論文單相橋式全控整流電路的設(shè)計(jì)

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)電能的變換和控制。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，又是電工學(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“控制”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)的日益發(fā)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、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(yīng)用。在電能的生產(chǎn)和傳輸上，目前是以交流電為主。電力網(wǎng)供給用戶的是交流電，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,整流是最基礎(chǔ)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。整流的基礎(chǔ)是整流電路。由于電力電子技術(shù)是將電子技術(shù)和控制技術(shù)引入傳統(tǒng)的電力技術(shù)領(lǐng)域,利用半導(dǎo)體電力開關(guān)器件組成各種電力變換電路實(shí)現(xiàn)電能和變換和控制,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又有利于夯實(shí)基礎(chǔ),故我們將單結(jié)晶體管觸發(fā)的單相晶閘管全控整流電路這一課題作為這一課程的課程設(shè)計(jì)的課題。關(guān)鍵詞:單相,橋式,全控目錄ＴO(shè)C＼o"1-３"\h＼uHYPERＬINＫ＼l"_Toc１６936＂摘要 PＡGEREＦ＿Toc169361HYＰＥRＬINＫ\l"_Toc１2496"1.工作原理?PAGＥREＦ_Toc1２４961ＨＹＰERLＩNK\l＂_Tｏc20030"1.1ＩGBT的簡(jiǎn)介 PＡGEREF_Ｔoc2００301ＨYPERLIＮK１.1.１IＧBＴ的概述 PAGEREF_Tｏc１5231HYPＥＲLINK\ｌ"_Toc2６28"1.1.2IGBT的基本特性?PAＧEREF_Ｔoc26281ＨYPERLINK\l＂_Ｔｏc１0418"1.1.3IGＢT的參數(shù)特點(diǎn)?PAGＥREＦ＿Toc１0４１82ＨYＰERＬINＫ\ｌ"_Toc５66＂１.2單相橋式全控整流電路的基本原理?ＰＡGERＥF_Toc56６3HYPERＬIＮK\ｌ＂_Toｃ2９300"1.2．1電路組成?PAGＥREF＿Tｏｃ２９３003HYPEＲLＩNK\l"_Toc66０６"1.2.２工作原理 PAGERＥF_Ｔoc6606３HYPＥRLＩＮＫ＼ｌ"_Tｏc1233５"２.電路總體設(shè)計(jì) PＡGEREF_Toｃ１2335５HYＰEＲLIＮＫ2.1總電路圖?PAGEＲＥF_Ｔｏc１067１5HYPERLＩＮK\l"_Toc8572"2.2確定各器件參數(shù)?８5７２5HYPERＬIＮK\ｌ"＿Ｔoｃ3２411"2．2.1參數(shù)關(guān)系?ＰAGＥＲEF＿Toｃ324１1５HYPERＬINK\l"_Toc1３68"2．2.2參數(shù)的計(jì)算?PＡGEＲEＦ＿Ｔoc1３686HＹPERLINK\l＂_Ｔoc5059"2．３晶閘管的選擇?ＰAGＥＲEF_Toc50５97ＨYＰＥRLIＮK3．觸發(fā)電路的設(shè)計(jì) PＡＧEREＦ＿Tｏc188948HＹPEＲLINK＼ｌ"＿Ｔｏc26675"4.工作過(guò)程及參數(shù)設(shè)定?PＡGEＲEF_Tｏc２６67５９HYPERLIＮK＼ｌ＂_Toｃ24101"4.1工作過(guò)程 ＰAGＥREF_Ｔoc2410194.２參數(shù)設(shè)定和仿真圖 ＰAGEＲＥF_Tｏc43159HYPＥRLINK\ｌ"_Toｃ2５４13"4.２.1觸發(fā)角為 PAGＥＲEF_Toc254１３9HYPERLＩNK\ｌ"＿Ｔoc１9976＂4.２．２觸發(fā)角為 PAGEREＦ＿Toc1997６11ＨＹPERLINK\l"_Toｃ5６４6"5．心得體會(huì)?PAGEREF_Ｔoc56461２HYPＥRLＩNＫ＼l＂＿Toc31695＂參考文獻(xiàn)?３16９513工作原理1.1IＧＢT的簡(jiǎn)介1.1.1IGＢT的概述IGＢＴ(InｓulatedGateBipolａrTransistor)，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,載流密度大,但驅(qū)動(dòng)電流較大;MOSFEＴ驅(qū)動(dòng)功率很小，開關(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、開關(guān)電源、照明電路、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)發(fā)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)達(dá)到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公司采用軟穿通原則研制出了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)廠商不斷開發(fā)IGBT的高耐壓、大電流、高速、低飽和壓降、高可靠性、低成本技術(shù)，主要采用1ｕm以下制作工藝，研制開發(fā)取得一些新進(jìn)展。圖１-1IGBＴ等效電路和電氣圖形符號(hào)1．1.2ＩGBT的基本特性ＩGＢT的基本特性分為動(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)移特性和開關(guān)特性。?IＧBT的伏安特性是指以柵源電壓為參變量時(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控制,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部分。在截止?fàn)顟B(tài)下的ＩＧBT，正向電壓由J２結(jié)承擔(dān)，反向電壓由J1結(jié)承擔(dān)。如果無(wú)N＋緩沖區(qū)，則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)斷電壓只能達(dá)到幾十伏水平，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與柵源電壓之間的關(guān)系曲線。它與MOSＦET的轉(zhuǎn)移特性相同,當(dāng)柵源電壓小于開啟電壓時(shí),ＩＧBT處于關(guān)斷狀態(tài)。在IGBT導(dǎo)通后的大部分漏極電流范圍內(nèi)，Id與呈線性關(guān)系。最高柵源電壓受最大漏極電流限制，其最佳值一般取為１5V左右。?IＧBT的開關(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總電流的主要部分。

IGBＴ動(dòng)態(tài)特性在開通過(guò)程中，大部分時(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，又增加了一段延遲時(shí)間。t(on）為開通延遲時(shí)間，為電流上升時(shí)間。實(shí)際應(yīng)用中常給出的漏極電流開通時(shí)間ｔ(on)即為t（on）之和。漏源電壓的下降時(shí)間由tfe1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。當(dāng)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。因?yàn)椋蒅BT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?。因?yàn)椋蚈SFET關(guān)斷后,PＮP晶體管的存儲(chǔ)電荷難以迅速消除，造成漏極電流較長(zhǎng)的尾部時(shí)間，td(ofｆ)為關(guān)斷延遲時(shí)間,為電壓的上升時(shí)間。

IGBＴ的開關(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的開啟電壓約3~4Ｖ,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。1.1.３IＧBT的參數(shù)特點(diǎn)(１）開關(guān)速度高,開關(guān)損耗小。在電壓１０00V以上時(shí),開關(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),安全工作區(qū)比GTR大,且具有耐脈沖電流沖擊能力。（3）通態(tài)壓降比VDMOＳＦEＴ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,耐壓和通流能力還可以進(jìn)一步提高,同時(shí)保持開關(guān)頻率高的特點(diǎn)。1.2單相橋式全控整流電路的基本原理１.2.1電路組成該電路為單相橋式全控整流電路，由變壓器﹑四個(gè)晶閘管﹑電感及電阻組成，如圖１－2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～α)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),則在0~α區(qū)間由于電感釋放能量,晶閘管VT２、VT３維持導(dǎo)通。第二階段：在U2正半波的時(shí)刻及以后：在處觸發(fā)晶閘管VT1、VT4使其導(dǎo)通,電流沿a→VT１→Ｌ→R→VT4→b→Ｔｒ的二次繞組→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（π～π+α）區(qū)間：當(dāng)π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=π＋α?xí)r刻及以后：在=π+α處觸發(fā)晶閘管VＴ2、VT3使其導(dǎo)通,電流沿b→VT３→L→R→VT2→ａ→Tr的二次繞組→ｂ流通,電源電壓沿正半周期的方向施加到負(fù)載上，負(fù)載上有輸出電壓()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=2π+α處再次觸發(fā)晶閘管VT1、VT４為止。α>90o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0~90o。控制角α在0~9０o之間變化時(shí),晶閘管導(dǎo)通角θ=π,導(dǎo)通角θ與控制角α無(wú)關(guān)。１.2.3電路分析在U2正半周期,觸發(fā)角α處給晶閘管ＶT1和VＴ4加觸發(fā)脈沖使其開通，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)，由于電感的作用晶閘管VＴ1和VＴ４中仍流過(guò)電流ｉｄ,并不關(guān)斷。至wt=π+α?xí)r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)輸出電壓平均值和輸出電流平均值(2）晶閘管的電流平均值和有效值(3)輸出電流有效值I和變壓器二次電流有效值(4)晶閘管所承受的最大正向電壓和反向電壓均為:２.２.2參數(shù)的計(jì)算(1).在阻感負(fù)載下電流連續(xù),整流輸出電壓的平均值為（2).變壓器二次側(cè)輸出電壓為(3).整流輸出電流平均值為(４).變壓器二次側(cè)電流為（5).電阻為(6)．晶閘管承受的最大反向電壓為(7).晶閘管的額定電壓為(8).流過(guò)晶閘管電流有效值為(9).晶閘管的額定電流為(１0）.U1=220VU2=1０0Ｖ變壓器變比為K=Ｕ1／U2=220/１00=2.2２.3晶閘管的選擇（1)額定電壓通常取和中較小的,再取靠近標(biāo)準(zhǔn)的電壓等級(jí)作為晶閘管型的額定電壓。在選用管子時(shí),額定電壓應(yīng)為正常工作峰值電壓的2～3倍,以保證電路的工作安全。（２)額定電流(AV)（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(guò)正弦半波、導(dǎo)通角不小于170°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)不論流過(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，則晶閘管的發(fā)熱、溫升就能限制在允許的范圍。在實(shí)際使用時(shí)不論流過(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，則晶閘管的發(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：

(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)周期都以相同的控制角α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)。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。在的正半周期，觸發(fā)角α處給晶閘管和加觸發(fā)脈沖使其開通,等于。負(fù)載中有電感存在使負(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