单结晶体管触发的单相晶闸管全控整流电路.doc

摘 要随着社会的发展，在日常生产生活中我们用到直流电源的地方也越来越广泛！而能够将交流电能转换为直流电能的整流电路的主要电力电子器件是半控型的晶闸管，与其对应的主要变换电路是相控整流电路。相控整流电路结构简单、控制方便、性能稳定，是目前获得直流电能的主要方法，得到了广泛的应用。关键词 直流电源；整流电路；单结晶体；晶闸管；同步触发；全控整流电路AbstractThe place that with the development of society, we use in daily childbirth in life to direct-current power source be also more and more broad! But be able to be that partly, the crystal brake charging a type manages , main part shifts than corresponding a circuit is to charge commutation circuit each other with the electric power electron device exchanging main part that electric energy changes into the commutation circuit that direct current can. The function has stabilized charge the commutation circuit structure simplicity each other , under the control of convenient, has been to gain the main method that direct current can at present , has got broad application,Keywords Direct-current power source; Commutation circuit; Shan crystal; Brake is in charge of crystal; Trigger synchrony; Charge commutation circuit completely目 录1 设计任务书4 1.1设计课题4 1.2设计目的4 1.3设计要求41.4参数确定及元件选取42 设计方案的选取62.1设计方案的选取63 单相晶闸管全控整流电路73.1晶闸管（Thyristor）11 3.2 单相桥式相控整流电路114 单结晶体管触发电路系统电路16 4.1单结晶体管（简称UJT）16 4.2单结晶体管触发电路185 总电路图21 5.1总电路图及工作原理21 6 晶闸管的保护23 6.1晶闸管的保护23心得体会24参考文献25致 谢261 设计任务书1.1 设计课题本次电力电子课程设计的课题就是设计单结晶体管触发的单相晶闸管全控整流电路。1.2 设计目的1 进一步掌握晶闸管相控整流电路的组成、结构、工作原理；2 重点理解移相电路的功能、结构、工作原理；3 理解同步变压器的功能；1.3 设计要求1 根据课题正确选择电路形式；2 绘制完整电气原理图（包括主要电气控制部分）；3 详细介绍整体电路和各功能部件工作原理并计算各元、器件值；4 编制使用说明书，介绍适用范围和使用注意事项；说明：负载形式及参数可自行选择（例如：输入的为市电，即相电压为220V，输出电压在0200V可调，负载RL=5）1.4 参数确定及元件选择1.4.1 有关参数的计算由于在任务书中说明了有关参数中的负载形式及参数可自行选择所以我们选择电压为市电压即220 V交流电源、频率为50HZ、负载RL=4；电感为10mH;要求电流Id在025A之间变化；所以有关参数确定过程如下：1负载RL 两端的最大平均电压为：Udmax=Rd*Idmax=25*4 V=100V又因为：所以当=0时Ud最大，即Ud=0.9U2所以U2 =111V所以变压器的变比为2：1；即K=2当=0时id的波形系数为： =1.11所以负载电流的有效值为： I=Kf*Id=1.11*25A=27.75A所以我们所要选取的导线切面积为： A 27.75/6 mm2=4.625 mm2所以我们选取BU-70铜线；3因为It=，则晶闸管的额定电流为：TTN（AV）=A12.5A；我们在考虑到2倍裕量，所以我们取30A； 晶闸管承受的最大电压是：TYM=*111V=157V；我们在选取晶闸管时考虑到2倍裕量，所以我们取400V，即我们选择的型号是KP30-4晶闸管。 S=U2*I2=U2*I=111*27.75V*A=3.08KV*APs=U22/Rd=U2I=111*27.75=30.08KW又因为PF等于：所以当=0时，PF=1。其电路的移相范围为：0-180；1.4.2 元器件选取电源：市电压220（交）50HZ整流变压器Tr的变比为2Rd=4Id在025A之间变化L=10mH移相范围为0180度负载电阻的最大功率为3.08KW电路的最大平均功率为1；（当=0度时）所选晶闸管型号为KP30-4的晶闸管。其晶闸管承受的最大电压为400（考虑到2倍裕量）。选择导线为BU-70铜线2 设计方案的选取2.1 设计方案的选取根据任务书，分析其要求我们经过讨论与比较得到了下了方案：方案一：二极管实现整流。其优点就是电路简单容易实现，但是以二极管实现整流所得到的整流输出因为所含的杂波多且不稳定还有不能控制其开关等缺点，不能达到我们的要求所以舍弃该方案。方案二：以单结晶体管触发电路+单相半波相控整流电路实现。单相半波相控整流电路的优点是：线路简单、调整方便。缺点是：输出电压脉动大，负载电流脉动大，且整流变压器二次绕组中存在直流电流分量，使铁心磁化，变压器容量不能充分利用。若不用变压器，则交流回路有直流电流，使电网波形畸变引起额外损耗，因此单相半波相控整流电路只适于小容量、波形要求不高的场合。此方案我们暂时持保留意见。方案三：以单结晶体管触发电路+单相桥式相控整流电路来实现.通过对单相半波相控整流电路与单相桥式相控整流电路分析，对单相全控桥式整流电路与半波整流电路可作出如下比较： a的移相范围相等，均为o180o。输出电压平均值d是半波整流电路的倍。在相同的负载功率下，流过晶闸管的平均电流减小一半。功率因数提高了。经过比较后我们决定采用方案三的方式来实现任务书所要求的设计内容。但是单相桥式相控整流电路又分为电阻型负载和电感型两种。具体选择哪种电路我们在后面分析后再做决定应用哪种！3 单相晶闸管全控整流电路3.1 晶闸管（Thyristor）晶闸管又称为晶体闸流管，可控硅整流（Silicon Controlled Rectifier-SCR），开辟了电力电子技术迅速发展和广泛应用的崭新时代; 20世纪80年代以来，开始被性能更好的全控型器件取代。 能承受的电压和电流容量最高，工作可靠，在大容量的场合具有重要地位。晶闸管往往专指晶闸管的一种基本类型-普通晶闸管。广义上讲，晶闸管还包括其许多类型的派生器件下面是晶闸管的结构图 图3.1 晶闸管的外形 图3.2 内部结构 图3.3 电气图形符号晶闸管是大功率器件，工作时产生大量的热，因此必须安装散热器。外形:螺栓型和平板型两种封装 引出阳极A、阴极K和门极（或称栅极）G三个联接端。对于螺栓型封装，通常螺栓是其阳极，能与散热器紧密联接且安装方便。平板型封装的晶闸管可由两个散热器将其夹在中间内部结构:四层三个结.3.1.1 晶闸管的工作原理我们先用一个试验来看看晶闸管的导通实验：图3.4 晶闸管的导通实验试验实验结果：(a)控制极不加电压，灯泡不亮。(b)控制极加正向电压，灯泡亮。(c)去掉控制极正向电压，灯泡亮。(d)阳极加反向电压，灯泡熄灭。晶闸管的工作原理分析：图3.5 晶闸管的工作电路当晶闸管的阳极和阴极之间施加正向电压时，若给门极也加正向电压，门极电流经晶体管放大后成为集电极电流，又是晶体管的基极电流，放大成集电极电流，又进一步使增大基极电流，如此形成强烈的正反馈，最后和进入完全饱和状态，即晶闸管导通。此时如果撤掉外地人电路注入门极的电流，晶闸管由于内部已形成了强烈的正反馈会仍然维持导通状态。而若要使晶闸管关断，必须去掉阳极所加的正向电压，或者给阳极施加反压，或者设法使流过晶闸管的电流降低到接近于零的某一数值以下，晶闸管才能关断。从实验结果和晶闸管的工作电路我们可知晶闸管导通和关断条件是：晶闸管导通的条件：晶闸管阳极与阴极之间加正向电压（UAK0）。同时 晶闸管控制极与阴极之间加正向触发电压或正向触发脉冲 ，晶闸管导通后，控制极便失去作用。 依靠正反馈，晶闸管仍可维持导通状态。晶闸管关断的条件： 晶闸管阳极电流小于维持电流（IAIH） ，或将阳极电源断开或者在晶闸管的阳极和阴极间加反相电压（UAKUP后，大量空穴注入基区，致使IE增加、UE 反而下降，出现负阻。2. UP(峰点电压)： 单结管由截止变导通 所需发射极电压。3. UV、IV(谷点电压、电流): 维持单结管导通的最小电压、电流。其具体工作过程是：（1）当VEVbb时，发射结处于反向偏置，管子截止，发射极只有很小的漏电流IC1。（2）当VEVbb VD为二极管的正向压降（约为0.7V），PN结正向导通，IE显著增加，rb1阻值迅速减小，VE也相应的下降，这种电压随电流增加反而减小的特性称为负阻特性。管子由截止区进入负阻区的零界点P点称为峰点，与其对就的发射极电压和电流，分别称为峰点电压VP和峰点电流VI。IP为正向漏电流， 它是使单结晶体管导通的最小电流，显然VP=Vbb。（3）随着发射极的电流IE不断的上升，VE不断的下降，下降到V点后，VE不在下降了，这点V称为谷点，与其对应的发射极电压和电流分别称为：谷点电压VV和谷点电流IV。（4）过了V点后，发射极一第一极间的半导体内的载流子达到了饱和状态，所以UC继续增加同时，IE便缓慢上升，显然VV是维持单结晶体管导通的最小发射极电压，如果VEVV，则管子重新截至。4.1.2 单结晶体管工作原理单结晶体管工作原理和等效电路图如图4.3所示：图4.3 工作原理图和等效电路图由图可求得:h 分压比(0.5 0.9)UE h UBB+UD = UP 时PN结反偏，IE很小；当UE UP时PN结正向导通, IE迅速增加。UP 峰点电压UD PN结正向导通压降4.1.3 单结晶体管的特点1.UE UP时单结管导通，UE UV时恢复截止。2.单结晶体管的峰点电压UP与外加固定电压UBB及分压比h 有关，外加电压UBB或分压比h不同，则峰点电压UP不同。3. 不同单结晶体管的谷点电压UV和谷点电流IV都不一样。谷点电压大约在2 5V之间。常选用h稍大一些， UV稍小的单结晶体管，以增大输出脉冲幅度和移相范围。4.2 单结晶体管触发电路4.2.1 振荡电路单结晶体管弛张振荡电路利用单结管的负阻特性及RC电路的充放电特性组成频率可调的振荡电路。4.2.2 电路振荡过程分析图4.4 单结晶体管弛张振荡电路 图4.5 电压整荡波形图1. uE = uC UP 时，单结管不导通，uo 0。此时R1上的电流很小，其值为：R1、R2是外加的，不同于内部的RB1、RB2。前者一般取几十欧几百欧； RB1+RB2一般为215千欧。2. 随电容的 充电，uC逐渐升高。当 uC UP 时，单结管导通， uo=UP-UF。然后电容通过R1放电，当放电至 uc UV 时，单结管重新关断，使 uo0。R1上便得到一个脉冲电压。UP、UV- 峰点、谷点电压；UF -PN结正向导通压降注意：R值不能选的太小，否则单结管不能关断，电路亦不能振荡。4.2.3 振荡周期与脉冲宽度的计算：设T1=T-tw；UC上升阶段：t=T1时，uC=UP因为UV E，且uC下降阶段： 当t=tw时，uC=UV脉冲宽度 周期前面也说过R值不可太小因为太小时时，uC下降阶段将有以下关系：4.2.4 单结管同步触发电路工作原理：触发脉冲ug由1直接取出，这种方法简单、经济，但触发电路与主电路有直接的电联系，不安全。对于晶闸管串联接法的全控桥电路无法工作。所以一般采用脉冲变压器输出。 图4.5 单结管同步触发电路和触发脉冲波形图5 总电路图5.1 总电路图及工作原理经过对各个方案的选取与比较在认真考论了各个方案的优缺点后我们决定的单结晶体管触发的单相晶闸管全控整流电路总电路图如下图5.1所示图5.1 单结晶体管触发的单相晶闸管全控整流电路图我们采用的是单结晶体管自激振荡电路其特点：利用单结晶体管的负阻特性与RC电路的充放电可组成自激振荡电路，产生频率可变的脉冲。工作原理：同步电压由变压器TB获得，而同步变压器与主电路接至同一电源，故同步电压与主电压同相位、同频率。 同步电压经桥式整流、稳压管Dw削波为梯形波uDW，而削波后的最大值Uw既是同步信号，又是触发电路电源。当uDW过零时，电容C经e-b1、R1迅速放电到零电压。这就是说，每半周开始，电容C都从零开始充电。进而保证每周期触发电路送出第一个脉冲距离过零的时刻（即控制角）一致，实现了同步。移相控制：当Re增大时，单结晶体管发射极充电到峰点电压Up的时间增大，第一个脉冲出现的时刻推迟，即控制角增大，实现了移相。脉冲输出： 触发脉冲ug由1直接取出，这种方法简单、经济，但触发电路与主电路有直接的电联系，不安全。对于晶闸管串联接法的全控桥电路无法工作。所以一般采用脉冲变压器输出。图5.2 单结晶体管触发晶闸管全控桥电路电路图及PCB图图5.3 单结晶体管触发晶闸管全控桥电路电路图6 晶闸管的保护6.1 晶闸管的保护晶闸管的主要缺点：过流、过压能力很差。1.晶闸管的热容量很小：一旦过流，温度急剧上升，器件被烧坏。2.晶闸管承受过电压的能力极差：电压超过其反向击穿电压时，即使时间极短，也容易损坏。正向电压超过转折电压时，会产生误导通，导通后的电流较大，使器件受损。6.1.1 过流保护措施1.快速熔断器：电路中加快速熔断器。本次课程设计我们就是采用的快速熔断器。2.过流继电器：在输出端串接直流过流继电器。过流截止电路：利用电流反馈减小晶闸管的 导通角或停止触发，从而切断过流电路。6.1.2 过压保护阻容吸收：利用电容吸收过压。即将过电压的能量变成电场能量储存到电容中，然后由电阻消耗掉.硒整流堆：硒堆为非线性元件，过压后迅速击穿，其电阻减小，抑制过压冲击。高电压过后，硒堆可恢复到击穿前的状态。心得体会一年过去了，去年模电设计的情景仍能清晰的浮现在眼前，那是我们步入大学后搞的第一个课程设计，由于平时理论知识学的不够扎实，实践方面没有什么经验，选取课题也不够慎重。制作过程有点摸着石头过河的感觉，举步维艰，虽花了不少时间和精力，换来的结果却是答辩没过，实物调试不成功，差点挂了这门科目。 这一次，我们认真总结了上次课程设计带来的教训，在拿到任务书之后，我们首先做的就是选取课题。把任务书上的课题全部浏览一遍，然后在网上把所有课题模板全部搜集齐，按照自身情况逐个分析可行性，最终确定了我们的课题要想做出实物并使之调试成功，就必须明白它工作原理，所以，在动手之前我们团队认真分析了它的各部分结构和功能，在一定程度上保证了通过答辩没问题，接着就是仿真，这次用的是Protus仿真，我们组总共做了两组仿真，都成功了，这一步完成后就是购买元器件，一切都很顺利，但是在封装的时候出了一点细节问题，那就是我们选取自动布线，速度很快，效果却不佳，走线有点乱，结果有些元器件在焊接时难度非常大，为了把线连上，部分元器件外壳被烧焦，影响了实物的外观。当焊接完毕后，就需要对实物进行调试，刚开始调试时，没有达到预期效果，但经过我们不断的纠正后，总算成功了。在这次课程设计完毕之后，我体会颇多。从根本上使我真正认识到了做好一份课程设计并不是一件容易的事情。它不仅需要熟悉并掌握教材内容还要有很好的创新思维和动手能力。在这次设计的过程中，让我进一步的熟悉了以前学习的一些软件。例如：PROTEL99，