化很大，因而在變壓器的次級(jí)感應(yīng)出很高的瞬時(shí) 電壓。保護(hù)方法：阻容保護(hù)直流側(cè)過電壓保護(hù)過電壓產(chǎn)生過程：當(dāng)某一橋臂的晶閘管在導(dǎo)通狀態(tài)突然因果載使快速熔斷器 熔斷時(shí)，由于直流住電路電感中儲(chǔ)存能量的釋放，會(huì)在電路的輸出端產(chǎn)生過電壓。 保護(hù)方法：阻容保護(hù)如

23、圖2.23.2 過電流保護(hù)電路第一種是采用電子保護(hù)電路，檢測(cè)設(shè)備的輸出電壓或輸入電流，當(dāng)輸出電 壓或輸入電流超過允許值時(shí)，借助整流觸發(fā)控制系統(tǒng)使整流橋短時(shí)內(nèi)工作于有 源逆變工作狀態(tài)，從而抑制過電壓或過電流的數(shù)值。第二種是在適當(dāng)?shù)牡胤桨惭b保護(hù)器件，例如， R-C阻容吸收回路、限流電感、 快速熔斷器、壓敏電阻或硒堆等。我們這次的課程設(shè)計(jì)采用的是第二種保護(hù)電 路。(1)晶閘管變流裝置的過電流保護(hù)品閘管變流裝置運(yùn)行不正常或者發(fā)生故障時(shí)， 可能會(huì)發(fā)生過電流，過電流 分過載和短路兩種情況，由于品閘管的熱容量較小，以及從管心到散熱器的傳 導(dǎo)途徑中要遭受到一系列熱阻，所以一旦過電流，結(jié)溫上升很快，特別在瞬時(shí)

24、短路電流通過時(shí)，內(nèi)部熱量來不及傳導(dǎo)，結(jié)溫上升更快，品閘管承受過載或短 路電流的能力主要受結(jié)溫的限制。可用作過電流保護(hù)電路的主要有快速熔斷 器，直流快速熔斷器和過電流繼電器等。 在此我們采用快速熔斷器措施來進(jìn)行 過電流保護(hù)。采用快速熔斷器是電力電子裝置中最有效、應(yīng)用最廣的一種過電流保護(hù)措施。在選擇快熔時(shí)應(yīng)考慮：(1)電壓等級(jí)應(yīng)根據(jù)熔斷后快熔實(shí)際承受的電壓來確定。(2)電流容量應(yīng)按其在主電路中的接入方式和主電路聯(lián)結(jié)形式確定。快熔一般 與電力半導(dǎo)體器件串聯(lián)連接，在小容量裝置中也可用接于閥側(cè)交流母線或直流母 線中。(3)快熔的12t值應(yīng)小于被保護(hù)器件的允許12t值、(4)為保證熔體在正常過載情況下不熔

25、化，應(yīng)考慮其時(shí)間電流特性。因?yàn)槠烽l管的額定電流為10A,快速熔斷器的熔斷電流大于1.5倍的晶閘管額定電 流，所以快速熔斷器的熔斷電流為15A。3.3晶閘管變流過電壓保護(hù)電力電子裝置中可能發(fā)生的過電壓分為外因過電壓和內(nèi)因過電壓兩類。外因過電壓主要來自雷擊和系統(tǒng)中的操作過程等外部原因，內(nèi)因過電壓主要來自電力電子裝置內(nèi)部器件的開關(guān)過程，過電壓保護(hù)有避雷器保護(hù)，利用非線性過電壓保 護(hù)元件保護(hù)，利用儲(chǔ)能元件保護(hù)，利用引入電壓檢測(cè)的電子保護(hù)電路作過電壓保 護(hù)。在此我們采用儲(chǔ)能元件保護(hù)即阻容保護(hù)。圖3.4C _6io%22R.2.3U22S單相阻容保護(hù)的計(jì)算公式如下:3.13.2S:變壓器每相平均計(jì)算容量(

26、VA)U2 :變壓器副邊相電壓有效值(V)i 0%變壓器激磁電流百分值Uk%變壓器的短路電壓百分值。當(dāng)變壓器的容量 在(10-1000 ) KVA1面取值時(shí)i 0%=(4-10 )在里面取值, Uk %= (5-10 )里面取值。電容C的單位為pF,電阻的單位為歐姆，電容 C的交流耐壓1.5UeUe：正常工作時(shí)阻容兩端交流電壓有效值。根據(jù)公式算得電容值為4.8 nF,交流耐壓為165V,電阻值為12.86 Q,在設(shè)計(jì)中我們?nèi)‰娙轂?F,電阻值為13Q。品閘管初開通時(shí)電流集中在靠近門極的陰極表面較小的區(qū)域，局部電流密很大，然后以O(shè).lmm/卜s的擴(kuò)展速度將電流擴(kuò)展到整個(gè)陰極面， 若晶閘管開通時(shí)電

27、 流上升率di/dt過大，會(huì)導(dǎo)致PN結(jié)擊穿，必須限制晶閘管的電流上升率使其在 合適的范圍內(nèi)。其有效辦法是在晶閘管的陽極回路串聯(lián)入電感。如圖 3.5:圖3.5加在晶閘管上的正向電壓上升率 du/dt也應(yīng)有所限制，如果du/dt過大由于品閘管結(jié)電容的存在而產(chǎn)生較大的位移電流，該電流可以實(shí)際上起到觸發(fā)電流的作用，使晶閘管正向阻斷能力下降，嚴(yán)重時(shí)引起品閘管誤導(dǎo)通。為抑制du/dt的作用，可以在晶閘管兩端并聯(lián) R-C阻容吸收回路。如圖3.6:4元器件參數(shù)計(jì)算與選取4.1 參數(shù)計(jì)算(1)整流輸出電壓的平均值可按下式計(jì)算1 二二2.2一U d =. 2U 2 sin td t =U 2 cos=0,9U 2

28、 cos：4.1冗窗n當(dāng)a=0時(shí)，Ud取得最大值100V即Ud = 0.9 U2=100V從而得出U2=111V, a=90°時(shí)，Ud =0O a角的移相范圍為90°。(2)整流輸出電壓的有效值為/1 雙.一2' 二 2U 2sin t d t =U2 =111V4.2Y冗a(3)整流電流的平均值和有效值分別為4.34.4, Ud vU21d =0.9 cos .：sRdRd,U U2I =RdRd(4)在一個(gè)周期內(nèi)每組晶閘管各導(dǎo)通180° ,兩組輪流導(dǎo)通，變壓器二次電流是正、負(fù)對(duì)稱的方波，電流的平均值Id和有效值I相等，其波形系數(shù)為1。流過每個(gè)晶閘管的電

29、流平均值和有效值分別為：4.5, 入 二 1 ,I dT - I d _ I d _ I d2 二2 二24.6(5)晶閘管在導(dǎo)通時(shí)管壓降 5=0,故其波形為與橫軸重合的直線段；VT1和VT2 加正向電壓但觸發(fā)脈沖沒到時(shí)，VT3 VT4已導(dǎo)通，把整個(gè)電壓U2加到VT1 或VT2上，則每個(gè)元件承受的最大可能的正向電壓等于 <2U 2 ;VT1和VT2反 向截止時(shí)漏電流為零，只要另一組晶閘管導(dǎo)通，也就把整個(gè)電壓必加到VT1或VT2上，故兩個(gè)晶閘管承受的最大反向電壓也為 %；2U 2 04.2元器件的選取由于單相橋式全控整流帶電感性負(fù)載主電路主要元件是品閘管，所以選取元件時(shí)主要考慮晶閘管的參數(shù)

30、及其選取原則。(1).晶閘管的主要參數(shù)如下：額定電壓UTn通常取UDr利Ur出較小的，再取靠近標(biāo)準(zhǔn)的電壓等級(jí)作為品閘管型的額定 電壓。在選用管子時(shí)，額定電壓應(yīng)為正常工作峰值電壓的 23倍，以保證電路 的工作安全。品閘管的額定電壓 U Tn='min U drm ,U rrm)4.7UTn > (2-3) UTmUTm：工作電路中加在管子上的最大瞬時(shí)電壓額定電流I T(AV)It(av)又稱為額定通態(tài)平均電流。其定義是在室溫40°和規(guī)定的冷卻條件下，元件在電阻性負(fù)載流過正弦半波、導(dǎo)通角不小于170°的電路中，結(jié)溫不超過額定結(jié)溫時(shí)，所允許的最大通態(tài)平均電流值。將此

31、電流按晶閘管標(biāo)準(zhǔn)電流取相近 的電流等級(jí)即為品閘管的額定電流。要注意的是若晶閘管的導(dǎo)通時(shí)間遠(yuǎn)小于正 弦波的半個(gè)周期，即使正向電流值沒超過額定值，但峰值電流將非常大，可能 會(huì)超過管子所能提供的極限，使管子由于過熱而損壞。在實(shí)際使用時(shí)不論流過 管子的電流波形如何、導(dǎo)通角多大，只要其最大電流有效值ITM < iTn ,散熱冷卻符合規(guī)定，則品閘管的發(fā)熱、溫開就能限制在允許的范圍。ITn :額定電流有效值，根據(jù)管子的IT(AV)換算出，I T(AV)、I TM I Tn二者之間的關(guān)系：二c2JITn = 1/2二(Imsin t)2d( t) = 4.8- 0 二I T(AV)冗=1/2二 

32、6; Im sin td ( -t)4.9波形系數(shù)：有直流分量的電流波形，具有效值It與平均值 小之比稱為該波形的 波形系數(shù)，用Kf表示。Kf 二顯4.10I Td額定狀態(tài)下，晶閘管的電流波形系數(shù)Kf-1.112.2,一, 2U 2 sin td t =U 2 cos-i = 0.9U 2 cos：4.11當(dāng)a=0寸，Ud取得最大值100V即Ud = 0.9 U2 = 100V從而得出U2 = 111V, a =90 時(shí)，Ud=0。a角的移相范圍為90°。品閘管承受最大電壓為 UTM = JEU? = &M111V =157V考慮到2倍裕量，取400V.品閘管的選擇原則：I所

33、選晶閘管電流有效值"n大于元件 在電路中可能流過的最大電流有效值n選擇時(shí)考慮（1.52）倍的安全余量。即iTn =0.7071T（AV）= （1.5-2） I TMIt（av）一（1.52）粵4.121.11因?yàn)閂2It = I ,則晶閘管的額定電流為It（av）=10A（輸出電流的有效值為最 小值，所以該額定電流也為最小值）考慮到2倍裕量，取20A.即品閘管的額定電 流至應(yīng)大于20A.在本次設(shè)計(jì)中我選用2個(gè)MO燃晶閘管.出若散熱條件不符合規(guī)定要求時(shí)，則元件的額定電流應(yīng)降低使用。通態(tài)平均管壓降UT（av）o指在規(guī)定的工作溫度條件下，使晶閘管導(dǎo)通的正弦波半個(gè)周期內(nèi)陽極與陰極電壓的平均值

34、，一般在 0.41.2V。維持電流Ih。指在常溫門極開路時(shí)，晶閘管從較大的通態(tài)電流降到剛好能 保持通態(tài)所需要的最小通態(tài)電流。一般Ih值從幾十到幾百毫安，由晶閘管電 流容量大小而定。門極觸發(fā)電流Ig o在常溫下，陽極電壓為6V時(shí)，使晶閘管能完全導(dǎo)通所需 的門極電流，一般為毫安級(jí)。 斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt。在額定結(jié)溫和門極開路的情況下，不會(huì)導(dǎo)致晶 閘管從斷態(tài)到通態(tài)轉(zhuǎn)換的最大正向電壓上升率。一般為每微秒幾十伏。 通態(tài)電流臨界上升率di/dt。在規(guī)定條件下，品閘管能承受的最大通態(tài)電流 上升率。若晶閘管導(dǎo)通時(shí)電流上升太快，則會(huì)在晶閘管剛開通時(shí)，有很大的 電流集中在門極附近的小區(qū)域內(nèi)，從而造成局部過熱而損壞品閘管。（2）變壓器的選取根據(jù)參數(shù)計(jì)算