整流电路驱动课程设计.doc

电力电子技术课程设计报告 题 目：整流电路驱动设计与实现 学 院：机电与自动化学院 专业班级：电气自动化技术1201班 学生姓名：xxxxxxx 学 号：20122822013 指导老师：xxxxxxxx 2014年6月3日至2014年6月13日 华中科技大学电力电子技术课程设计任务书一、设计题目整流电路驱动电路设计与实现二、设计主要内容1、 同步信号为锯齿波的触发电路简化模型绘制与分析；2、 同步信号为锯齿波的触发电路分立元器件电路设计；3、 KJ004，KJ041集成模块介绍及驱动电路设计；4、 数字信号触发电路设计；5、 同步电压信号的选取方法。三、设计目的与要求1、 熟练掌握整流电路的驱动电路的工作原理与设计；2、 熟练应用Visio绘图软件和公式编辑器；3、 熟练应用word软件，课程设计报告排版规范；4、 能充分利用图书馆资源进行查阅资料和参考文献；5、 要求目录层次清晰，内容充实且有创新与突破；6、 参考文献不少于5篇。四、要求的设计成果1、课程设计说明书；2、电子档资料（1份/组）。五、进程安排课程设计内容学时分配课程设计选题；查阅及借阅参考资料；应用软件了解与学习；课程设计要点与难点学习。2.5天课程设计初步方案确定；电路绘制，元器件参数计算与选型；3.5天系统调试，方案改进与补充；2天整理资料，撰写课程设计报告1天提交课程设计报告（或设计作品）并进行答辩考核。1天合计10天六、主要参考资料【1】 王兆安.电力电子技术.第五版.北京：机械工业出版社，2009.8【2】 龚素文.电力电子技术.第一版.北京：北京理工大学出版社，2009.8【3】 廖冬初，聂汉平.电力电子技术.第一版.武汉：华中科技大学出版社，2007指导教师（签名）： 2014 年 5 月 30日目录1. 触发电路的定义与功能11.1脉冲形成11.2 脉冲移相22. 同步锯齿波触发电路的设计32.1电路原理32.2电路图的设计32.3脉冲的形成与放大环节42.4锯齿波形成与移相环节42.5同步环节42.6强触发环节82.7双窄脉冲环节82.8触发电路的工作状态及波形图103. 常用控制触发驱动器件113.1 KJ004晶闸管移相触发器集成电路特点及应用113.2 结构及工作原理114.数字触发电路13结论15参考文献17附录：组成员分工表181.触发电路的定义与功能 在实际的生产与实践中，当采用晶闸管相控方式的时候，叫做相控电路。为了保证相控电路的正常工作，很重要的一点是应保证按触发角的大小在正确的时刻向电路中的晶闸管施加有效的触发脉冲，这就是如何实现对相控电路电路的相位控制。由于相控电路都使用晶闸管器件，因此，习惯上也将相控电路相位控制的电路总称为触发电路。1.1脉冲形成 我们可以建模如下：如上图，是一个简单的晶体管控制开关。我们假设该晶体管压降为0.7V，那么就是一个简单的控制开关，即是：当Ub0.7V时，开关导通；当Ub0.7V时，开关闭合。UbOUT0.7V“0”0.7V“1”由此可见脉冲形成，如下所示 脉冲宽度由导通时间决定，通过对巨星图像的分析，可以直观的表现出脉冲的导通时间，脉冲出现的劣频率。1.2 脉冲移相因而达到一个简单的控制作用，这是最简单常见的控制开关。从数学的角度我们也可以通过图像进行分析： 通过对函数y=x这个图像进行分析，我们其实大致的可以总结出一个一次函数y=x+D1+D2对于简单触发电路的实现与控制。即是：我们可以当锯齿波的发射信号为y=x这个简单正比例函数，通过D1的正负来调解锯齿波的前移后移来达到移相的目的。而当我们需要触发电路与主电路的信号输出相位必须达到一致时，我们必须要将触发电路的信号同步定相，这就是D2的用途所在，其实就是一个初始定相的功能。 以上对于简单控制电路的分析来说，最开始的原理不外乎就是这些。而随着时代的发展，我们有越来越多的手段，技术，跟创作思想在改进着这些触发控制电路。比如，集成触发器，单片机，等等。2.同步信号为锯齿波的触发电路的具体设计2.1.电路原理锯齿波同步触发电路由锯齿波形成、同步移相、脉冲形成放大环节、双脉冲、脉冲封锁等环节和强触发环节等组成，可触发200A的晶闸管。由于同步电压采取锯齿波，不直接受电网波动与波形畸变的影响，移相范围宽，在大中容量中得到广泛的应用。下面是一系列的环节电路图：2.2.电路图的设计 脉冲形成环节由晶体管V4、V5组成，V7、V8起脉冲放大作用。控制电压Uco加在V4基极上，电路的触发脉冲变压器TP二次侧输出，其一次绕组接在V8集电极电路中。 当控制电路中Uco=0时，V4截止。+E1电源通过R11供给V5一个足够大的的基极电流，使V5饱和导通，所以V5的集电极电压Uc5接近于-E1。V7、V8处于截止状态，无脉冲输出。另外，电源的+E1（15V）经R9、V5发射结到-E1（-15V），对电容C3的充电，充满后电容两端电压接近2E1（30V），极性如下图2.2-12.2-1同步信号为锯齿波的触发电路当控制电压UcoO.7V时，V4导通，A点电位由+E1(+15V)迅速降低至1.0V左右，由于电容C3两端电压不能突变，所以V5基极电位迅速降至与-2E1（-30V），由于V5发射结反偏置，V5立即截止。它的集电极电压-E1（-15V）迅速上升到+3.1V（VD6、V7、V8三个PN结正向压降之和），于是V7、V8导通，输出触发脉冲。同时，电容C3经电源+E1、R11、VD4、V4放电和反向充电，使V5基极电位又逐渐上升，直到Ub5-E1（-15V），V5又重新导通。这时Uc5又立即降到-E1，使V7、V8截止，输出脉冲终止。可见，脉冲前沿由V4导通时刻确定，V5（或V6）截止持续时间即为脉冲宽度。所以脉冲宽度与反向充电回路时间常数R11C3有关。2.3 脉冲的形成与放大环节2.3-1脉冲形成和放大环节2.4 锯齿波形成与移相环节 锯齿波电压形成的方案较多，如采用自举式电路、恒流源电路等。图2.2-1所示为恒流源电路方案，由V1、V2、V3和C2等元件组成，其中V1、VS、RP2和R3为一恒流源电路。 当V2截止时，恒流源电源I1c对电容C2充电，所以C2两端电压Uc为 Uc按线性增长，即V3的基极电位按线性增长。调节电位器的RP2，即改变C2的恒定充电电流I1c，可见RP2是用来调节锯齿波的斜率的。 当V2截止时，由于R4的阻值较小，所以C2迅速放电，使电位迅速降到零附近。当V2周期性的导通个关段时，便形成一个锯齿波，同样也是一个锯齿波电压。射极跟随器V3的作用是减小控制回路的电流对锯齿波电压的影响。 V4管的基极电位由锯齿波电压、直流控制电压、直流偏移电压Up三个电压作用的叠加值所确定，它们分别通过电阻R6、R7、和R8与基极相接。 设Uh为锯齿波电压单独作用在V4基极b4时的电压，其值为 可见Uh仍为一锯齿波，但斜率比Ue3低。同理偏移电压Up单独作用时b4的电压Up为 可见Uco仍为一条与Up平行的直线，但绝对值比Uco小。 直流控制电压uco单独作用时b4的电压为 可见Uco仍为与Uco平行的一直线，但绝对值比Uco小。 如果Uco=0，Up为负值时，b4点的波形由Ub+Up确定。当Uco为正值的时候，b4点的波形由确定。由于V4的存在，上述电压波形与实际波形有出入，当b4点电压等于0.7V时，V4导通。由前面分析可知，V4经过M点使电路输出脉冲。因此当Up为为某固定值的时候，改变u便可改变M的时间坐标，即改变了脉冲产生的时刻，脉冲被移相。可见加Up的目的时为了确定控制电压Uco=0时脉冲的初始相位。当接感性负载电流连续时，三相全控桥的脉冲初始相位应该定在；如果是可逆系统，需要在整流和逆变的状态下工作，这时要求脉冲的移相范围为180度，由于锯齿波波形两端非线性，因而要求锯齿波的宽度大于180度。2.4-1锯齿波的形成和脉冲移相2.5 触发电路的同步环节2.5-1同步环节 在锯齿波的触发电路中，触发电路与主电路的同步是指在要求锯齿波的频率与主电路电源的频率相同且相位关系确定。从图2.2-1可知，锯齿波是由开关V2来控制的。V2由导通变成截止期间产生锯齿波，V2截止状态持续的时间就是锯齿波的宽度，V2开关的频率就是锯齿波的频率。 要使触发脉冲与主电路电源同步，使V2的开关频率与主电路频率同步就可达到。图4-1中的同步环节，是由同步变压器TS和作同步开关用的晶体管V2组成的。同步变压器和整流变压器接在同一电源上，用同步变压器的二次电压来控制V2的通断作用，这就保证了触发脉冲与主电路同步。 同步变压器二次电压Uts经过二极管VD1间接加在V2的基极上。当二次电压波形在负半周的下降段时，VD1导通，电容C1被迅速充电。因O点接地为零电位，R点为负电位，Q点电位与R点相近，故在这一阶段V2基极为反向偏置，V2截止。在负半周的上升段，+E1电源通过R1给C1反向充电，Uq为电容反向充电波形，其上升速度比Uts波形慢，故VD1截止，如图4-1.当Q点电位达1.4V时，V2导通，Q点电位被钳位在1.4V。直到TS二次电压的下一个负半周到来时，VD1重新导通，C1迅速放电后又被充电，V2截止。如此周而复始。在一个正弦波周期内，V2包括导通和截止两个状态，对应锯齿波波形恰好是一个周期，与主电路电源频率与相位完全相同，达到同步的目的。可以看出，Q点电位冲同步电压负半周上升段开始时刻到达1.4V的时间越长，V2截止时间就越长，锯齿波就越宽。可知锯齿波的宽度是由充电时间常数R1C1决定的。2.6 触发电路的强触发环节2.6-1强触发环节2.7 触发电路的双窄脉冲环节2.7-1双窄脉冲环节本方案是采用性能价格比优越、每个触发单元的一个周期内输出两个间隔 60的脉冲的电路，称内双脉冲电路。 图61中V5、V6两个晶体管构成一个“或”门。当V5、V6都导通时，Uc5约为-15V，使V7、V8都截止，没有脉冲输出。但只要V5、V6中有一个截止，都会使Uc5变为正电压，使V7、V8导通，就有脉冲输出。所以只要用适当的信号来控制V5或V6的截止（前后间隔60），就可以产生符合要求的双脉冲。其中，第一个脉冲由本相触发单元的Uco对应的控制角使V4由截止变为导通造成V5瞬时截止，于是V8输出脉冲，隔60的第二个脉冲由滞后60相位的后一相触发单元在产生第一个脉冲时刻将其信号引至本相触发单元V6的基极使V6瞬时截止，于是本相触发单元的V8管又导通，第二次输出一个脉冲，因而得到间隔60的双脉冲。其中VD4和R17的作用，主要是防止双脉冲信号互相干扰。在三相桥式全控整流电路中，器件的导通次序为VT1VT2VT3VT4VT5VT6,彼此间隔60度，相邻器件成双接通。因此触发电路中双脉冲环节的接线方式为：以VT1的触发器件的触发单元而言，图6-1电路中的Y端应该接VT2器件的触发单元的X端，因为VT2器件的第一个脉冲比VT1器件的第一个脉冲滞后60度。所以当VT2触发单元电路的V4由截止变成导通时，本身输出一个脉冲，同时使VT1器件触发单元的V6截止，给VT1器件补送一个脉冲。同理，VT1器件触发单元的X端应该接VT6器件触发电路的Y端。以此类推，可以确定6个元器件相应触发单元电路的双脉冲环节间的互相接线。2.8 触发电路的工作状态及波形图2.8-1同步信号为锯齿波的触发电路的工作波形3.常用控制触发驱动器件 电力半导体分为不控型、半控型和全控型三类，其中后两类都需要用触发信号来控制其导通（或关断）。晶闸管属半控型器件，它需要触发脉冲来控制其导通，但无法用触发脉冲来关断。全控器件又分为电压型和电流型两类，功率MOSFET、IGBT、MCT等属电压型全控器件，其共同点是：对触发电压有一定要求，而对触发电流要求却特别少，其中功率MOSFET、IGBT和MCT对触发信号又有所不同，前者要求触发电压在器件导通期间一直加入，后者则需要触发电压脉冲将其触发导通就行。GTR、GTO等属电流型全控器件，他们的共同点是，对触发电流有一定要求，故要求触发电流输出功率较大，同样的，GTR和GTO对触发信号也要求不同，GTR要求在器件在导通期间一直加入触发电流，而GTO则只需触发电流脉冲就可实行通断控制。由于器件结构不同，对触发信号及器件检测措施也有所不同，因而各类器件都有各自的专用控制触发驱动集成电路。 3.1 KJ004晶闸管移相触发器集成电路特点及应用 KJ004主要用于单相。三相全控桥式晶闸管电力电子设备中，作晶闸管的双路脉冲移相触发，它与国产的KC04晶闸管集成移相触发器引脚及性能完全相同，是目前国内晶闸管控制系统中广泛应用的集成电路之一。KJ004具有输出负载能力大，移相性能好，正负半周脉冲相位值均衡性好，移向范围宽，对同步电压要求小，有脉冲列调制输入端等特点。3.2结构及工作原理 KJ004为标准双列直插式16引脚集成电路，其引脚排列如图8.1-1所示，各引脚名称、功能及用法见表8.1-2.图2.2-1为KJ004的内部原理图，该电路由同步检测，锯齿波形成，偏移电路，移相比较，脉冲形成及双路脉冲输出放大等环节组成。3.2-1引脚排列图表8.2-2 KJ004的引脚名称、功能和用法引脚名 符号名称功能和用法1P+同相脉冲输出端接正半周导通晶闸管的脉冲功率放大器及脉冲变压器2NC空端使用中悬空3Ct锯齿波电容连接端通过电容接引脚44Vt同步锯齿波电压输出端通过电阻接移相综合端（引脚9）5V-工作负电源输出端接用户系统电源6NC空端使用中悬空7GND地端为整个电路的工作提供参考地端，使用中，接用户电源地端8Vt同步电源输入端使用中，分别通过一个电阻接用户同步变压器的2次测，同步电压为30V9Vz移相、偏置及同步信号综合端使用中，分别通过3个等值电阻接锯齿波、偏置电压及移相电压10NC空端使用中，悬空11Vp方波脉冲输出端该端的输出信号反应了移相脉冲的相位，使用中，通过一个电容接引脚1212Vw脉宽信号输入端该端与引脚11所接电容的大小反映了输出脉冲的宽度，使用中，分别通过一个电阻和电容接正电容与引脚1113Vc-负脉冲调制及封锁控制端通过该端输入信号的不同，可对负输出脉冲进行调制或封锁，使用中，接调制脉冲源输出或保护电路输出14Vc+正脉冲调制及封锁控制端通过该端输入信号的不同，可对正输出脉冲进行调制或封锁，使用中，接调制脉冲源输出或保护电路输出15P-反相脉冲输出端接负半周导通晶闸管的脉冲功率放大器及脉冲变压器16Vcc系统工作正电源输入端使用中，接控制电路电源 4.数字触发电路上述各种触发电路都属于模拟量控制电路，其缺点是易受电网影响，以及由于元件参数分散，同步电压波形畸变等原因，会导致各触发器的移相特性不一致。例如，当同步电压不对称度为1时，输出脉冲的不对称度可达35，这会导致整流输出谐波电压增大，并使电网电压出现附加畸变，三相电压中性点偏移。这种影响对于大型相控整流装置来说是不可忽视的。数字式移相触发装置输出脉冲不对称度仅为1.5，精度可提高23倍，因而使上述影响大为减轻。 数字式移相触发电路的工作原理框图如图41所示。现简述如下：图中A/D为，模数转换器，它将控制电压Uc转换为频率与Uc成正比的计数脉冲。当Uc=0时，计数脉冲频率f1为1314kHz，Uc=10V时，f1为130140kHz，将此频率的脉冲分别送到3个分频器f1/f2（7位二进制计数器）。分频器每输入128个脉冲后输出第一个脉冲至脉冲发生器，发生器将此脉冲转换为触发脉冲。脉冲发生器平时处于封锁状态，由正弦波同步电压滤波经移相器补偿移相后削波限幅，形成梯形同步电压Ut，Ut过零时对分频计数器清零同时使脉冲发生器解除封锁，使A/D输入计数器的脉冲开始计数，在计至128个脉冲时脉冲发生器输出触发脉冲。Uc升高，脉冲频率f1、f2增大，同样出现128个脉冲的时间缩短，使产生第一脉冲的时间提前，即减小。发生器每半周输出脉冲经脉冲选择整形放大。4-1数字触发电路结论 1.我们组做的是整流电路的驱动设计与实现，对于这个比较陌生的电路设计我们首先展开了全面的考察与分析，对于触发电路的每一个环节与过程我们都对自己说，必须吃透彻。所以，对于这个课题本身我们陌生但是并不畏惧。 触发电路说到底，就是那么几个环节，主要是脉冲形成、脉冲移相、同步等这几大环节，通过这几个环节的运作组成一个完整有稳定工作能力的触发电路。我们研究了许多关于触发电路的书籍，总体上说来也是这几个关键的环节，所以我们成员之间不仅仅在一本本的查阅关于这些触发电路的书籍，更是在每个环节上下工夫，争取能找到最容易理解，简单以及稳定有效的设计方案。每一个环节都是一个新的领域，我们分工合作，各自把各自的每一部分都力争到最简洁易懂的地步，为的就是方便我们对驱动电路更加简洁的设计与实现。所以，我们做这个课题并不是为了要做的多么高端，而是为了做得让更多人理解，懂得如何设计触发电路。在此，我们用了四个方案来阐述我们的设计思路，通过这四个方案，由浅到深得分别阐述了每一个方案的优点以及弊端，我们也是为了便于对比这些方案的优劣，当然，这些设计方案都是因人而异，因地制宜罢了。这个课题带给我们自身不仅仅是知识的突破，也是自身能力的突破。任何事不仅仅是做的让人感觉很高端而已，而最起码的是要让大家能理解，应用以及自我创新。 2.社会在进步，我们所需要掌握的东西与技能也不仅仅只是书本上的东西了，更多的是随着社会的发展而对自身能力的提升。在没有开这个课题之前，我对于这次我们课题中有些需要用到的软件听都没听说过，这就是我自身能力的不足了，所以通过这次课题的开设，我下定决心在这个过程中不仅仅是完成这个课题而已，而是要对我自身软件应用方面的能力要有要求。所以我尽力在word,visio软件应用方面下大工夫，不懂的我去问老师，问同学，问度娘，总而言