单相桥式整流电路设计.doc

此文档收集于网络，如有侵权，请联系网站删除目 录【1】1目录12.引言23.设计思想 24.设计方案 35.单元电路设计45.1单结晶体管的工作原理 45.2主要元器件的选择与说明65.3触发电路的设计与说明95.4整流电路的设计与技术要求116调试127.设计总结 138.元器件清单 14致谢 14参考文献 14概要：讲述单相全控桥式晶闸管整流电路的工作原理，触法电路的设计，单结晶体管的使用，以及使用单结晶体管设计触发电路时需注意的一些问题。关键字：单结晶体管，触发电路，阻感负载，整流电路2.引言随着科学技术的日益发展,人们对电路的要求也越来越高,由于在生产实际中需要大小可调 的直流电源,而相控整流电路结构简单、控制方便、性能稳定,利用它可以方便地 得到大中、小各种容量的直流电能,是目前获得直流电能的主要方法,得到了广泛 应用。但是晶杂管相控整流电路中随着触发角的增大，电流中谐波分量相应 增大，因此功率因素很低。把逆变电路中的SPWM控制技术用于整流电路，就构成 了PWM整流电路。通过对PWM整流电路的适当控制，可以使其输入电流非常接近 正弦波，且和输入电压同相位，功率因素近似为1。这种整流电路称为高功率因 素整流器，它具有广泛的应用前景由于电力电子技术是将电子技 术和控制技术引入传统的电力技术领域，利用半导体电力开关器件组成各种电 力变换电路实现电能和变换和控制，而构成的一门完整的学科。故其学习方法与电子技术和控制技术有很多相似之处，因此要学好这门课就必须做好实验和课 程设计，因而我们进行了此次课程设计。又因为整流电路应用非常广泛，而锯齿 波移相触发三相晶闸管全控整流电路又有利于夯实基础，故我们单结晶体管触发 的单相晶闸管全控整流电路这一课题作为这一课程的课程设计的课题。 3 .设计思想 研究单相全控桥式整流电路的工作原理并进行分析，设计出具有稳定脉冲的 触发电路并进行仿真。设计的电路要满足输出500W，电源100V，50HZ等条 件。综合运用相关课程中所学到的专业理论知识去独立完成设计课题，通过查阅手册和相关文献资料进一步熟悉所用芯片和电子器件的类型及特性，学会电路的仿真与调试，进一步熟悉仿真软件的正确使用，学会撰写课程设计的总结报告。4. 设计方案图4.1当负载由电阻和电感组成时称为阻感性负载。例如各种电机的励磁绕组,整流输出端接有平波电抗器的负载等等。单相桥式整流电路带阻感性负载的电路如上图所示。由于电感储能,而且储能不能突变因此电感中的电流不能突变,即电感具有阻碍电流变化的作用。当流过电感中的电流变化时,在电感两端将产生感应电动势,引起电压降UL负载中电感量的大小不同，整流电路的工作情况及输出Ud、id 的波形具有不同 的特点。当负载电感量L较小（即负载阻抗角），控制角时，负载上的电流不连续；当电感L增大时，负载上的电流不连续的可能性就会减小；当电感L很大，且LdRd示时，这种负载称为大电感负载。此时大电感阻止负载中电流的变化，负载电流连续，可看作一条水平直线。在电源电压u2 正半周期间， 晶闸管T1 、T2 承受正向电压，若在t=时触发 ，T1 、T2 导通，电流经T1 、负载、T2 和Tr二次形成回路，但由于大电感的存 在，u2 过零变负时，电感上的感应电动势使T1 、T2 继续导通，直到T3、T4 被 触发时，T1 、T2 承受反向电压而截止。输出电压的波形出现了负值部分。 在电源电压u2 负半周期间，晶闸管T3、T4 承受正向电压，在t=+时触发 ，T3、T4 导通，T1 、T2 反向则制，负载电流从T1 、T2 中换流至T3、T4中。 在t=2时，电压u2过零，T3、T4因电感中的感应电动势一直导通，直到下个周期T1 、T2 导通时，T3、T4因加反向电压才截止。值得注 意的是，只有当=/2时，负载电流才连续，当/2时，负载电流不连 续，而且输出电压的平均值均接近于零，因此这种电路控制角的移相范围是0 /2。性能指标分析： 整流电路的性能常用两个技术指标来衡量：一个是反映转换关系的用整流输出电压的平均 值表示；另一个是反映输出直流电压平滑程度的，称为纹波系数。 1)整流输出电压平均值= （3.5.1）2 )纹波系数纹 波系数用来表示直流输出电压中相对纹波电压的大小，即 5.单元电路 设计 5 .1 单结晶体管的工作原理单结晶体管原理单结晶体管（简称UJT）又称基极二极管，它是一种只有PN结 和两个电阻接触电极的半导体器件，它的基片为条状的高阻N型硅片，两端分别用欧姆接触引出两个基极b1和b2。在硅片中间略偏b2一侧用合金法制作一个P区作为发射极e。其结构，符号和等效电如图5.1所示。图5.15.1.1单结晶体管的特性从图a可以看出，两基极b1和b2之间的电阻称为基极电阻。Rbb=rb1+rb2式中：Rb1第一基极与发射结之间的电阻，其数值随发射极电流ie而变化，rb2为第二基极与发射结之间的电阻，其数值与ie无关；发射结是PN结，与二极管等效。若在两面三刀基极b2，b1间加上正电压Vbb，则A点电压为：VA=rb1/（rb1+rb2）vbb=（rb1/rbb）vbb=Vbb式中：称为分压比，其值一般在0.30.85之间，如果发射极电压VE由零逐渐增加，就可测得单结晶体管的伏安特性，见图5.1.1：图 5.1.1单结晶体管的伏安特性（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I ceo。（2） 当VeVbb+VD VD为二极管正向压降（约为0.7V），PN结正向导通，Ie显著 增加，rb1阻值迅速减小，Ve相应下降，这种电压随电流增加反而下降的特性， 称为负阻特性。管子由截止区进入负阻区的临界P称为峰点，与其对应的发射 极电压和电流，分别称为峰点电压Ip和峰点电流Ip。Ip是正向漏电流，它是使单结晶体管导通所需的最小电流，显然Vp=Vbb。（3）随 着发射极电流Ie的不断上升，Ve不断下降，降到V点后，Ve不再下降了，这点 V称为谷点，与其对应的发射极电压和电流，称为谷点电压Vv和谷点电流Iv。 （4）过了V 后，发射极与第一基极间半导体内的载流子达到了饱和状态，所以uc继续增加时 ，ie便缓慢的上升，显然Vv是维持单结晶体管导通的最小发射极电压，如果Ve Vv，管子重新截止。5.1.2单结晶体 管的主要参数基极间电阻R bb发射极开路时，基极b1，b2之间的电阻，一般为2-10千欧，其数值随温度的 上升而增大。分压比由管子内部结构决定的参数，一般为0.3-0.85。eb1间反向电压 Vcb1 b2开路，在额定反向电压Vcb2下，基极b1与发射极e之间的反向耐压。 反向电流Ieo b1开 路，在额定反向电压Vcb2下，eb2间的反向电流。发射极饱和压降V eo在最大发射极额定电流时，eb1间的压降。峰点电流Ip单结晶 体管刚开始导通时，发射极电压为峰点电压时的发射极电流。 5.2主要 元器件的参数选择5.2.1主 电路 额定电压UTn通常取UDRM和URRM中较小的，再取靠近标准的电压等级作为晶闸管型的额定电压。在选用管子时，额定电压应为正常工作峰值电压的23倍，以保证电路的工作安全。晶闸管的额定电压 UTn （23）UTM （5.1）UTM ：工作电路中加在管子上的最大瞬时电压 额定电流IT(AV) IT(AV) 又称为额定通态平均电流。其定义是在室温40和规定的冷却条件下，元件在电阻性负载流过正弦半波、导通角不小于170的电路中，结温不超过额定结温时，所允许的最大通态平均电流值。将此电流按晶闸管标准电流取相近的电流等级即为晶闸管的额定电流。要注意的是若晶闸管的导通时间远小于正弦波的半个周期，即使正向电流值没超过额定值，但峰值电流将非常大，可能会超过管子所能提供的极限，使管子由于过热而损坏。 在实际使用时不论流过管子的电流波形如何、导通角多大，只要其最大电流有效值ITM ITn ,散热冷却符合规定，则晶闸管的发热、温升就能限制在允许的范围。ITn ：额定电流有效值，根据管子的IT(AV) 换算出，IT(AV) 、ITM ITn 三者之间的关系： （5.2） （5.3）波形系数：有直流分量的电流波形，其有效值与平均值之比称为该波形的波形系数，用Kf表示。 （5.4）额定状态下， 晶闸管的电流波形系数 （5.5）晶闸管承受最大电压为考虑到2倍裕量，取500 V.晶 闸管的选择原则： 、所选晶闸管电流有效值ITn 大于元件 在电路中可能流过的最大电流有效值。 、 选择时考虑（1.52）倍的安全余量。即ITn 1.57 IT(AV) （1.52）ITMI T(AV)(1.52) （5.6） 因为IT=I/,则晶闸管的额定电流为=12.5A(输出电流的有效值为最小值，所以该额定电流也为最小值)考虑到2倍裕量,取25A.即晶闸管的额 定电流至少应大于25A.在 本次设计中我选用4个MCR100-8的晶闸管.、 若散热条件不符合规定要求时，则元件的额定电流应降低使用。 通态平均管压降 UT(AV) 。指在规定的工作温度条件下，使晶闸管导通的正弦波半个周期内阳极与阴极电压的平均值，一般在0.41.2V。 维持电流IH 。指在常温门极开路时，晶闸管从较大的通态电流降到刚好能保持通态所需要的最小通态电流。一般IH值从几十到几百毫安，由晶闸管电流容量大小而定。 门极触发电流Ig 。在常温下，阳极电压为6V时，使晶闸管能完全导通所需的门极电流，一般为毫安级。 断态电压临界上升率du/dt。在额定结温和门极开路的情况下，不会导致晶闸管从断态到通态转换的最大正向电压上升率。一般为每微秒几十伏。 通态电流临界上升率di/dt。在规定条件下，晶闸管能承受的最大通态电流上升率。若晶闸管导通时电流上升太快，则会在晶闸管刚开通时，有很大的电流集中在门极附近的小区域内，从而造成局部过热而损坏晶闸管。5.2.2变压器的选取根据参数计算可知:变压器应选变比为1,容量至少为500VA。5.2.3同步电源步电压又变压器TB获得，而同步变压器与主电路接至同一电源，故同步电压于主电压同相位、同频率。同步电压经桥式整流、稳压管DZ削波为梯形波uDZ,而削波后的最大值UZ既是同步信号,又是触发电路电源.当UDZ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,实现同步.5.2.4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。5.3.触发电路的设计与说明晶闸管触发主要有移相触发、过零触发和脉冲列调制触发等。触发电路对其产生的触发脉冲要求： 触发信号可为直流、交流或脉冲电压。触发信号应有足够的功率（触发电压和触发电流）。触发脉冲应有一定的宽度，脉冲的前沿尽可能陡，以使元件在触发导通后，阳极电流能迅速上升超过掣住电流而维持导通。触发脉冲必须与晶闸管的阳极电压同步，脉冲移相范围必须满足电路要求。5.3.1单结晶体管触发电路由单结晶体管构成的触发电路具有简单、可靠、抗干扰能力强、温度补偿性能好，脉冲前沿徒等优点，在容量小的晶闸管装置中得到了广泛应用。他由自激震荡、同步电源、移相、脉冲形成等部分组成，电路图如图5.3（a）所示。5.3.2单结晶体管自激震荡电路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。从图5.3（a）可知，经D1-D2整流后的直流电源UZ一路径R2、R1加在单结晶体管两个基极b1、b2之间，另一路通过Re对电容C充电，发射极电压ue=uc按指数规律上升。Uc刚冲点到大于峰点转折电压Up的瞬间，管子e-b1间的电阻突然变小，开始导通。电容C开始通过管子e-b1迅速向R1放电，由于放电回路电阻很小，故放电时间很短。随着电容C放电，电压Ue小于一定值，管子BT又由导通转入截止，然后电源又重新对电容C充电，上述过程不断重复。在电容上形成锯齿波震荡电压，在R1上得到一系列前沿很陡的触发尖脉冲us， 如图5.3（b）所示， (a) (b)图5.3单结晶体管触发电路及波形其震荡频率为 f=1/T=1/ReCLn(1/1-)式中=0.30.9是单结晶体管的分压比。即调节Re，可调节振荡频率5.4.整流电路的设计与技术要求图 5.4 单相全控桥式整流电路电感性负载及其波形(a)电路； (b) 电源电压； (c) 触发脉冲； (d) 输出电压； (e) 输出电流； (f) 晶闸管V -1 , V -4上的电流； (g) 晶闸管V -2 , V -3上的电流；(h) 变压器副边电流； (i) 晶闸管V -1 , V -4上的电压当整流电路带电感性负载时，整流工作的物理过程和电压、 电流波形都与带电阻性负载时不同。因为电感对电流的变化有阻碍作用，即电感元件中的电流不能突变，当电流变化时电感要产生感应电动势而阻碍其变化，所以，电路电流的变化总是滞后于电压的变化。负载电流连续时，整流电压平均值可按下式计算：输出电流波形因电感很大，平波效果很好而呈一条水平线。两组晶闸管轮流导电，一个周期中各导电180， 且与无关， 变压器二次绕组中电流i2的波形是对称的正、负方波。负载电流的平均值Id和有效值I相等，其波形系数为1。在这种情况下： 当=0时，Ud=0.9U2； 当=90时，Ud=0，其移相范围为90。晶闸管承受的最大正、反向电压都是。流过每个晶闸管的电流平均值和有效值分别：6调试7.设计总结通过单相全控桥式整流电路的设计，使我加深了对整流电路的理解，让我对电力电子该课程产生了浓烈的兴趣。整流电路的设计方法多种多样，且根据负载的不同，又可以设计出很多不同的电路。其中单相全控桥式整流电路其负载我们用的多的主要是电阻型、带大电感型，接反电动势型。它们各自有自己的优点。对于一个电路的设计，首先应该对它的理论知识很了解，这样才能设计出性能好的电路。整流电路中，开关器件的选择和触发电路的选择是最关键的，开关器件和触发电路选择的好，对整流电路的性能指标影响很大。这次的课程设计是我收获最大的一次，虽然中途遇到了不少困难，但还是被我逐步解决了。这次是我首次做课程设计，感觉比较棘手，因为它不单是要求你单纯地完成一个题目，而是要求你对所学的知识都要弄懂，并且能将其贯穿起来，是综合性比较强的，尽管如此，我还是迎难而上了，首先把设计任务搞清，不能盲目地去做，你连任务都不清楚从何做起呢，接下来就是找相关资料，我每天除了上图书馆就是在网上找资料，然后对资料进行整理，找资料说起来好像很简单，但真正做起来