論文單相橋式全控整流電路的設(shè)計(jì)

1、單相橋式全控整流電路的設(shè)計(jì)摘要電力電子學(xué)主要研究各種電力電子器件,以及由這些電力電子器件所構(gòu)成的各式各樣的電路或裝置,以完成對(duì)電能的變換和限制.它既是電子學(xué)在強(qiáng)電高電壓、大電流或電工領(lǐng)域的一個(gè)分支,乂是電工學(xué)在弱電低電壓、小電流或電子領(lǐng)域的一個(gè)分支,或者說(shuō)是強(qiáng)弱電相結(jié)合的新科學(xué).電力電子學(xué)是橫跨“電子、“電力和“限制三個(gè)領(lǐng)域的一個(gè)新興工程技術(shù)學(xué)科.隨著科學(xué)技術(shù)的日益開(kāi)展,人們對(duì)電路的要求也越來(lái)越高,由于在生產(chǎn)實(shí)際中需要大小可調(diào)的直流電源,而相控整流電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、限制方便、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(yīng)用.在電能的生產(chǎn)和傳輸上

2、,目前是以交流電為主.電力網(wǎng)供應(yīng)用戶的是交流電,而在許多場(chǎng)合,例如電解、蓄電池的充電、直流電動(dòng)機(jī)等,需要用直流電.要得到直流電,除了直流發(fā)電機(jī)外,最普遍應(yīng)用的是利用各種半導(dǎo)體元件產(chǎn)生直流電.這個(gè)方法中,整流是最根底的一步.整流,即利用具有單向?qū)щ娞匦缘钠骷?把方向和大小交變的電流變換為直流電.整流的根底是整流電路.由于電力電子技術(shù)是將電子技術(shù)和限制技術(shù)引入傳統(tǒng)的電力技術(shù)領(lǐng)域,利用半導(dǎo)體電力開(kāi)關(guān)器件組成各種電力變換電路實(shí)現(xiàn)電能和變換和限制,而構(gòu)成的一門完整的學(xué)科.整流電路應(yīng)用非常廣泛,而單相全控橋式晶閘管整流電路乂有利于夯實(shí)根底,故我們將單結(jié)晶體管觸發(fā)的單相品閘管全控整流電路這一課題作為這一課程

3、的課程設(shè)計(jì)的課題.關(guān)鍵詞:單相,橋式,全控摘要11 .工作原理1,1. 1IGBT的簡(jiǎn)介11.1.1 IGBT的概述錯(cuò)誤!未定義書簽.1.1.2IGBT的根本特性1.1.1.3IGBT的參數(shù)特點(diǎn)2.1.2單相橋式全控整流電路的根本原理3.1.2.1電路組成3.1. 2.2工作原理32.電路總體設(shè)計(jì)52.1 總電路圖5.2.2 確定各器件參數(shù).錯(cuò)誤!未定義書簽.2. 2.1參數(shù)關(guān)系.52. 2.2參數(shù)的計(jì)算6,2. 3晶閘管的選擇7.3 .觸發(fā)電路的設(shè)計(jì)84 .工作過(guò)程及參數(shù)設(shè)定.91 .1工作過(guò)程94 .2參數(shù)設(shè)定和仿真圖94.2.1觸發(fā)角為60°94.2.2觸發(fā)角為90011.心得

4、體會(huì).錯(cuò)誤!未定義書簽.參考文獻(xiàn),錯(cuò)誤!未定義書簽.1.工作原理1.1 IGBT的簡(jiǎn)介1.1.1 IGBT的概述IGBTInsulatedGateBipolarTransistor,絕緣柵雙極型功率管,是由BJT雙極型三極管和MOS絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動(dòng)式電力電子器件,兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導(dǎo)通壓降兩方面的優(yōu)點(diǎn).GTR飽和壓降低,教流密度大,但驅(qū)動(dòng)電流較大;MOSFET驅(qū)動(dòng)功率很小,開(kāi)關(guān)速度快,但導(dǎo)通壓降大,載流密度小.IGBT綜合了以上兩種器件的優(yōu)點(diǎn),驅(qū)動(dòng)功率小而飽和壓降低.非常適合應(yīng)用于直流電壓為600V及以上的變流系統(tǒng)如交流電機(jī)、變頻器、開(kāi)關(guān)電源、照明

5、電路、牽引傳動(dòng)等領(lǐng)域.正式商用的IGBT器件的電壓和電流容量還很有限,遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足電力電子應(yīng)用技術(shù)開(kāi)展的需求；高壓領(lǐng)域的許多應(yīng)用中,要求器件的電壓等級(jí)到達(dá)10KV以上,目前只能通過(guò)IGBT高壓串聯(lián)等技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)高壓應(yīng)用.國(guó)外的一些廠家如瑞士ABB公司采用軟穿通原那么研制出了8KV的IGBT器件,德國(guó)的EUPEC生產(chǎn)的6500V/600A高壓大功率IGBT器件已經(jīng)獲得實(shí)際應(yīng)用,日本東芝也已涉足該領(lǐng)域.與此同時(shí),各大半導(dǎo)體生產(chǎn)廠商不斷開(kāi)發(fā)IGBT的高耐壓、大電流、高速、低飽和壓降、高可靠性、低本錢技術(shù),主要采用lum以下制作工藝,研制開(kāi)發(fā)取得一些新進(jìn)展.圖1-1IGBT等效電路和電氣圖形符號(hào)1.1.

6、 1.2IGBT的根本特性IGBT的根本特性分為動(dòng)態(tài)特性和靜態(tài)特性.IGBT的靜態(tài)特性主要有伏安特性、轉(zhuǎn)移特性和開(kāi)關(guān)特性.NGBT的伏安特性是指以柵源電壓氣為參變量時(shí),漏極電流與柵極電壓之間的關(guān)系曲線.輸出漏極電流比受柵源電壓%的限制,%越高,Id越大.它與GTR的輸出特性相似.也可分為飽和區(qū)1、放大區(qū)2和擊穿特性3局部.在截止?fàn)顟B(tài)下的IGBT,正向電壓由J2結(jié)承當(dāng),反向電壓由J1結(jié)承當(dāng).如果無(wú)N+緩沖區(qū),那么正反向阻斷電壓可以做到同樣水平,加入N+緩沖區(qū)后,反向關(guān)斷電壓只能到達(dá)幾十伏水平,因此限制了IGBT的某些應(yīng)用范圍.IGBT的轉(zhuǎn)移特性是指輸出漏極電流Id與柵源電壓網(wǎng)之間的關(guān)系曲線.它與

7、MOSFET的轉(zhuǎn)移特性相同,當(dāng)柵源電壓小于開(kāi)啟電壓氣時(shí),IGBT處于關(guān)斷狀態(tài).在IGBT導(dǎo)通后的大局部漏極電流范圍內(nèi),Id與呈線性關(guān)系.最高柵源電壓受最大漏極電流限制,其最正確值一般取為15V左右.IGBT的開(kāi)關(guān)特性是指漏極電流與漏源電壓之間的關(guān)系.IGBT處于導(dǎo)通態(tài)時(shí),由于它的PNP晶體管為寬基區(qū)晶體管,所以其值極低.盡管等效電路為達(dá)林頓結(jié)構(gòu),但流過(guò)MOSFET的電流成為IGBT總電流的主要局部.IGBT動(dòng)態(tài)特性在開(kāi)通過(guò)程中,大局部時(shí)間是作為MOSFET來(lái)運(yùn)行的,只是在漏源電壓下降過(guò)程后期,PNP晶體管由放大區(qū)至飽和,乂增加了一段延遲時(shí)間.t(on)為開(kāi)通延遲時(shí)間,q為電流上升時(shí)間.實(shí)際應(yīng)用

8、中常給出的漏極電流開(kāi)通時(shí)間t(on)即為t(on)%之和.漏源電壓的下降時(shí)間由tfel和tfe2組成.IGBT的觸發(fā)和關(guān)斷要求給其柵極和基極之間加上正向電壓和負(fù)向電壓,柵極電壓可由不同的驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生.中選擇這些驅(qū)動(dòng)電路時(shí),必須基于以下的參數(shù)來(lái)進(jìn)行：器件關(guān)斷偏置的要求、柵極電荷的要求、耐固性要求和電源的情況.由于IGBT柵極-發(fā)射極阻抗大,故可使用MOSFET驅(qū)動(dòng)技術(shù)進(jìn)行觸發(fā),不過(guò)由于IGBT的輸入電容較MOSFET為大,故IGBT的關(guān)斷偏壓應(yīng)該比許多MOSFET驅(qū)動(dòng)電路提供的偏壓更高.IGBT在關(guān)斷過(guò)程中,漏極電流的波形變?yōu)閮啥?由于MOSFET關(guān)斷后,PNP晶體管的存儲(chǔ)電荷難以迅速消除,造成

9、漏極電流較長(zhǎng)的尾部時(shí)間,td(off)為關(guān)斷延遲時(shí)間,晨為電壓以的上升時(shí)間.IGBT的開(kāi)關(guān)速度低于MOSFET,但明顯高于GTR.IGBT在關(guān)斷時(shí)不需要負(fù)柵壓來(lái)減少關(guān)斷時(shí)間,但關(guān)斷時(shí)間隨柵極和發(fā)射極并聯(lián)電阻的增加而增加.IGBT的開(kāi)啟電壓約34V,和MOSFET相當(dāng).IGBT導(dǎo)通時(shí)的飽和壓降比MOSFET低而和GTR接近飽和壓降隨柵極電壓的增加而降低.1.2. 3IGBT的參數(shù)特點(diǎn)(I)開(kāi)關(guān)速度高,開(kāi)關(guān)損耗小.在電壓1000V以上時(shí);開(kāi)關(guān)損耗只有GTR的1/10,與電力MOSFET相當(dāng).(2)相同電壓和電流定額時(shí),平安工作區(qū)比GTR大,且具有耐脈沖電流沖擊水平.(3)通態(tài)壓降比VDMOSFET

10、低,特別是在電流較大的區(qū)域.(4)輸入阻抗高,輸入特性與MOSFET類似.(5)與MOSFET和GTR相比,耐壓和通流水平還可以進(jìn)一步提升,同時(shí)保持開(kāi)關(guān)頻率高的特點(diǎn).1.3. 相橋式全控整流電路的根本原理1.2.1電路組成該電路為單相橋式全控整流電路,山變壓器、四個(gè)晶閘管、電感及電阻組成,如圖12所示.圖1-2單相橋式全控整流電路圖帶阻感負(fù)載1.2.2工作原理第一階段：在U2正半波的(0.)區(qū)間：晶閘管VT1、VT4承受正壓,但無(wú)觸發(fā)脈沖,處于關(guān)斷狀態(tài).假設(shè)電路已工作在穩(wěn)定狀態(tài),那么在區(qū)間由于電感釋放能量,品閘管VT2、VT3維持導(dǎo)通.第二階段：在U2正半波的a=a時(shí)刻及以后：在"=

11、.處觸發(fā)晶閘管VH、VT4使其導(dǎo)通,電流沿a-VTl-L-RfVT4-bfTr的二次繞組一a流通,此時(shí)負(fù)載上有輸出電壓(%=%)和電流.電源電壓反向加到晶閘管VT2、VT3上,使其承受反壓而處于關(guān)斷狀態(tài).第三階段：在U2負(fù)半波的(/Ji+a)區(qū)間：當(dāng)池=八時(shí),電源電壓自然過(guò)零,感應(yīng)電勢(shì)使晶閘管VT1、VT4繼續(xù)導(dǎo)通.在電壓負(fù)半波,晶閘管VT2、VT3承受正壓,因無(wú)觸發(fā)脈沖,VT2、VT3處于關(guān)斷狀態(tài).第四階段：在U2負(fù)半波的a二冗+a時(shí)刻及以后：在二八+a處觸發(fā)晶閘管VT2、VT3使其導(dǎo)通,電流沿b-VT3-L-RfVT2-a-Tr的二次繞組fb流通,電源電壓沿正半周期的方向施加到負(fù)教上,負(fù)教

12、上有輸出電壓%=-,和電流.此時(shí)電源電壓反向加到VT1、VT4上,使其承受反壓而變?yōu)殛P(guān)斷狀態(tài).晶閘管VT2、VT3一直要導(dǎo)通到下一周期wt=2n+a處再次觸發(fā)晶閘管VTKVT4為止.a>90.輸出電壓波形正負(fù)面積相同,平均值為零,所以移相范圍是090".限制角a在0、90°之間變化時(shí),品閘管導(dǎo)通角0二九,導(dǎo)通角0與限制角a無(wú)關(guān).I.2.3電路分析在U2正半周期,觸發(fā)角a處給晶閘管VT1和VT4加觸發(fā)脈沖使其開(kāi)通,Ud=U2.負(fù)載中有電感存在是負(fù)載電流不能突變,電感對(duì)負(fù)載電流起平波作用,假設(shè)負(fù)載電感很大,負(fù)載電流連續(xù),且波形近似為一水平線.U2過(guò)零變負(fù)時(shí),由于電感的作用

13、晶閘管VT1和VT4中仍流過(guò)電流id,并不關(guān)斷.至wt二五十.時(shí)刻,給VT2和VT3加觸發(fā)脈沖,VT2和VT3承受正向電壓導(dǎo)通.U2通過(guò)VT2和VT3分別向VT1和VT4施加反壓使VT1和VT4關(guān)斷,流過(guò)VT1和VT4的電流迅速轉(zhuǎn)移到VT2和VT3上,此過(guò)程稱為換相,亦稱換流.圖1-3單相橋式全控整流電路帶阻感負(fù)載電路波形2.電路總體設(shè)計(jì)2.1 總電路圖圖2-1單相橋式全控整流電路的設(shè)計(jì)2.2 確定各器件參數(shù)2.2.1 參數(shù)關(guān)系(1)輸出電壓平均值力和輸出電流平均值Ug=fG血u、sincotd(cot)=八一U、cosa=0.9U,cosa71Jct7tI廣dRJ=I(2)晶閘管的電流平均值

14、七.和有效值/"2d,1/丁一回=0.707/d(3)輸出電流有效值I和變壓器二次電流有效值人一1 a(4)晶閘管所承受的最大正向電壓和反向電壓均為：/口2 .2.2參數(shù)的計(jì)算(1) .在阻感負(fù)教下電流連續(xù),整流輸出電壓的平均值為Ud=0.9&cosiz=0.9*100*1/2V=45V(2) .變壓器二次側(cè)輸出電壓為U=J；(及U/in0"(0)=5=100V(3) .整流輸出電流平均值為,P500I尸=A=11.1AUd45(4) .變壓器二次側(cè)電流為Ir=Id=AA(5) .電阻為R="=也.=4.05.H.1(6) .晶閘管承受的最大反向電壓為&a

15、mp;U,=100、5V=.4V一(7) .晶閘管的額定電壓為Un=(23)x141AV=283424V(8) .流過(guò)晶閘管電流有效值為vt=7.85A(9) .晶閘管的額定電流為仆假設(shè)學(xué)35-3(10) .Ul=220VU2=l00K=U1/U2=220/100=2.22.3晶閘管的選擇1額定電壓通常取U/必,和KM中較小的,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,以保證電路的工作平安.2額定電流/7AVAV乂稱為額定通態(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(guò)正弦半波、導(dǎo)通角不小于170

16、76;的電路中,結(jié)溫不超過(guò)額定結(jié)溫時(shí),所允許的最大通態(tài)平均電流值.將此電流按晶閘管標(biāo)準(zhǔn)電流取相近的電流等級(jí)即為晶閘管的額定電流.在實(shí)際使用時(shí)不管流過(guò)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不大于額定電流的有效值,散熱冷卻符合規(guī)定,那么品閘管的發(fā)熱、溫升就能限制在允許的范圍.在實(shí)際使用時(shí)不管流過(guò)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不大于額定電流的有效值,散熱冷卻符合規(guī)定,那么品閘管的發(fā)熱、溫升就能限制在允許的范圍.晶閘管的額定電壓和晶閘管的額定電流為八=23x141AV=283424V1.57L5二2x/*7.5043.觸發(fā)電路的設(shè)計(jì)觸發(fā)電路對(duì)其產(chǎn)生的觸發(fā)脈沖要求：(

17、1)觸發(fā)信號(hào)可為直流、交流或脈沖電壓.(2)觸發(fā)信號(hào)應(yīng)有足夠的功率.(3)觸發(fā)脈沖應(yīng)有一定的寬度,脈沖的前沿盡可能陡,以使元件在觸發(fā)導(dǎo)通后,陽(yáng)極電流能迅速上升超過(guò)掣住電流而維持導(dǎo)通.(4)觸發(fā)脈沖必須與晶閘管的陽(yáng)極電壓同步,脈沖移相范圍必須滿足電路要求.(5)觸發(fā)脈沖與主電路電源必須同步.為了使晶閘管在每一個(gè)周期都以相同的限制角a被觸發(fā)導(dǎo)通,觸發(fā)脈沖必須與電源同步,兩者的頻率應(yīng)該相同,而且要有固定的相位關(guān)系,以使每一周期都能在同樣的相位上觸發(fā).4.工作過(guò)程及參數(shù)設(shè)定4.1工作過(guò)程假設(shè)電路已工作于穩(wěn)態(tài),.的平均值不變.在2的正半周期,觸發(fā)角.處給晶閘管町和卜八加觸發(fā)脈沖使其開(kāi)通,等于負(fù)教中有電感

18、存在使負(fù)載電流不能突變,電感對(duì)負(fù)載電流起平波作用,假設(shè)負(fù)載電感很大,負(fù)載電流.連續(xù)且波形近似為一水平線,七過(guò)零變負(fù)時(shí),由于電感的作用晶閘管5、中仍過(guò)電流并不關(guān)斷.至a=4+a時(shí)刻,給V八和«加觸發(fā)脈沖,因憶和V7；本已承受正電壓,故兩管導(dǎo)通.憶和國(guó)導(dǎo)通后,“2通過(guò)l/八和«分別向巴和冒74施加反壓使5和174關(guān)斷,流過(guò)町和巴的電流迅速轉(zhuǎn)移到憶和四上,此過(guò)程稱為換向,亦稱換流.至下一周期重復(fù)上述過(guò)程,如此循環(huán)下去.4.2參數(shù)設(shè)定和仿真圖4.2.1觸發(fā)角為60°GatingBlockParameters|otherInfo|Color|Gatingblockforswitches)83DisplayName|g3PFrequency150廠No.ofPoints|2二|SwitchingPoints"氣360,P二|Help圖4-1觸發(fā)角設(shè)計(jì)V*V6、QTill®*>)圖4-2脈沖波形圖圖4-3電壓及電流波形4.2.2觸發(fā)角為90.GatingBlockS3Parameters|otherInfo|ColorjGatingblockfo