单相桥式电压逆变器的设计.doc

1 目录目录 目录.2 第一章 绪论.3 第二章 单相交流调压电路.3 2.1 单相交流调压电路工作原理.3 2.2 通断控制方式与移相控制方式的比较.4 2.2.1 通断控制方式.4 2.2.2 移相控制方式.4 第三章 晶闸管.5 3.1 单结晶体管的介绍.5 3.1.1 晶闸管的介绍.6 3.1.2 晶闸管的种类.6 3.1.3 晶闸管的工作原理.7 第四章 交流调光灯电路的电路设计.9 4.1 交流调光灯的元件.9 4.2 交流调光灯的电路.9 4.3 电路的工作原理.10 第五章实物的测试与调试结果分析.11 5.1 测试与调试结果分析.11 课程设计小结.12 参考文献：.12 2 第一章第一章 绪论绪论 现代生活中交流调光灯应用已经比较广泛，涉及到很多方面。 交流调压电路简单，调节方便，缺点是输出电压和负载电流脉动大。主要 用于电热控制、交流电动机速度控制、灯光调节和交流稳压器场合。与自耦变 压器调压方法相比，交流调压电路控制方便，调节速度快，质量轻、体积小等 特点。 相位控制的是交流调压电路；通断控制的是交流调功电路。 单相交流调压电路电阻性负载时， 的移相范围为 0。而电感性负载 时， 的移相范围为 0。 交流功率调节容量较大时，应采用三相交流调压。 交流调压可以采用移相触发，也可以采用过零触发来实现。过零触发就是 在电压为零附近触发晶闸管导通，在设定的周期内改变晶闸管导通的频率来实 现交流调压或调功率。 课程设计主要涉及的电子元件：电阻、电位器、电容、二极管、稳压管、 晶闸管、晶体管、散热片、导线等。 第二章第二章 单相交流调压电路单相交流调压电路 2.1单相交流调压电路工作原理 可控硅交流调压可按图所示分为双向可控硅和单向可控硅两种形式。 一、双向可控硅交流调压原理 一只双向可控硅的工作原理，可等效两只同型号的单向可控硅互相反向并 联，然后串联在调压电路中实现其可控硅交流调压的。为交流电的电 压波形。在时间内，因控制极无正脉冲信号而正向阻断， 而则反向不导通。在? 时间内，控制极受触发脉 3 冲触发而导通. 将可控硅在正向阳极电压作用下不导通的范围称为控制角，用字母表示， 而导通范围称为导通角，用字母 表示。显然控制角的大小，可改变正负半 周波形切割面积的大小。当越小被切割的波形面积越小，输出交流电压的平 均值越大。相反，当角越大，被切割的波形面积越大，输出交流电压的平均 值越小。 二、单向可控硅交流调压原理 交流电压通过四个二极管组成的单向器，将正负半波变 换为相对应时刻的单向电压，再用一只单向可控硅来实现交流调压。 可控硅的工作电流就等于，在实际应用中的工作电流一般取 。由于采用了单向器，所以不承受反向电压，为了防止单 向器二极管击穿短路而损坏可控硅，实际应用时反向工作电压仍应取 。 2.2通断控制方式与移相控制方式的比较 2.2.1 通断控制方式 利用通断比控制交流调压方式，其原理是采用过零触发电路，在电源电压 过零时就控制双向可控硅导通和截止，即控制角为零，这样在负载上得到一个 完整的正弦波，但其缺点是适用于时间常数比通断周期大的系统，如恒温器。 2.2.2 移相控制方式 移相控制调压 利用控制触发滞后角的方法,控制输出电压。晶闸管承受正 向电压开始到触发点之间的电角度称为触发滞后角。在有效移相范围内改变触 发滞后角，即能改变输出电压。有效移相范围随负载功率因数不同而不同，电 4 阻性负载最大,纯感性负载最小。相控交流调压电路输出电压包含较多的谐波分 量，当负载是电动机时，会使电动机产生脉动转矩和附加谐波损耗。另外它还 会引起电源电压畸变。为减少对电源和负载的谐波影响，可在电源侧和负载侧 分别加滤波网络。 第三章第三章 晶闸管晶闸管 3.1单结晶体管的介绍 单结晶体管又叫双基极二极管，是具有一个 PN 结的三端负阻器件。单结晶 体管的外形图如图 3 所示。在一个低掺杂的 N 型硅棒上利用扩散工艺形成一个 高掺杂 P 区，在 P 区与 N 区接触面形成 PN 结，就构成单结晶体管(UJT)。其结 构如图 3(a)，P 型半导体引出的电极为发射极 E；N 型半导体的两端引出两个电 极，分别为基极 B1 和基极 B2，B1 和 B2 之间的 N 型区域可以等效为一个纯电阻， 即基区电阻 RBB。该电阻的阻值随着发射极电流的变化而改变。单结晶体管因 有两个基极，故也称为双基极晶体管。其符号如图 3 所示。 图 3 单结晶体管的外形图 单结晶体管的等效电路如图 3-1(c)所示，发射极所接 P 区与 N 型硅棒形成 的 PN 结等效为二极管 D；N 型硅棒因掺杂浓度很低而呈现高电阻，二极管阴极 与基极 B2 之间的等效电阻为 rB2，二极管阴极与基极 B1 之间的等效电阻为 rB1；rB1 的阻值受 E-B1 间电压的控制，所以等效为可变电阻。 图 3-1 单结 晶体管的 结构示意 图和等效 电路 5 3.1.1 晶闸管的介绍 晶闸管（Thyristor）是晶体闸流管的简称，又可称做可控硅整流器，以前 被简称为可控硅；1957 年美国通用电器公司开发出世界上第一晶闸管产品，并 于 1958 年使其商业化；晶闸管是 PNPN 四层半导体结构，它有三个极：阳极， 阴极和门极；晶闸管工作条件为：加正向电压且门极有触发电流；其派生器件 有：快速晶闸管，双向晶闸管，逆导晶闸管，光控晶闸管等。它是一种大功率 开关型半导体器件，在电路中用文字符号为“V” 、 “VT”表示（旧标准中用字母 “SCR”表示） 。 晶闸管具有硅整流器件的特性，能在高电压、大电流条件下工作，且其工 作过程可以控制、被广泛应用于可控整流、交流调压、无触点电子开关、逆变 及变频等电子电路中。 3.1.2 晶闸管的种类 晶闸管有多种分类方法。 （一）按关断、导通及控制方式分类 晶闸管按其关断、导通及控制方式可分为普通晶闸管、双向晶闸管、逆 导晶闸管、门极关断晶闸管（ GTO）、BTG 晶闸管、温控晶闸管和光控晶闸 管等多种。 （二）按引脚和极性分类 晶闸管按其引脚和极性可分为二极晶闸管、三极晶闸管和四极晶闸管。 （三）按封装形式分类 晶闸管按其封装形式可分为金属封装晶闸管、塑封晶闸管和陶瓷封装晶 闸管三种类型。其中，金属封装晶闸管又分为螺栓形、平板形、圆壳形等多 种；塑封晶闸管又分为带散热片型和不带散热片型两种。 （四）按电流容量分类 晶闸管按电流容量可分为大功率晶闸管、中功率晶闸管和小功率晶闸管 6 三种。通常，大功率晶闸管多采用金属壳封装，而中、小功率晶闸管则多采 用塑封或陶瓷封装。 （五）按关断速度分类 晶闸管按其关断速度可分为普通晶闸管和高频（快速）晶闸管。 3.1.3 晶闸管的工作原理 当 b1b2间加电源 VBB，且发射极开路时，A 点电位及基极 b2 的电流为： 式中 称为单结晶体管 的分压比，其数值主要与 管子的结构有关，一般在 0.50.9 之间。 图 3-2 单结晶体管特性曲线的测试 晶闸管 T 在工作过程中，它的阳极 A 和阴极 K 与电源和负载连接，组成晶 闸管的主电路，晶闸管的门极G 和阴极 K 与控制晶闸管的装置连接，组成 晶闸管的控制电路。 晶闸管的工作条件： 1. 晶闸管承受反向阳极电压时，不管门极承受何种电压，晶闸管都处 于关断状态。 2. 晶闸管承受正向阳极电压时，仅在门极承受正向电压的情况下晶闸 管才导通。 3. 晶闸管在导通情况下，只要有一定的正向阳极电压，不论门极电压 如何，晶闸管保持导通，即晶闸管导通后，门极失去作用。 4. 晶闸管在导通情况下，当主回路电压（或电流）减小到接近于零时，晶 闸管关断。 从晶闸管的内部分析工作过程： 晶闸管是四层三端器件，它有J1、J2、J3 三个 PN 结图 1，可以把它 中间的 NP 分成两部分，构成一个 PNP 型三极管和一个 NPN 型三极管的复 合管图 2 当晶闸管承受正向阳极电压时，为使晶闸管导通，必须使承受反向电压的 PN 结 J2 失去阻挡作用。图 2 中每个晶体管的集电极电流同时就是另一个晶体管的 7 基极电流。因此，两个互相复合的晶体管电路，当有足够的门机电流 Ig 流入时， 就会形成强烈的正反馈，造成两晶体管饱和导通，晶体管饱和导通。3.2 晶闸 管常用的触发电路 普通晶闸管是半控型电力电子器件。为了使晶闸管由阻断状态转入导通状态， 晶闸管在承受正向阳极电压的同时，还需要在门极加上适当的触发电压。控制 晶闸管导通的电路称为触发电路。触发电路常以所组成的主要元件名称进行分 类，包括简单触发电路、单结晶体管触发电路、晶体管触发电路、集成电路触 发器和计算机控制数字触发电路等。 控制 GTR、GTO、功率 MOSFET、IGBT 等全控型器件的通断则需要设置相应 的驱动电路。基极（门极、栅极）驱动电路是电力电子主电路和控制电路之间 的接口。采用性能良好的驱动电路，可使电力电子器件工作在较理想的开关状 态，缩短开关时间，减少开关损耗。另外，许多保护环节也设在驱动电路或通 过驱动电路来实现。 触发电路与驱动电路是电力电子装置的重要组成部分。为了充分发挥电力 电子器件的潜力、保证装置的正常运行，必须正确设计与选择触发电路与驱动 电路。 晶闸管的触发信号可以用交流正半周的一部分，也可用直流，还可用短暂 的正脉冲。为了减少门极损耗，确保触发时刻的准确性，触发信号常采用脉冲 形式。晶闸管对触发电路的基本要求有如下几条： （1）触发信号要有足够的功率 为使晶闸管可靠触发，触发电路提供的触发电压和触发电流必须大于晶闸 管产品参数提供的门极触发电压与触发电流值，即必须保证具有足够的触发功 率。例如，KP50 要求触发电压不小于 3.5V，触发电流不小于 100mA；KP200 要 求触发电压不小于 4V，触发电流不小于 200mA。但触发信号不许超过规定的门 极最大允许峰值电压与峰值电流，以防损坏晶闸管的门极。在触发信号为脉冲 形式时，只要触发功率不超过规定值，允许触发电压或触发电流的幅值在短时 间内大大超过铭牌规定值。 （2）触发脉冲必须与主回路电源电压保持同步 为了保证电路的品质及可靠性，要求晶闸管在每个周期都在相同的相位上 触发。因此，晶闸管的触发电压必须与其主回路的电源电压保持固定的相位关 系，即实现同步。实现同步的办法通常是选择触发电路的同步电压，使其与晶 闸管主电压之间满足一定的相位关系。 （3）触发脉冲要有一定的宽度，前沿要陡 为使被触发的晶闸管能保持住导通状态，晶闸管的阳极电流在触发脉冲消 失前必须达到擎住电流，因此，要求触发脉冲应具有一定的宽度，不能过窄。 特别是当负载为电感性负载时，因其中电流不能突变，更需要较宽的触发脉冲， 才可使元件可靠导通。例如，单相整流电路，电阻性负载时脉冲宽度应大于 10us，电感性负载时则因大于 100us；三相全控桥中，采用单脉冲触发时脉宽 应大于 60（通常取 90） ，而采用双脉冲触发时，脉宽为 10左右即可。此 外，很多晶闸管电路还要求触发脉冲具有陡的前沿，以实现精确的触发导通控 制。 （4）触发脉冲的移相范围应能满足主电路的要求 触发脉冲的移相范围与主电路的型式、负载性质及变流装置的用途有关。 例如，单相全控桥电阻负载要求触发脉冲移相范围为 180，而电感性负载 8 （不接续流管时）要求移相范围为 90。三相半波整流电路电阻负载时要求移 相范围为 150，而三相全控桥式整流电路电阻负载时要求移相范围为 120。 第四章第四章 交流调光灯电路的电路设计交流调光灯电路的电路设计 4.1 交流调光灯的元件 一套调光灯元件 名称型号数量备注 电阻 510 2 电阻15K 1 电阻1k 1 电阻 1001 电位器50K 1 管脚三角形分布 电容0.22uF/63V 1 非电解电容 电容0.01uF/630V 1 非电解电容 二极管IN4007 5 稳压管IN4742A 1 晶闸管BT136 1 晶体管BT33 1 BT35 也可 散热片 不焊接的最 小的 1 配螺丝螺母 细导线 1m 9 4.2 交流调光灯的电路 4.3 电 路 的 工作原理 由晶闸管组成的调光电路根据晶闸管工作波形可以产生不同大小的电流，这个 可以采用电阻或电感串接在电路中来改变它的工作区域。 交流调光灯电路原理图 D1、D2、D3、D4 构成整流电路，它们与 R、D6、D62CW5 构成了控制电路，能够控制晶闸管导通。而 R3 和 C2 起到保护晶闸管的作用。 假设晶闸管导通，则其正半周期为 2-D1-VT1-D4-RL-1；其负半周期是 1-RL- D2-VT1-D3-2。 在整个电路中控制角越小，负载灯泡 RL 越亮。 在无控制电路的情况下，交流电源承受正向电压。 单结晶体管触发电路导通时，经整流后流经 R1-D5-R6-RP3-C1； 晶闸管导通后，控制电路短路；改变 RP3 的值可以改变电容 C 的充放电速度的 快慢。R 越大，C 充电时间越长。 123456 A B C D 654321 D C B A Title NumberRevisionSize B Date:18-Ju