單相半控橋式晶閘管整流電路設(shè)計(jì)

1、單相半控橋式晶閘管整流電路設(shè)計(jì)姓 名: 班 級(jí): 學(xué) 號(hào): 專 業(yè): 指導(dǎo)教師: 2012年11月23日 目 錄一、設(shè)計(jì)的基本要求21.1 設(shè)計(jì)的主要參數(shù)及要求：21.2 設(shè)計(jì)的主要功能2二、總體系統(tǒng)的設(shè)計(jì)22.1 主電路方案論證22.2 主電路結(jié)構(gòu)及其工作原理32.3 參數(shù)計(jì)算3三、硬件電路43.1 系統(tǒng)總體原理框圖43.2 驅(qū)動(dòng)電路43.2.1 驅(qū)動(dòng)電路方案43.2.2 驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)5四、電路元件的選擇74.1 整流元件的選擇84.1.1 晶閘管結(jié)構(gòu)84.1.2 晶閘管的工作原理94.1.3 晶閘管的基本特性10五、仿真模型及波形12六、結(jié) 語(yǔ)：13七、參考文獻(xiàn)：13一、設(shè)計(jì)的基本要求1

2、.1設(shè)計(jì)的主要參數(shù)及要求：設(shè)計(jì)條件：1、電源電壓：交流100V/50Hz2、輸出功率：500W3、移相范圍0º180º1.2 設(shè)計(jì)的主要功能 單相橋式半控整流電路的工作特點(diǎn)是晶閘管觸發(fā)導(dǎo)通，而整流二極管在陽(yáng)極電壓高于陰極電壓時(shí)自然導(dǎo)通。單相橋式整流電路在感性負(fù)載電流連續(xù)時(shí)，當(dāng)相控角<90°時(shí)，可實(shí)現(xiàn)將交流電功率變?yōu)橹绷麟姽β实南嗫卣鳎辉?gt;90°時(shí)，可實(shí)現(xiàn)將直流電返送至交流電網(wǎng)的有源逆變。在有源逆變狀態(tài)工作時(shí)，相控角不應(yīng)過(guò)大，以確保不發(fā)生換相（換流）失敗事故。二、總體系統(tǒng)的設(shè)計(jì)2.1 主電路方案論證方案一：?jiǎn)蜗喟肟貥蚴秸麟娐罚êm(xù)流二極管）

3、單相橋式半控整流電路雖然具有電路簡(jiǎn)單、調(diào)整方便、使用元件少等優(yōu)點(diǎn)，而且不會(huì)導(dǎo)致失控顯現(xiàn)，續(xù)流期間導(dǎo)電回路中只有一個(gè)管壓降，少了一個(gè)管壓降，有利于降低損耗。方案二：?jiǎn)蜗喟肟貥蚴秸鞫O管（不含續(xù)流二極管） 不含續(xù)流二極管的電路具有自續(xù)流能力，但一旦出現(xiàn)異常，會(huì)導(dǎo)致：一只晶閘管與兩只二極管之間輪流導(dǎo)電，其輸出電壓失去控制，這種情況稱之為“失控”。失控時(shí)的的輸出電壓相當(dāng)于單相半波不可控整流時(shí)的電壓波形。在失控情況下工作的晶閘管由于連續(xù)導(dǎo)通很容易因過(guò)載而損壞。因?yàn)榘雽?dǎo)體本身具有續(xù)流作用，半控電路只能將交流電能轉(zhuǎn)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。經(jīng)過(guò)比較本設(shè)計(jì)選擇方案

4、一含續(xù)流二極管的單相半控橋式整流電路能更好的達(dá)到設(shè)計(jì)要求。2.2 主電路結(jié)構(gòu)及其工作原理 單相橋式半控整流電路雖然具有電路簡(jiǎn)單、調(diào)整方便、使用元件少等優(yōu)點(diǎn)，但卻有整流電壓脈動(dòng)大、輸出整流電流小的缺點(diǎn)。其使用的電路圖如下圖2.1所示。圖2.1 主體電路結(jié)構(gòu)原理圖 在交流輸入電壓u2的正半周（a端為正）時(shí)，VT1和VD4承受正向電壓。這時(shí)如對(duì)晶閘管VT引入觸發(fā)信號(hào)，則VT1和D1導(dǎo)通電流的通路為U2+VT1RVD4U2-。 這時(shí)VT1和VD4都因承受反向電壓而截至。同樣，在電壓U2的負(fù)半周時(shí)，VD3和VT2承受正向電壓。這時(shí)，如對(duì)晶閘管VT2引入觸發(fā)信號(hào)，則VT2和VD3導(dǎo)通，電流的通路為：U2-

5、VT2RVD3U2+。 這時(shí)VT1和VD4處于截至狀態(tài)。顯然，與單相半波整流相比較，橋式整流電路的輸出電壓的平均值要大一倍，即 2.3 參數(shù)計(jì)算輸出電壓平均值：U=0.9U2輸出電流平均值：= Ud/R流過(guò)晶閘管電流有效值：I= /波形系數(shù)：K= I/=/2三、硬件電路3.1 系統(tǒng)總體原理框圖單相半控橋式整流電路的設(shè)計(jì)，我們首先對(duì)電路原理進(jìn)行分析，通過(guò)分析，結(jié)合具體的性能指標(biāo)求出相應(yīng)的參數(shù)，然后在Matlab仿真軟件中建立仿真模型，仿真模型采用交流輸入電源，使用晶閘管和二極管作為整流器件，通過(guò)不斷仿真、調(diào)試、不斷修改參數(shù)，知道符合正確的參數(shù)要求。其系統(tǒng)原理框圖如下圖2.1其對(duì)應(yīng)波形原理圖如圖3

6、.1所示圖 3.1 系統(tǒng)原理框圖圖 3.2 波形原理圖3.2 驅(qū)動(dòng)電路3.2.1 驅(qū)動(dòng)電路方案方案一：采用專用集成芯片產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)。專用集成芯片對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)非常好：集成度高，不易產(chǎn)生各種干擾；產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)信號(hào)精確度高，更便于系統(tǒng)的精確度：簡(jiǎn)單、省事，易于實(shí)現(xiàn)。但是，專用集成芯片的價(jià)格比較昂貴且不易購(gòu)買；對(duì)于鍛煉個(gè)人能力用專用芯片業(yè)很難達(dá)到效果。方案二：采用LM339、ICL8083等構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)電路雖然效果不是很好，但是它完全是硬件驅(qū)動(dòng)，能更好的鍛煉人的知識(shí)運(yùn)用和能力的開發(fā)。兩個(gè)方案相比較而言我選擇方案二。3.2.2 驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì) 晶閘管門極觸發(fā)信號(hào)由觸發(fā)電路提供，由于晶閘管電路種類很多，如

7、整流、逆變、交流調(diào)壓、變頻等；所帶負(fù)載的性質(zhì)也不相同，如電阻性負(fù)載、電阻電感性負(fù)載、反電勢(shì)負(fù)載等。盡管不同情況對(duì)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(hào)應(yīng)有足夠的功率這些指標(biāo)在產(chǎn)品樣本中均已標(biāo)明，由于晶閘管元件門極參數(shù)分散性大，且觸發(fā)電壓、電流手溫度影響會(huì)發(fā)生變化。例如元件溫度為1000C時(shí)觸發(fā)電流、電壓值比在室溫時(shí)低23倍；元件溫度為-400C時(shí)觸發(fā)電流、電壓值比在室溫時(shí)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)或產(chǎn)品目錄，設(shè)計(jì)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

8、的大小來(lái)決定，但是應(yīng)注意不要超過(guò)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(hào)應(yīng)有一定的寬度 普通晶閘管的導(dǎo)通時(shí)間一般為6us，故觸發(fā)脈沖的寬度至少應(yīng)有6us以上，對(duì)于電感性負(fù)載，由于電感會(huì)抑制電流的上升，觸發(fā)脈沖的寬度應(yīng)該更大些，通常為0.5ms1ms，否則在脈沖終止時(shí)主電路電流還未上升到晶閘管的擎住電流時(shí)，此時(shí)將使晶閘管無(wú)法導(dǎo)通而重新恢復(fù)關(guān)斷狀態(tài)。單結(jié)晶體管原理單結(jié)晶體管（簡(jiǎn)稱UJT）又稱基極二極管，它是一種只有PN結(jié)和兩個(gè)電阻接觸電極的半導(dǎo)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(gè)基極b1和b2。在硅片中間略偏b2一側(cè)用合金法制作一個(gè)P區(qū)作為發(fā)射極e。

9、其符號(hào)和等效電如下圖3.3所示。圖 3.3 單結(jié)晶體管的符號(hào)和等效電路圖結(jié)晶體管的特性從圖一可以看出，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)射結(jié)之間的電阻，其數(shù)值隨發(fā)射極電流ie而變化，rb2為第二基極與發(fā)射結(jié)之間的電阻，其數(shù)值與ie無(wú)關(guān)；發(fā)射結(jié)是PN結(jié)，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(diǎn)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(cè)得單結(jié)晶體管的伏安特性，見圖3.4圖 3.4 單結(jié)晶體管的伏安特

10、性（1）當(dāng)VeVbb時(shí)，發(fā)射結(jié)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(dāng)VeVbb+VD VD為二極管正向壓降（約為0.7V），PN結(jié)正向?qū)?，Ie顯著增加，rb1阻值迅速減小，Ve相應(yīng)下降，這種電壓隨電流增加反而下降的特性，稱為負(fù)阻特性。管子由截止區(qū)進(jìn)入負(fù)阻區(qū)的臨界P稱為峰點(diǎn)，與其對(duì)應(yīng)的發(fā)射極電壓和電流，分別稱為峰點(diǎn)電壓Ip和峰點(diǎn)電流Ip。Ip是正向漏電流，它是使單結(jié)晶體管導(dǎo)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(diǎn)后，Ve不再下降了，這點(diǎn)V稱為谷點(diǎn)，與其對(duì)應(yīng)的發(fā)射極電壓和電流，稱為谷點(diǎn)電壓Vv和谷點(diǎn)電流Iv。（4）過(guò)

11、了V后，發(fā)射極與第一基極間半導(dǎo)體內(nèi)的載流子達(dá)到了飽和狀態(tài)，所以u(píng)c繼續(xù)增加時(shí)，ie便緩慢的上升，顯然Vv是維持單結(jié)晶體管導(dǎo)通的最小發(fā)射極電壓，如果VeVv，管子重新截止。單結(jié)晶體管的主要參數(shù)（1）基極間電阻Rbb發(fā)射極開路時(shí)，基極b1，b2之間的電阻，一般為2-10千歐，其數(shù)值隨溫度的上升而增大。（2）分壓比由管子內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定的參數(shù)，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(shí)，eb1間的

12、壓降。（6）峰點(diǎn)電流Ip單結(jié)晶體管剛開始導(dǎo)通時(shí)，發(fā)射極電壓為峰點(diǎn)電壓時(shí)的發(fā)射極電流。單結(jié)晶體管電路如下圖3.5所示，波形圖如圖3.6所示圖 3.5 單結(jié)晶體管觸發(fā)電路圖四、電路元件的選擇4.1 整流元件的選擇 由于單相橋式半控反電動(dòng)勢(shì)、電阻負(fù)載電路主要器件是晶閘管，所以選取元件是主要考慮晶閘管的參數(shù)及其選取原則。4.1.1 晶閘管結(jié)構(gòu) 晶閘管是大功率的半導(dǎo)體器件，從中體結(jié)構(gòu)上看，可區(qū)分為管芯及散熱器兩大部分，分別如下圖4.1 (a)、(b)、(c)所示(a)螺栓型 (b)平板型 (c)符號(hào)圖 4.1 晶閘管管芯及符號(hào)表示圖 管芯是晶閘管的本體部分，由半導(dǎo)體材料構(gòu)成，具有上個(gè)與外電路可以連接的電

13、極：陽(yáng)極A，陰極K和門極（或控制極）G。晶閘管管芯的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4.2所示，是一個(gè)四層（P1N1P2N2）三端（A、K、G）的功率半導(dǎo)體器件。它是在N型的硅基片（N1）的兩邊擴(kuò)散P型半導(dǎo)體雜質(zhì)層（P1、P2），形成兩個(gè)PN結(jié)J1、J2 。再在P2層內(nèi)擴(kuò)散N型半導(dǎo)體雜質(zhì)層N2又形成另一個(gè)PN結(jié)J3。然后在相應(yīng)的位置放置鉬片作電極，引出陽(yáng)極A，陰極K和門極G，形成了一個(gè)四層三段的大功率電子元件。這個(gè)四層半導(dǎo)體器件由于三個(gè)PN結(jié)的存在，決定了它的可控導(dǎo)通特性。圖 4.2 晶閘管內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖4.1.2 晶閘管的工作原理通過(guò)理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證標(biāo)明： （1）只有當(dāng)晶閘管同時(shí)承受正向陽(yáng)極電壓和正向門極電壓時(shí)晶

14、閘管才能導(dǎo)通，兩者缺一不可。 （2）晶閘管一旦導(dǎo)通后門極將失去控制作用，門極電壓對(duì)管子隨后的導(dǎo)通或關(guān)斷均不起作用，故使晶閘管導(dǎo)通的門極電壓不必是一個(gè)持續(xù)的直流電壓，只要是一個(gè)具有一定寬度的正向脈沖電壓即可，脈沖的寬度與晶閘管的開通特性及負(fù)載性質(zhì)有關(guān)。這個(gè)脈沖常稱之為觸發(fā)脈沖。（3）要使已導(dǎo)通的晶閘管關(guān)斷，必須使陽(yáng)極電流降到某一數(shù)值之下（約幾十毫安）。這可以通過(guò)增大負(fù)載電阻，降低陽(yáng)極電壓至接近于零或施加反向陽(yáng)極電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)。這個(gè)能保持晶閘管導(dǎo)通的最小電流成為維持電流，是晶閘管的一個(gè)重要參數(shù)。 晶閘管為什么會(huì)與以上導(dǎo)通和關(guān)斷特性，這與晶閘管內(nèi)部發(fā)生的物理過(guò)程有關(guān)。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4.3所示圖 4.3

15、晶閘管的等效復(fù)合三極管效應(yīng) 可以看書，兩個(gè)晶閘管連接的特點(diǎn)是一個(gè)晶閘管的集電極電流就是另一個(gè)晶體管的基極電流，當(dāng)有足夠的門極電流流入時(shí)，兩個(gè)相互符合的晶體管電路就會(huì)形成強(qiáng)烈的正反饋，導(dǎo)致兩個(gè)晶體管飽和導(dǎo)通，也即晶閘管的導(dǎo)通。 如果晶閘管承受的是反向陽(yáng)極電壓，由于等效晶體管均處于反壓狀態(tài)，無(wú)論有無(wú)門極電流，晶閘管都不能導(dǎo)通。4.1.3 晶閘管的基本特性1、靜態(tài)特性 靜態(tài)特性又稱伏安特性，指的是器件端電壓與電流的關(guān)系。這里陽(yáng)極伏安特性和門極伏安特性（1） 陽(yáng)極伏安特性 晶閘管的陽(yáng)極伏安特性表示晶閘管陽(yáng)極與陰極之間的電壓與陽(yáng)極之間的電流之間的關(guān)系曲線。如圖4.4所示圖 4.4 晶閘管陽(yáng)極伏安特性（2

16、） 門極伏安特性晶閘管的門極與陰極間存在著一個(gè)PN結(jié)J3，門極伏安特性就是指這個(gè)PN結(jié)上正向的門極電壓與門極電流之間的關(guān)系。由于這個(gè)結(jié)的伏安特性很分散，無(wú)法找到一條典型的代表曲線，只能用一條極限高阻門極特性和一條極限低阻門極特性之間的一片區(qū)域來(lái)電表所有元件的門極伏安特性。如圖4.5陰影部分所示圖 4.5 晶閘管門極伏安特性2.動(dòng)態(tài)特性 晶閘管常用于低頻的相控電力電子電路中，有時(shí)也在高頻電力電子電路中得到應(yīng)用，如逆變器等。在高頻電路應(yīng)用時(shí)，需要嚴(yán)格的考慮晶閘管的開關(guān)特效，即開通特性和關(guān)斷特性。（1） 開通特性 晶閘管由截止轉(zhuǎn)為導(dǎo)通的過(guò)程為開通過(guò)程，如圖4.6給出了晶閘管的開通特性。在晶閘管處于正

17、向阻斷的條件下突加門極觸發(fā)電流，由于獎(jiǎng)?wù)聝?nèi)部正反饋過(guò)程及外電路電感的影響，陽(yáng)極電流的增長(zhǎng)需要一定的時(shí)間。延遲時(shí)間與上升時(shí)間之和為晶閘管的開通時(shí)間，延遲時(shí)間隨門極電流的增大而減少，延遲時(shí)間和上升時(shí)間隨陽(yáng)極電壓上升而下降。圖 4.6 晶閘管的開關(guān)特性（2） 關(guān)斷特性 通過(guò)采用外加反壓的方法將己導(dǎo)通的晶閘管關(guān)斷。反壓可利用電源、負(fù)載和輔助換流電路來(lái)提供。 要關(guān)斷已導(dǎo)通的晶閘管，通常給晶閘管加反向陽(yáng)極電壓。晶閘管的關(guān)斷，就是要使各層區(qū)內(nèi)載流子消失，使元件對(duì)正向壓陽(yáng)極電壓恢復(fù)阻斷能力。突加反向陽(yáng)極電壓后，由于外嗲了電感的存在，晶閘管陽(yáng)極電流的下降會(huì)有一個(gè)過(guò)程，當(dāng)陽(yáng)極電流過(guò)零，也會(huì)出現(xiàn)反向恢復(fù)電流，反向電流達(dá)到最大值后，在朝反方向快速衰減接近于零，此時(shí)晶閘管恢復(fù)對(duì)反向電壓的阻斷能力。五、軟件仿真5.1 仿真模型及波形圖 5.1 仿真模型圖圖 5.2 仿真波形六、小 結(jié)：通過(guò)這次的課程設(shè)計(jì)讓我不僅對(duì)電力電子的理論知識(shí)有了很深的認(rèn)識(shí)也對(duì)我的實(shí)踐動(dòng)手能力有了很大的培養(yǎng)。課程設(shè)計(jì)是我們專業(yè)課程知識(shí)綜合應(yīng)用的實(shí)踐訓(xùn)練，這是我們邁向社會(huì)，從事職業(yè)工作前一個(gè)必不少的過(guò)程”千里之行始于足下”，通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)，我們深深