【DQ020】电力电子变流实验的仿真设计与开发
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【DQ020】电力电子变流实验的仿真设计与开发,dq020,电力,电子,实验,试验,仿真,设计,开发
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浙江工业大学浙西分校 毕业设计 (论文 )任务书 学生姓名 _俞亮超 _指导教师 _黄云龙 、廖东 进 _职称 _副教授、助教 系别 _ 信息与电子工程系 _ _专业 工自 _年级 _02_班级 2 课题名称 电力电子变流技术试验的仿真设计与开发 任务与要求： 一、 内容摘要 1设计内容 利用 软件进行电机实验的仿真设计与开发。 2设计要求 作为仿真实验设法要使使用者对之感兴趣，仿真的实验要逼真，设计要有创造性，使此仿真实验具有可参 考性。 3制作要求 设计 结构 清晰，易于使用者使用。 设计 页面、图片、 作精良。 二、主要任务 1. 分析研究工厂供电仿真试验的研究现状和意义。 仿真平台的选择 分析仿真试验的研究现状和意义 2工厂电气控制设备基础知识的介绍。 整流电路的基础知识 晶闸管 触发电路 双踪示波器 万用表等电力电子元件的介绍 3 电力电子变流技术 仿真设计与开发系统。 单相桥式全控整流电路仿真试验设计 三相半波可控整流电路 仿真试验设计 三相桥式全控整流及有源逆变电路仿真试验设计 三、需提交的文档 在完成设计题目后，要编写毕业设计说明书。说明书中（一律打印）的文字部分要求达到条理清楚、层次分明，简单扼要的说明设计方案和知道思想。页数要求在 40 页以上，格式按学校统一格式。 上交的文档包括纸质文档和电子文档各一份。 任务书 开题报告 文献综述 翻译文章（包括外文原文，请自找一篇英文资料，字数不少于 10000 个印刷符，并翻译好。要求在五周内完成） 毕业设计（论文）文本（ 6 月 10 日之前完成） 毕业设计 论文应包括： 封面 题目 内容摘要（中英文） 关键词 目录 正文及相关内容 开始日期 _完成日期 _ 教研室主任 (签字 )_ 年 月 日 本任务书一式四份，学生、指导教师、系、教务处各一份。 浙江工业大学浙西分校 毕业设计（论文） 题 目： 电力电子变流实验的仿真设计与开发 作 者： 俞亮超 系 （部）： 信息与电子工程 系 专业班级： 02 工自 （ 2） 班 指导教师： 黄云龙 廖东进 职 称： 副教授 助教 2005 年 6 月 13 日 浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业设计（论文） 1 毕业设计 (论文 )开题报告 信 电 系 工业电气自动化 专业 02 级 2 班 课题名称： 电力电子变流实验的 仿真设计与开发 毕业设计 (论文 )起止时间： 2005 年 3 月 1 日 6 月 13 日 (共 17 周 ) 学生姓名： 俞亮超 学号： 200202010222 指导教师： 黄云龙 廖东进 报告日期： 2005 浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业设计（论文） 2 1 本课题所涉及的问题在国内 (外 )的研究现状综述 现代电源技术是应用电力电子半导体器件 ， 综合自动控制、计算机 (微处理器 )技术和电磁技术的多学科边缘交又技术。在各种高质量、高效、高可靠性的电源中起关键作用 ， 是现代电力电子技术的具体应用。 当前 ， 电力电子作为节能、节 材 、自动化、智能化、机电一体化的基础 ， 正朝着应用技术高频化、硬件结构模块化、产品性能绿色化的方向发展。在不远的将来 ,电力电子技术将使电源技术更加成熟、经济、实用 ， 实现高效率和高品质用电相结合 。 本课题涉及的是电力电子变流技术的仿真设计与开发的设计。目前，科 学技术发展到 20 世纪末，系统仿真学科已经形成较为完善的体系。仿真技术由于其有效性、可重复操作性、经济性和安全性的特点，日益显出其重要性和广泛应用性。 20世纪 70 年代以后 ,民用工业中连续过程仿真得到迅速发展，其中发展最快、应用最广的首属电力工业，而电力电子技术已经在电力系统中被广泛地运用了。 现代电力电子技术的发展方向 ， 是从以低频技术处理问题为主的传统电力电子学 ， 向以高频技术处理问题为主的现代电力电子学方向转变。电力电子技术起始于五十年代末六十年代初的硅整流器件 ， 其发展先后经历了整流器时代、逆变器时代和变频器 时代 ， 并促进了电力电子技术在许多新领域的应用。八十年代末期和九十年代初期发展起来的、以功率 代表的、集高频、高压和大电流于一身的功率半导体复合器件 ， 表明传统电力电子技术已经进入现代电力电子时代。 系统仿真就是在模型上进行试验的过程。按照真实系统的物理性质、几何尺寸等构造出系统的物理模型，并在该物理模型上进行试验，称为物理仿真。把数学模型、物理模型，甚至实物联合在一起进行试验，称为数学 称为半实物仿真。计算机仿真包括三个要素 :系统、模型、计算机。联系这三个要素的有三个基本活动 :对象数学模型建立、仿真模型建立、仿真试验。 其特点是它属于一种可控制的、无破坏性的、耗费小的、并允许多次重复的试验手段。 它以其高效、优质、低廉体现其强大的生命力和潜在的能力。它是迄今为止最有效的经济的综合集成方法，是推动技术进步的战略技术。 浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业设计（论文） 3 2查阅课题或与课题相关的国内情况： 电力电子在开关电源上的应用： 随着电力电子技术的高速发展，电力电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切，而电子设备都离不开可靠的电源，进入 80 年代计算机电源全面实现了开关电源化，率先完成计算机的电源换代，进入 90 年代开关电源相 继进入各种电子、电器设备领域，程控交换机、通讯、电力检测设备电源、控制设备电源等都已广泛地使用了开关电源，更促进了开关电源技术的迅速发展。开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关晶体管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制（ 制 成。开关电源和线性电源相比，二者的成本都随着输出功率的增加而增长，但二者增长速率各异。线性电源成本在某一输出功率点上，反而高于开关电源，这一点称为成本反转点。随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术也在不断地创新 ，这一成本反转点日益向低输出电力端移动，这为开关电源提供了广阔的发展空间。 开关电源高频化是其发展的方向，高频化使开关电源小型化，并使开关电源进入更广泛的应用领域，特别是在高新技术领域的应用，推动了高新技术产品的小型化、轻便化。另外开关电源的发展与应用在节约能源、节约资源及保护环境方面都具有重要的意义 。 电力电子技术在电力系统中的应用： 电力电子技术在电力系统中的应用在 10 年前仅限于高压直流电、发电机励磁系统和静止无功补偿器。从现在已实现的电力电子工程观察，在 最近 10 年，灵活交流输电和高压直流输电将提高 电力系统的经济性、解决系统控制问题，同时在电力系统的安全可靠上发挥更大的作用。直接的表现将是用电力电子技术提高系统输电容量，增加系统稳定和改善电能质量。 浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业设计（论文） 4 3本课题需要重点研究的、关键的问题及解决的思路 （ 1）电力电子变流技术如何在仿真设计中制作 （ 2）相关实验及所需实验器材的选择 （ 3） 术的电脑模拟实验的制作 （ 4）仿真开发工具的选择及掌握 （ 5）实验方案的确定及验证 （ 6）具体实验的结果分析 浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业设计（论文） 5 4开发课题所 需的相关技术及理论发展情况 （ 1）设计所需的基本要求： 掌握各种电力电子器件的工作原理，特性及主要参数 掌握整流电路、直流斩波电路、交流调压、脉宽调制、逆变电路工作原理及设计方法。 掌握电力电子电路主要参数的计算方法。 掌握仿真设计所需开发工具的运用。 （ 2）设计所涉及的具体内容： 电力电子器件 ： 晶闸管基本结构、主要参数、阳极伏安特性及门极伏安特性、工作原理；可关断晶闸管（ 大功率晶体管 率 电力电子器件的特性和特点以及驱动 电路、缓冲和保护电路 单相可控整流电路 ： 单相半波可控整流电路、单相桥式全控整流电路、单相桥式半控整流电路、晶闸管的简易触发电路 三相可控整流电路 ： 三相半波可控整流电路、三相桥式全控整流电路、整流电压的谐波分析、变压器漏抗对整流电路的影响、可控整流电路反电势负载时的工作情况、大功率供电可控整流主电路接线形式及其特点。 有源逆变电路 ： 逆变的概念、三相逆变电路、逆变失败与最小逆变角的限制、逆变工作状态时的直流电动机机械特性、变流装置的功能指标、变流装置的触发电路。 无源逆变电路 ： 换相方式、电压型和电流型逆变电路（单相半桥、全桥、推挽逆变电路、三相逆变电路）、负载换相式逆变电路、逆变电路多重化。 脉宽调制（ 逆变电路 ： 制的基本原理、 逆变电路的控制方式、 形的生成方式、逆变器和变频器的主电路、 逆变电路控制方法的改进。 （ 3）课题的理论发展情况： 仿真 (于一门基础性学科。仿真就是利用模型进行的一种试验，它可极为有效而经济地用于科研、设计、训练以及系统的试验。仿真技术是以控制理论、相似原理、数模与 计算 技术、信 息技术、系统技术及其应用领 域相关专业技术为基础，以计算机和多种专用物理效应设备为工具，借助系统 模型，对实际的或设想的系统进行动态 试验研究的一门新兴综合性技术。其特点是它属于一种可控制的、无破坏性的、耗费小的、并允许多次重复的试验手段。它以其高效、优质、低廉体现其强大的 生命力和潜在的能力。它是迄今为止最有效的经济的综合集成方法，是推动技术进步的战略技术。 浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业设计（论文） 6 5设计 (论文 )完成进度计划 第 1、 2 周：下达设计任务书，布置课题，借阅参考书，完成开题报告。 第 3 周：到巨化污水厂、机械制造厂参观实习。 第 4、 5 周： 电力电子变流技术的基础知识 有关内容的考虑。 第 6 周： 电力电子变流技术 的介绍及接线。 第 7 周：考虑晶闸管、可控硅、晶体管的应用问题。 第 8、 9 周： 电力电子元件的基本工作的设计 。 第 10 周：电力电子变流技术在实践中的研究。 第 11 周：电力电子变流技术相关实验的选择与论证。 第 12 周：实验方案的选择与论证。 第 13 周：仿真实验的处理。 第 14、 15 周：用 行模拟实验的制作。 第 16 周：有关图纸进行绘制。 第 17 周：完成设计说明书，进行答辩准备。 浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业设计（论文） 7 6. 完成课题开发设计的基本条件 一、参考文献： 1 王兆安，黄俊 三版） 械工业出版社， 1994 2 赵良炳 北京：清华大学出版社， 1995 3 李序葆，赵永健 北京：机械工业出版社， 1996 4 丁道宏 北京：航空工业出版社， 1999 5 石玉，贾书贤，王文郁 北京：机械工业出版社， 1999 6 张明勋 北京：机械工业出版社， 1981 7 刘定建，朱丹霞 上海：同济大学出版社， 1996 8 范翠丽 画制作技术在科教片中的应用 9 赵贺 北京：机械工业出版社， 1993 10天一勇，高勇宇 X 动画设计与编程 海科学技术出版社， 1997 二、计算机辅助设计条件： 使用 计算机辅助软件完成系统图，电路接线图以及波形图，说明书书写以及绘制数据表等相关任务 浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业设计（论文） 8 7指导教师审阅意见 指导教师 (签字 )： 年 月 日 8教研室主任意见 教研室主任 (签字 )： 系 (签章 ) 年 月 日 说明： 1. 本报告必须由承担毕业设计 (论文 )课题任务的学生在接到“毕业设计 (论文 )任务书”、正式开始做毕业设计(论文 )的第 2 周或第 3 周末之前独立撰写完成，并交指导教师审阅。 论文 )课题撰写本报告一份，作为指导教师、教研室主任审查学生能否承担该毕业设计 (论文 )课题任务的依据，并接受学校的抽查。 浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业设计（论文） 1 摘 要 电力电子技术是一种电力变换技术，它应用功率半导体器件，对电能进行 包括电压、电流、频率、波形等方面的变换，以达到使电能更好地符合各种不同用电设备的要求。电能经过电力电子技术的处理又成获得良好的节能效果，因此电力电子技术，也是最佳电能使用技术。 我们所做的毕业设计就是关于电力电子变流实验的仿真设计与开发，要求我们通过使用 件工具做出相关的电力电子仿真模拟实验，并且将实验刻录成盘。 本课题涉及到多方面的知识：电力电子技 术、 用软件以及仿真模拟技术知识，要求我们利用各方面的知识和技术，完成对本设计的开发。 关键词： 电力电子技术； 用软件；仿真模拟技术。 is a of it go on to as by up to to of of so is a of we do is to of us to in of us to of to 浙江工业大学浙西分校信 息与 电 子工程 系毕业设计（论文） 1 文献综述 现代电源技术是应用电力电子半导体器件 ， 综合自动控制、计算机 (微处理器 )技术和电磁技术的多学科边缘交又技术。在各种高质量、高效、高可靠性的电源中起关键作用 ， 是现代电力电子技术的具体应用。 当前 ， 电力电子作为节能、节 材 、自动化、智能化、机电一体化的基础 ,正朝着应用技术高频化、硬件结构模块化、产品性能绿色化的方向发展 。 在不远的将来 ,电力电子技术将使电源技术更加成熟、经济、实用 ， 实现高效率和高品质用电相结合 。 目前，科学技术发展到 20 世纪末 ,系统仿真学科已经形成较为完善的体系。仿真技术由于其有效性 、可重复操作性、经济性和安全性的特点 ,日益显出其重要性和广泛应用性。 20 世纪 70 年代以后 ,民用工业中连续过程仿真得到迅速发展 ,其中发展最快、应用最广的首属电力工业 ,而电力电子技术已经在电力系统中被广泛地运用了。 现代电力电子技术的发展方向 ,是从以低频技术处理问题为主的传统电力电子学 ,向以高频技术处理问题为主的现代电力电子学方向转变。电力电子技术起始于五十年代末六十年代初的硅整流器件 ,其发展先后经历了整流器时代、逆变器时代和变频器时代 ,并促进了电力电子技术在许多新领域的应用。八十年代末期和九十年代初期发展起来 的、以功率 代表的、集高频、高压和大电流于一身的功率半导体复合器件 ,表明传统电力电子技术已经进入现代电力电子时代。 随着电力电子技术的高速发展，电力电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切，而电子设备都离不开可靠的电源，进入 80 年代计算机电源全面实现了开关电源化，率先完成计算机的电源换代，进入 90 年代开关电源相继进入各种电子、电器设备领域，程控交换机、通讯、电力检测设备电源、控制设备电源等都已广泛地使用了开关电源，更促进了开关电源技术的迅速发展。开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关 晶体管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制（ 制 成。开关电源和线性电源相比，二者的成本都随着输出功率的增加而增长，但二者增长速率各异。线性电源成本在某一输出功率点上，反而高于开关电源，这一点称为成本反转点。随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术也在不断地创新，这一成本反转点日益向低输出电力端移动，这为开关电源提供了广阔的发展空间。 开关电源高频化是其发展的方向，高频化使开关电源小型化，并使开关电源进入更广泛的应用领域，特别是在高新 技术领域的应用，推动了高新技术产品的小型化、轻便化。另外开关电源的发展与应用在节约能源、节约资源及保护环境方面都具有重要的意义。 同样电力电子技术在电力系统中的应用 也得到广泛地发展， 10 年前 电力电子技术的应用 仅限于高压直流电、发电机励磁系统和静止无功补偿器。从现在已实现的电力电子工程观察， 尤其啊 在 最近 的 10 年，灵活交流输电和高压直流输 浙江工业大学浙西分校信 息与 电 子工程 系毕业设计（论文） 2 电将提高电力系统的经济性、解决系统控制问题，同时在电力系统的安全可靠上发挥更大的作用。直接的表现将是用电力电子技术提高系统输电容量，增加系统稳定和改善电能质量。 系统仿真就是在 模型上进行试验的过。按照真实系统的物理性质、几何尺寸等构造出系统的物理模型 ,并在该物理模型上进行试验 ,称为物理仿真。把数学模型、物理模型 ,甚至实物联合在一起进行试验 ,称为数学 又称为半实物仿真。计算机仿真包括三个要素 :系统、模型、计算机。联系这三个要素的有三个基本活动 :对象数学模型建立、仿真模型建立、仿真试验。 其特点是它属于一种可控制的、无破坏性的、耗费小的、并允许多次重复的试验手段。 它以其高效、优质、低廉体现其强大的生命力和潜在的能力。它是迄今为止最有效的经济的综合集成方法，是推动技术进步的战略技术。 仿真是对现象的仿效和模仿。近来由于信息的复杂化和多样化，要求对各种真实再现的现象进行解释和分析就难以做到。而仿真技术是以控制论、相似原理、系统技术和信息技术为基础，以计算机和专用物理效应设备为工具，利用系统模型对实际的或设想的系统进行试验研究的一门综合技术。采用仿真技术具有良好的可控性、无破坏性、安全、不受气象条件和空域场地的限制，可多次重复，以及经济性等特点。因此，仿真技术和方法在许多 领域里受到重视，其应用方法和仿真语言的研究也迅速发展起来。 电力电子技术是电力交流技术、电子技术和控制技术三者结合而发展起来的，是专门研究电能转换与控制的新学科。电能是人类活动的主要能源。由于电力电子技术能有效地节能降耗，所以被看作是国民经济各部门，国防建设和人民生活中一项重要的基础技术。由于世界范围内能源紧缺，使得世界各国对电力电及技术更加重视，因而电力电子技术的发展出现了生机勃勃的新局面，主要表现在以下两个方面，一是具有自关断能力的高频大功率化的新器件及应用技术取得了惊人的进步；二是新一代电力电子器件初 露锋芒，智能化功率集成电路的出现被国外有些专家认为是引起第二次电子学革命的“导火线”。国外许多国家都将电力电子技术列为 90 年代高新技术的发展重点。 随着现代化建设的不断发展，电力电子设计任务的不断加大，各种材料的不断发现，新器件不断发明，软件技术的成熟，网络普遍结合到日常生活中，计算机使用普遍化，各种计算机仿真系统出现。简单来说，所谓仿真就是用模型去模仿真实系统，也就是用物理的或抽象的系统来描述系统得某些行为特征。模型时仿真的基础，只有建立了正确的模型和数据，才能得到正确的仿真结果，仿真才有意义和价值。 90 年代，人们开始注意多智能体模型（ 研究，这类模型使我们可以研究自治的个体及它们之间的相互作用。 近年来，由于数据网络日趋复杂、网络规模日趋庞大， 现阶段随着生产的扩大和高校的日益繁多，对安全意识的不断增强，要求有更好的条件来实现电力电子实验。以前一般都是在实验室来完成大部分的工作，但是这要耗很大的场地和资金，因为一个电力电子实验所需的器材比较昂贵。越来越多的高校开始着手开发模拟仿真系统，使资金和危险降低到最低。近几年很多仿真模拟软件的应用，电力电子实验仿真的研究越来越受重视 。教学上的大力发展，很多的仿真设计相继出台。 参考文献： 1 王兆安，黄俊 三版） 械工业出版社， 1994 浙江工业大学浙西分校信 息与 电 子工程 系毕业设计（论文） 3 2 赵良炳 北京：清华大学出版社， 1995 3 李序葆，赵永健 北京：机械工业出版社， 1996 4 丁道宏 北京：航空工业出版社， 1999 5 石玉，贾书贤，王文郁 北京：机械工业出版社， 1999 6 张明勋 北京：机械工业出版社 ， 1981 7 刘定建，朱丹霞 上海：同济大学出版社， 1996 8 范翠丽 画制作技术在科教片中的应用 9 赵贺 北京：机械工业出版社， 1993 10天一勇 ， 高勇宇 X 动画设计与编程 上海科学技术出版社，1997 浙江工业大学浙西 分校信 息与电子工程 系毕业设计（论文） 1 目 录 前言 . 1 第 1 章 绪论 . 2 电力电子技术的发展 . 2 整流器时代 . 2 逆变器时代 . 3 变频器时代 . 3 仿真模拟技术的发展 . 3 仿真技术的特点 . 3 仿真技术的应用及发展 . 3 电力电子仿真模拟实验的意义 . 4 第 2 章 画 . 5 画 . 5 画的优势 . 5 画的构成要素及制作技术 . 6 件对于本设计的作用 . 7 第 3 章 电力电子 变流 的 基础知识 . 8 实验所需的电力电子元件 . 8 晶闸管 . 8 触发电路 . 20 双踪示波器 . 24 万用表 . 27 整流电路的基础知识 . 29 整流电路 . 29 逆变电路 . 29 第 4 章 电力电子 变流的 仿真实验 . 30 三相桥式全控整流及有源逆变电路的研究 . 30 实验目的 . 30 实验 内容 . 30 实验 线路 . 30 实验方法 . 30 实验原理 . 31 仿真实验的设计 . 36 仿真实验的图示 及实验结果 . 37 单相桥式全控整流电路的研究 . 38 浙江工业大学浙西 分校信 息与电子工程 系毕业设计（论文） 2 实验目的 . 38 实验线路 . 38 实验 内容 . 38 实验方法 . 39 实验原理 . 39 仿真实验的设计 . 42 仿真实验的图示 及实验结果 . 43 三相半波可控整流电路的研究 . 45 实验目的 . 45 实验内容 . 45 实验线路 . 45 实验方法 . 46 实验原理 . 46 注意事项 . 50 仿真实验的设计 . 50 仿真实验的图示 及实验结果 . 51 第 5 章 设计体会 . 54 本仿真实验设计的不足 . 54 改进的设想 . 54 结束语 . 55 谢 辞 . 56 参考文献 . 57 浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业设计（论文） 5 现代电力电子及电源技术的发展 现代电源技术是应用电力电子半导体器件 ,综合自动控制、计算机 (微处理器 )技术和电磁技术的多学科边缘交又技术。在各种高质量、高效、高可靠性的电源中起关键作用 ,是现代电力电子技术的具体应用。 当前 ,电力电子作为节能、节材、自动化、智能化、机电一体化的基础 ,正朝着应用技术高频化、硬件结构模块化、产品性能绿色化的方向发展。在不远的将来 ,电力电子技术将使电源技术更加成熟、经济、实用 ,实现高效率和高品质用电相结合。 高频开关电源的发展趋势 在电力电子技术的应用及各种电源系统中，开 关电源技术均处于核心地位。对于大型电解电镀电源 ,传统的电路非常庞大而笨重 ,如果采用高顿开关电源技术 ,其体积和重量都会大幅度下降 ,而且可极大提高电源利用效率、节省材料、降低成本。在电动汽车和变频传动中 ,更是离不开开关电源技术，通过开关电源改变用电频率 ,从而达到近于理想的负载匹配和驱动控制。高频开关电源技术 ,更是各种大功率开关电源 (逆变焊机、通讯电源、高频加热电源、激光器电源、电力操作电源等 )的核心技术。 通信用高频开关电源 。 通信业的迅速发展极大的推动了通信电源的发展。高频小型化的开关电源及其技术已成为现代通信 供电系统的主流。在通信领域中 ,通常将整流器称为一次电源 ,而将直流 C)变换器称为二次电源。一次电源的作用是将单相或三相交流电网变换成标称值为 48V 的直流电源。目前在程控交换机用的一次电源中 ,传统的相控式稳压电源己被高频开关电源取代 ,高频开关电源 (也称为开关型整流器 过 高频工作 ,开关频率一般控制在 50围内 ,实现高效率和小型化。近几年 ,开关整流器的功率容量不断扩大 ,单机容量己从 48V/48V/20A 扩大到 48V/200A、 48V/400A。 因通信设备中所用集成电路的种类繁多 ,其电源电压也各不相同 ,在通信供电系统中采用高功率密度的高频 离电源模块 ,从中间母线电压 (一般为48V 直流 )变换成所需的各种直流电压 ,这样可大大减小损耗、方便维护 ,且安装、增加非常方便。一般都可直接装在标准控制板上 ,对二次电源的要求是高功率密度。因通信容量的不断增加 ,通信电源容量也将不断增加。 1. 高频化 理论分析和实践经验表明 ,电气产品的变压器、电感和电容的体积重量与供电频率的平方根成反比。所以当我们把频率从工频 50高到 20高 400倍的话 ,用 电设备的体积重量大体下降至工频设计的 5无论是逆变式整流焊机 ,还是通讯电源用的开关式整流器 ,都是基于这一原理。同样 ,传统“整流行浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业设计（论文） 6 业”的电镀、电解、电加工、充电、浮充电、电力合 闸用等各种直流电源也可以根据这一原理进行改造 , 成为“开关变换类电源” ,其主要材料可以节约 90%或更高 ,还可节电 30%或更多。由于功率电子器件工作频率上限的逐步提高 ,促使许多原来采用电子管的传统高频设备固态化 ,带来显著节能、节水、节约材料的经济效益 ,更可体现技术含量的价值。 2. 模块化 模块化有两方面的含义 ,其一是指功率器件 的模块化 ,其二是指电源单元的模块化。我们常见的器件模块 ,含 有一单元、两单元、六单元直至七单元 ,包括开关器件和与之反并联的续流二极管 ,实质上都属于“标准”功率模块 (近年 ,有些公司把开关器件的驱动保护电路也装到功率模块中去 ,构成了“智能化”功率模块 (不但缩小了整机的体积 ,更方便了整机的设计制造。实际上 ,由于频率的不断提高 ,致使引线寄生电感、寄生电容的影响愈加严重 ,对器件造成更大的电应力 (表现为过电压、过电流毛刺 )。为了提高系统的可靠性 ,有些制造商开发了“用户专用”功率模块 (它把一 台整机的几乎所有硬件都以芯片的形式安装到一个模块中 ,使元器件之间不再有传统的引线连接 ,这样的模块经过严格、合理的热、电、 机械方面的设计 ,达到优化完美的境地。它类似于微电子中的用户专用集成电路 (只要把控制软件写入该模块中 的微处理器芯片 ,再把整个模块固定在相应的散热器上 ,就构成一台新型的开关电源装置。由此可见 ,模块化的目的不仅在于使用方便 ,缩小整机体积 ,更重要的是取消传统连线 ,把寄生参数降到最小 ,从而把器件承受的电应力降至最低 ,提高系统的可靠性。另外 ,大功率的开关电源 ,由于器件容量的限制和增加冗余提高可靠性方面的考虑 ,一般采用多个独立的模块单元并联工作 ,采用均流技术 ,所有模块共同分担负载电流 ,一旦其中某个模块失效 ,其它模块再平均分担负载电流。这样 ,不但提高了功率容量 , 在有限的器件容量的情况下满足了大电流输出的要求 , 而且通 过增加相对整个系统来说功率很小的冗余电源模块 ,极大的提高系统可靠性 ,即使万一出现单模块故障 ,也不会影响系统的正常工作 ,而且为修复提供充分的时间。 3 数字化 在传统功率电子技术中 ,控制部分是按模拟信号来设计和工作的。在六、七十年代 ,电力电子技术完全是建立在模拟电路基础上的。但是 ,现在数字式信号、数字电路显得越来越重要 ,数字信号处理技术日趋完善成熟 ,显示出越来越多的优点 :便于计算机处理控制、避免模拟信号的畸变失真、减小杂散信号的干扰 (提高抗干扰能力 )、便于软件包调试和遥感遥测遥调 ,也便于自诊断、容错等技术 的植入。所以 ,在八、九十年代 ,对于各类电路和系统的设计来说 ,模拟技术还是有用的 ,特别是 :诸如印制版的布图、电磁兼容 (问题以及功率因数修正 (问题的解决 ,离不开模拟技术的知识 ,但是对于智能化的开关电源 ,需要用计算机控制时 ,数字化技术就离不开了。 4 绿色化 电源系统的绿色化有两层含义 :首先是显著节电 , 这意味着发电容量的节约 ,浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业设计（论文） 7 而发电是造成环境污染的重要原因 ,所以节电就可以减少对环境的污染 ;其次这些电源不能 (或少 )对电网产生污染 ,国际电工委员会 (此制定了一系列标准 ,如 。事实上 ,许多功率电子节电设备 ,往往会变成对电网的污染源 :向电网注入严重的高次谐波电流 ,使总功率因数下降 ,使电网电压耦合许多毛刺尖峰 ,甚至出现缺角和畸变。 20 世纪末 ,各种有源滤波器和有源补偿器的方案诞生 ,有了多种修正功率因数的方法。这些为 2l 世纪批量生产各种绿色开关电源产品奠定了基础。 现代电力电子技术是开关电源技术发展的基础。随着新型电力电子器件和适于更高开关频率的电路拓扑的不断出现 ,现代电源技术将在实际需要的推动下快速发展。在传统的应用技术下 ,由于功率器件性能的限制而使开 关电源的性能受到影响。为了极大发挥各种功率器件的特性 ,使器件性能对开关电源性能的影响减至最小 ,新型的电源电路拓扑和新型的控制技术 ,可使功率开关工作在零电压或零电流状态 ,从而可大大的提高工作频率 ,提高开关电源工作效率 ,设计出性能优良的开关电源。 总而言之 ,电力电子及开关电源技术因应用需求不断向前发展 ,新技术的出现又会使许多应用产品更新换代 ,还会开拓更多更新的应用领域。开关电源高频化、模块化、数字化、绿色化等的实现 ,将标志着这些技术的成熟 ,实现高效率用电和高品质用电相结合。这几年 ,随着通信行业的发展 ,以 开关电源技术为核心的通信用开关电源 ,仅国内有 20 多亿人民币的市场需求 ,吸引了国内外一大批科技人员对其进行开发研究。开关电源代替 线性电源和相控电源是大势所趋 ,因此 ,同样具有几十亿产值需求的电力操作电源系统的国内市场正在启动 ,并将很快发展起来。还有其它许多以开关电源技术为核心的专用电源、工业电源正在等待着人们去开发。 浙江工业大学浙西分校信 息与 电 子工程 系毕业设计（论文） 1 of to of a in of of it is of At is as is in of of of In , of of n in of of is in As to is if it is to by a of In it is to of of it is of of go ) of of of of of C) of or is it 8V to In at to of of MR or of is 0In of of is is 8V/12 in 5A , 48V/20A 江工业大学浙西分校信 息与 电 子工程 系毕业设计（论文） 2 8V/200A , 48V/400A. in in of in of of to in of to of 8V , in it is to on of is of of of of 1 of of in to of 0Hz 0up to as of so No go or on of is it to go on of to , 0% or on 0% or of of a of on of of 2 he of to of to of of of is in In of of is , of of In to on to 江工业大学浙西分校信 息与 电 子工程 系毕业设计（论文） 3 a to to as it a of in of no is of of it is to in . So as in on a in to to is it is to it is to In of of of of a of to in a In of to is in of of in as to of in of of n of is to In is up on of of is by of , to of of by to in 990s, to of of is of a it is to of to in 浙江工业大学浙西分校信 息与 电 子工程 系毕业设计（论文） 4 he of of on at is it of to is it of to so on of It is or to to by a of in a of on in of in to a of At of 0th of of is of of of l of in is a of of of a to a of an of be on or of of of of In to to of on of of of to is it in or to on or of of In a to of a of up of of of as is MB at of to to It is of of of of of is a of of as to 浙江工业大学浙西分校信息与电子工程 系毕业设计（论文） 1 前 言 随着我国现代电力电子技术和软件技术的迅速发展，电力电子设计的要求越来越高。本设计电力电子变流实验，结合 件技术的发展情况，编写有关的电力电子仿真实验。主要阐述三相全控整流及有源逆变电路，单相桥式全控整流电路和三相半波可控整流电路的特性仿真，以及各个电路的实验仿真。 全设计共六章。第 1章绪论，讲述电力电子技术和仿真技术的发展及意义；第 2章为有关的 作软件的介绍；第 3章为相关的基础知识；第 4章为有关的实验仿真的介绍；第 5章为本次设计的体会。 本设计编写得到了设计指 导老师黄云龙和廖东进老师的大力支持和帮助，以及组员郭建和吴春的团结合作。他们提供了大量资料和技术，一并表示感谢。 本设计编写力求实用，真实，相当的仿真系统力求简明和易操作。电力电子变流技术的不断更新，加之编者水平有限，此设计不可能很完善，错漏和不妥在所难免，敬希有关读者批评指正。 编者 俞亮超 2005江工业大学浙西分校信息与电子工程 系毕业设计（论文） 2 第 1 章 绪 论 现代电源技术是应用电力电子半导体器件 ,综合自动控制、计算机 (微处理器 )技术和电磁技术的多学科边缘交又技术。在各种高质量、高效、高可靠性的电源中起关键作用 ,是现代电力电子技术的具体应用。 当前 ,电力电子作为节能、 自动化、智能化、机电一体化的基础 ,正朝着应用技术高频化、硬件结构模块化、产品性能绿色化的方向发展。在不远的将来 ,电力电子技术将使电源技术更加成熟、经济、实用 ,实现高效率和高品质用电相结合。 本课题涉及的是电力电子变流技 术的仿真设计与开发的设计。目前，科学技术发展到 20世纪末 ,系统仿真学科已经形成较为完善的体系。仿真技术由于其有效性、可重复操作性、经济性和安全性的特点 ,日益显出其重要性和广泛应用性。20世纪 70年代以后 ,民用工业中连续过程仿真得到迅速发展 ,其中发展最快、应用最广的首属电力工业 ,而电力电子技术已经在电力系统中被广泛地运用了。 系统仿真就是在模型上进行试验的过。按照真实系统的物理性质、几何尺寸等构造出系统的物理模型 ,并在该物理模型上进行试验 ,称为物理仿真。把数学模型、物理模型 ,甚至实物联合在一起进行试验 ,称为数 学 又称为半实物仿真。计算机仿真包括三个要素 :系统、模型、计算机。联系这三个要素的有三个基本活动 :对象数学模型建立、仿真模型建立、仿真试验。 其特点是它属于一种可控制的、无破坏性的、耗费小的、并允许多次重复的试验手段。 它以其高效、优质、低廉体现其强大的生命力和潜在的能力。它是迄今为止最有效的经济的综合集成方法，是推动技术进步的战略技术。 我们在下面的叙述中将逐一对我们这次毕业设计的课题 电力电子变流实验的仿真设计与开发进行详细的介绍。 力电子技术的发展 现代电力电子技术的发展方向 ,是 从以低频技术处理问题为主的传统电力电子学 ,向以高频技术处理问题为主的现代电力电子学方向转变。电力电子技术起始于五十年代末六十年代初的硅整流器件 ,其发展先后经历了整流器时代、逆变器时代和变频器时代 ,并促进了电力电子技术在许多新领域的应用。八十年代末期和九十年代初期发展起来的、以功率 高频、高压和大电流于一身的功率半导体复合器件 ,表明传统电力电子技术已经进入现代电力电子时代。 流器时代 大功率的工业用电由工频 (50流发电机提供 ,但是大约 20%的电能是以直流 形式消费的 ,其中最典型的是电解 (有色金属和化工原料需要直流电解 )、 牵浙江工业大学浙西分校信息与电子工程 系毕业设计（论文） 3 引 (电气机车、电传动的内燃机车、地铁机车、城市无轨电车等 )和直流传动 (轧钢、造纸等 )三大领域。大功率硅整流器能够高效率地把工频交流电转变为直流电 ,因此在六十年代和七十年代 ,大功率硅整流管和晶闸管的开发与应用得以很大发展。当时国内曾经掀起了 目前全国大大小小的制造硅整流器的半导体厂家就是那时的产物 。 变器时代 七十年代出现了世界范围的能源危机 ,交流电机变频惆速因节能效果显著而迅速发展。变频调速的关键 技术是将直流电逆变为 0100七十年代到八十年代 ,随着变频调速装置的普及 ,大功率逆变用的晶闸管、巨型功率晶体管 (门极可关断晶闸管 (为当时电力电子器件的主角。类似的应用还包括高压直流输出 ,静止式无功功率动态补偿等。这时的电力电子技术已经能够实现整流和逆变 ,但工作频率较低 ,仅局限在中低频范围内 。 频器时代 进入八十年代 ,大规模和超大规模集成电路技术的迅猛发展 ,为现代电力电子技术的发展奠定了基础。将集成电路技术的精细加工技术和高压大电流技术有机结合 ,出现了一批全 新的全控型功率器件、首先是功率 问世 ,导致了中小功率电源向高频化发展 ,而后绝缘门极双极晶体管 (出现 ,又为大中型功率电源向高频发展带来机遇。 相继问世 ,是传统的电力电子向现代电力电子转化的标志。据统计 ,到 1995 年底 ,功率 而用 型器件的发展不仅为交流电机变频调速提供了较高的频率 ,使其性能更加完善可靠 ,而且使现代电子技术不断向高频化发展 ,为用电设备的高效节材节能 ,实现小型轻量化 ,机电一体化和智能化提供了重要的技术基础 。 真模拟技术的发展 真技术的特点 仿真是对现象的仿效和模仿。近来由于信息的复杂化和多样化，要求对各种真实再现的现象进行解释和分析就难以做到。而仿真技术是以控制论、相似原理、系统技术和信息技术为基础，以计算机和专用物理效应设备为工具，利用系统模型对实际的或设想的系统进行试验研究的一门综合技术。采用仿真技术具有良好的可控性、无破坏性、安全、不受气象条件和空域场地的限制，可多次重复，以及经济性等特点。因此，仿真技术和方法在许多领 域里受到重视，其应用方法和仿真语 言的研究也迅速发展起来。 真技术的应用及发展 浙江工业大学浙西分校信息与电子工程 系毕业设计（论文） 4 仿真技术在科学研究，工程设计、建筑、自动控制领域，企业管理、人口动力学等方向有着极其重要的应用。 90 年代，我国对新的先进仿真技术开展了研究，这主要有联网仿真、分布交互仿真、虚拟现实仿真、基于仿真的设计、定量与定性相结合的仿真、建模与仿真的重用和互操作性等等。仿真的发展面临一个长期的发展过程。 50 年代仿真是应用于自动控制领域，采用的是模拟计算机和面向方程的建模方法。 60 年代仿真扩展到离散事件系统和社会经济等非工程领域 。 70 年代仿真应用于指挥人员、管理人员、驾驶员进行模拟培训。 80 年代仿真算法及优化，仿真软件方面取得很大成就，开发出多种通用连续系统仿真语言，连续离散混合仿真语言，这些可在工作站及微机上进行运算。我国还研制出数字仿真计算机，并向智能化新一代仿真计算机方面发展。仿真技术发展可用图 1加以概括。从模拟仿真到模拟 期间属于实时仿真，而从模拟 于当今计算机技术高速发展及普及，仿真技术发展到没有实物介入的非实时性的全数字仿真阶段，这种仿真称为计算机仿真或数字仿真。我们要对 一个系统或对象进行计算机仿真，首先必须把握对象的基本特征，抓住主要因素，引入必要能量，提出科学合理的抽象，选择合理的数学工具，这样的基础上建立数学模型。仿真的步骤如图 2。 建模 计算（仿真） 二次建模 图 1 仿真技术发展历程 图 2 仿真步骤 力电子仿真模拟实验的意义 近年来计算机仿真技术在电力电子技术行业得到了广泛的应用，促进了电力电子产品研究、开发水平的提高，改善了电力电子产品的性能，缩短了产品的创新周期。电路与系统的计算机仿真在电力电子技术的应用研究和产品开发中占有重要的地位，它可以加深工程师对电路与系统工作原理的理解，加速电路的设计和理论的完善，它能帮助生产企业提高自身开发的水平，改善产品性能并能有效地缩短产品更新换代的周期。 通过仿 真实验演示 ,大大改善了实验的生动性、灵活性和感官性，可以使实验手册上静止的原理图形产生动画效果 ,并产生相应的仿真运行曲线 ,将大篇幅的过程描述与复杂的运行曲线用 达到直观生动的实验效果。 模拟仿真 模拟 数字仿真 数字仿真 对象 模型 计算机 浙江工业大学浙西分校信息与电子工程 系毕业设计（论文） 5 第 2 章 画 画 用 画等有着非常精彩的效果，它会打动每一位观众。而在我们这次毕业设计中， 画的优势 动画是由一帧帧 的静态图片所构成的，这些图片按照顺序在短时间内连续放映，就会产生运动、变化的视觉效果。构成动画的静态图片可以是抽象的图案，也可以是写实性的形象绘画。因此，动画是一种表现动态过程，阐明抽象原理的重要形式。 近年来，它被广泛应用于电视、电影等视觉媒体中。动画可以阐明抽象的原理，可以展示各种利用摄像机不能或者很难拍摄到的镜头，可以体现出影片的趣味性，吸引人的注意力。 用 可以利用 制所需的矢量图形。利用 对声音的长短、强弱进行修改。该软件制作的动画体积小、交互性强。在 还可以将制作完成的动画直接导出为 X 中的“库”面板可以用来保存在影片中用到的所有图片、声音、视频等素材。在 中可以显示素材文件被使用的次数，这样就可以方便地观察到文件是否被使用。对于那些没有在影片中用到的素材，就可以利用库面板删除掉。例如，你可能导入了几段声音，但决定只使用其中的一段。我们就可以通过库面板将其余的声音删掉。 享库”面板。我们在共享库中可以找到 钮、影片剪辑等。如果我们经常在影片中使用到一系列图形，就可以把它们放到自定义的、永久性的库中。自定义的永久库会添加到共享库列表中，使用的方法与系统自带的库的方式是一样的。 创建自定义共享库的方法为： 创建一个 其中包含想放入共享库中的所有符号。 将 样，当我们打开 择主菜单下的窗口 /共享库命令时，就可以看到 被创建的自定义共享库了。 X 添加了“影片探测器”面板。利用该面板提供的层次结构树，我们可以很快掌握 片的全貌。它显示了每个场景、每个图层以及每个帧的内容。利用该功能，我们可以很容易地搞清楚 其是对于那些含有大量嵌套符号和动作符号的文件。我们会从网络中下载大量的 毕业设计（论文） 6 源文件，通过“影片探测器”面板，我们可以利用很短的时间，掌握文件的结构，通过分析文件的结构，学习到 画的构成要素及制作技术 件 在 件是 利用 件的类型包括：图形、影片剪辑、按钮。在 不管是矢量图形，还是位图图像，都可以转换为图形类型的元件。影片剪辑类型的元件用来放置声音或者是有多帧构成的简单动画。利用影片剪辑便于对动画进行管理，并且可以在影片中的任意场景或图层调用。例如，我们制作一个树叶下落的影片剪辑。在影片的制作过程中，我们不仅可以在一个图层里放置多个该影片 剪辑，从而造成一种树叶纷纷坠落的过程；我们还可以在另外的场景中，放置该影片剪辑，从而达到尽量减少文件大小的效果。 按钮类型的元件用来制作 画中的按钮，按钮的应用可以实现动画的交互。我们可以通过为按钮设置动作，使动画产生停止、播放、跳转到任意帧、载入其他影片、链接到外部网站等的作用。我们可以通过 按快捷键 所选中的图形元素转换为符号。通过 ）面板，我们可以对影片中的符号进行预览和操作。当需要使用符号时，只需将合适的符号从 层 动画文件中，创建图层的数量取决于电脑的内存容量，但是不影响制作出来的动画文件的容量。在影片中，如果图层创建的数量太多，管理起来就会非常麻烦。所以，我们在制作动画时，应合理安排元件放置的位置。例如，将作为背景的所有元件放置在同一层内，并将其命名为“背景”。这样，我们在修改的时候，就会清晰明了。 在 分为普通帧和关键帧两种。在创作动画时，一些关键的画面，我们就会把它们设置为 关键帧，用来放置我们自定义的静态画面；而在这些关键画面之间由电脑自动绘出的过渡画面就称为普通帧。关键帧以黑色小圆点显示，普通帧以方形显示。 画类型 X 的制作动画有两种形式：序列动画和内插动画，而内插动画包括画和 画。当我们制作动画的时候，要根据实际需要来考虑到使用的动画的制作类型。序列动画就是动画中每帧都制作一幅静态的图片，如动画有 24帧，我们就要制作 24帧的图片。这样制作的动画体积比较大，制作的过程比较复杂，因此用到的较少。在 们一般用 内插动画来进行制作。内插动画是指在创建动画时，只制作动画中的关键帧 ， 关键帧之间就由电脑自动绘制出过渡帧，生成一个动画。例如，我们制作一个由正方形渐变成圆形的动画，只需将这两个图形（分别是起始状态和最终状态）分别插入到两个关键帧中（两帧不相连），然后为起始帧设定 形即可，中间的变形部分由电脑自动生成。但是，内插动画不适合表现较复杂的变形（比如走路）。 X 的内插动画类型有两种： 化， 化在 X 中可以做出物体浙江工业大学浙西分校信息与电子工程 系毕业设计（论文） 7 的移动、放大、缩小、旋转、颜色渐变、透明度渐 变等效果； 形， 利用行一般的变形， X 会根据首尾两个关键帧上的形状的大小和位置，模拟一个从首帧上的形状变化到尾帧上形状的动画。 画输出 作的动画文件可以输出为 式播放文件、 页文件、 态图像、 件等。 式的文件体积较小，适合在网络上传播，可嵌入网页中播放，需要使用 需要独立的播放器。 态图像 可以用来制作网站中所使用 来对网站进行宣传。 件是标准的影视制作输出格式，在利用 种文件格式的缺点是，动画将不会再具有交互性，且输出的文件体积较大。在输出为 以被影片制作软件读取，并做进一步的修改。因此，如果制作的以选择在制作完成后输出为 件格式。 件对于本设计的作用 在此之前 ,我们在学习过程中 ,已经使用了一些多媒体学习软件 ,实现方式多为 。以上软件是目前主流的多媒体制作软件 ,但是这些软件往往存在着实现动画较为困难且效果单调 ,内部函数编辑功能弱或专业技术要求较高 ,通常需要借助其他动画软件才能达到动画效果 ,特别是在制作一些需要大量动画进行模拟演示的多媒体软件时 ,更感到力不从心。在这种情况下 ,利用 制作动画较多的多媒体软件不仅仅是一种尝试 ,而更多的是一种必然选择。 件除具有强大的动画制作、图片处理、声音编辑功能之外 ,还有强大而且易用的内部函数编辑器 ,它所制成的播放文件十分小巧 ,压缩比例大 ,这些是 例如 ,另外配合更为重要的是 这就保证了图片在改变放大倍数的情况下播放 ,仍能处于最优状态。 成了强大的声音编辑功能。能导入多种声音格式 ,并能在内部进行压缩 ,压缩比可达 10:1。 控制输出声道 ,音量大小 ,输出格式 等等 ,这就使得利用 以随心所欲地使用想要的音乐文件。 在 作为制作多媒体软件不可缺少的内部函数编辑功能也很出色 ,函数编辑器可以让用户轻松地编辑所需的帧函数或元件动作函数 ,而这很大程度上可以通过按钮或勾选实现 ,使编程轻松自如。并能保证软件的可靠性和稳定性。 单的操作手段使其逐渐为人们所熟知。我们利用它既可以制作在教学中使用的多媒体教学软件，也可以制作互联网页动画，当然也可以将其应用于电视教材的动画制作电视、电影中。 这些对于我们制作电力电子仿真实验 有着极大的帮助，可以使我们的实验通过 浙江工业大学浙西分校信息与电子工程 系毕业设计（论文） 8 第 3 章 电力电子变流的 基础知识 实验所需的电力电子原件 晶闸管 一、 工作原理及伏安特性 晶闸管是由四层 导体材料构成的，可以把它看成是一个 体管和一个 图 1 图 1晶闸管 双晶体管模型 当控制极 阳极和阴极加正向电压，即 时，由于 偏， A， K 不导 通，只有微小的漏电流通过 ，当 A， K 之间正向电压足够大时，管子击穿， A， 为负，由于 3反偏， A， K 仍然不导通，两者之间仍然只有微小的漏电流通过当 A， 子反向击穿， 在阳极和阴极之间加正向电压的同时，控制极相对阴极加正的触发电压。一旦有足够的控制极电流 据图 1会形成强烈的正反馈，这样，就会使管子饱和导通，伏安特性曲线如图 1示。 图 1伏安特性曲线 使管子突然导通时的阳极电 压叫转折电压。在使用中，不允许把 A， K 之间浙江工业大学浙西分校信息与电子工程 系毕业设计（论文） 9 的电压加到 晶闸管的阳极电流是不随控制电流大小而变的，只能控制触发导通的时刻，以使管子提早导通，就是当 A， K 之间只有 较 小电压时就可导通，也就是说， 折电压越小，这点可 重复 ；伏安特性曲线上明显看出 晶闸管一旦触发导通，把控制极信号减小甚至完全去掉，管子仍然导通，只有当阳极电流减小到维持电流以下，管子才会截止，这是晶闸管与一般晶体管根本不同之点。 二 、主要特性参数 晶闸管的参数有 20 多项，这里将 一些常用的参数加以简单介绍。过去我国对晶闸管都使用机械工业部“ 晶闸管整流元件”部标准，即 电子工业部“ 3标准。考虑到某些方面更合理、更先进，以便与国际 准一致，国家标准局于 1985 年颁布“普通晶闸管”的国家标准。即 书使用的是这个新标准，请读者与过去的老标准相区别。 1. 断态及反向重复峰值电压 制极断器，在一定的温度下，允许重复加在管子上的正向电压为断态重复峰值电压，用 示。这个数值是不重复峰值电压 0%，而不重复峰值电压即为正向伏安特性曲线急剧弯曲点所决定的断态峰值电压。反向重复峰值电压用 示，它也是在控制极开路条件下，规定一定的温度，允许重复加在管子上的反向电压，同样， 0%。 “重复”是指重复率为每秒 50次，持续时间不大于 10 测试条件中，将对温度作严格的规定 。生产厂把 较小的一个数值作为管子的额定电压。 2 断态漏电流 反向漏电流 应 漏电流为断态漏 电流和反向漏电流，分别用 3. 额定通态电流 在环境温度为 40单向工频（即 50弦半波电路中，导通角为不大于 170，负载为电阻性，当结温稳定且不超过额定结温时，管子所允许的最大通态电流为额定通态电流。这个值用平均值和有效值分别表示。 4. 通态电压 规定环境温度和标准散热条件下，管子在额定通态电流 所对应的阳极 和阴极之间的电压为通态电压，即一般称为管压降。此值用峰值表示。 这是一个很重要的参数，晶闸管导通时的 正向损耗主要由 积决定，希望 5. 维持电流 室温下，控制极开路，晶闸管被触发导通后维持导通状态所必须的最小电流。也就是说，在室温下，在控制极回路通以幅度和宽度都足够大的脉冲电流，同时在阳极和阴极之间加上电压，使管子完全开通。然后去掉控制极触发信号，缓慢减小正向电流，管子突然关断前瞬间的电流即为维持电流。 6. 控制极触发电流 室温条件下，晶闸管阳极和阴极间施加 6V 和 12V 的直流电压，使管子完全开通所必须的最小控制极直流电流为控制极触发电流 通晶闸管的 灵敏晶闸管的 应控制极触发电浙江工业大学浙西分校信息与电子工程 系毕业设计（论文） 10 流的控制极电压称为控制触发电压 . 浪涌电流 在规定条件下，晶闸管通以额定电压，稳定后，在工频正弦波半周期间内管子能承受的最大过载电流。同时，紧间浪涌后的半周期间应能承受规定的反向电压。浪涌电流用峰值表示，是不重复的额定值；在管子的寿命内，浪涌次数有一定的限制。 8 断态电压临界上升率（ dv/ 在额定结温和控制极断路条件下，使管子从截止转入导通的最低电压上升率称为断态电压临界上升率，用 dv/ 示，希望这个数值愈大愈好。 50 100dv/25V/s,200A 以上管子的 dv/50V/s。 9. 通态电流临界上升率（ dv/ 在规定条件下，管子在控制极开通是能承受而不导致损坏的通态电流的最大上升率称为通态电流临界上升率，用 di/示，管子在开通瞬间产生很大的功率损耗，而且这种损耗由于导通扩展速度有限，总是集中在控制极附近的阴极区域，如果管子的 di/力不够，就 容易引起过热点，导致控制极永久性破2 4b 坏，对大电流的管子，这个问题更为突出。 当控制极加上足够的触发信号后，晶闸管并不立即导通，而是要延迟一小段时间。这延迟的一小段时间称为开通时间体规定是控制极触发脉冲前沿的10%到阳极电压下降至 10%的时间为图 1 图 1 开通时间 从通态电流降至零这一瞬间起到管子开始承受规定的断态电压瞬间为止的时间间隔称为电路换向关断时间 开通时间定管子的工作频率，工作频率较高的电路要选浙江工业大学浙西分校信息与电子工程 系毕业设计（论文） 11 用 的管子（ ，这一参数是普通晶闸管和快速晶闸管的主要区别。关断时间 大小除了和管子内部结构有关以外，还与应用条件有很大关系，关断前晶闸管所通电流大小、 温度、关断时所加反向电压大小，重加dv/向 图 1诸因素对关断时间的影响 从图 1度、重加 向电流、重加电压、反向 dt/关断时间增大；反向电压增加，则关断时间减小。 三 、常用参数的测试 1. 根据国家标准 (1)断态和反向峰值电流 试原理电路如图 1图 1测 试漏电流的原理电路 浙江工业大学浙西分校信息与电子工程 系毕业设计（论文） 12 图中 : 被测晶闸管； 产生正半周电压的二极管，使只测量断态特性（ 性交换则只测量反向特性）； B 门极电路； 保护电阻器； 校准电流的无感电阻器； p 峰值电流表、峰值电压表或示波器。 测试条件 : 25和 定最高结温）； 态重复峰值电压（ 反向重复峰值电压（ 规定门极电源电压和电源电阻，或门极至阴极间的电阻，或门极电路断路（门极电流为零）； 50量程序 : 被测管分别在 25和 ，调节交流电源 G，按 示，使断态电压达到断态重复电压，由 被测管主电极的极性交换，重复上述操作即可测得反向重复峰值电流 (2) 通态峰值电压 试原理电路如图 1示。 图 1测试通态峰值电压 图中 : 被测晶闸管； R 保护电阻器（限制充电电流）； 校准电流的无感电阻器； 当规定时接入的偏置电阻器； L， C 产生通态脉 冲电流的电感器和电容器； B 门极触发电源。 测试条件 : 厂测试为 25C，型式试验为 25 态平均值的倍（可以近似取 3）； 可以是发热效应能忽略的低重复频率脉冲； 使被测管完全开通。对于单次脉冲，视不同的浙江工业大学浙西分校信息与电子工程 系毕业设计（论文） 13 被测管，脉宽在 1 10围选择，对于大容量插件，还可以采用预开涌措施。应注意脉宽不可过窄，以免造成电流上升率超过额定值； 图 1 图 1测量 测量程序 : 电源电压和门极触发电压先调至零。 被测管按规定压力和接线接入电路中。结温调至规定值，门极电路调至规定的偏置条件。 电源电压由零增加，通过 L， C 震荡，使流过被测管的脉冲电流整定到规定值（由 示波器指示），此时 示波器上显示的数值即为所测的通态峰值电压，其波形如图 1 图 1通态峰值电压波形 (1) 门极触发电流 图 1测试 理电路 图中 : 直流电源，也可用脉动直流电源； 可调直流电源； R 决定开通后通态电流大小的负载电阻器。 R 的阻值应选择保证被测管完全开通，并且开通后的电流不小于擎住电流； 浙江工业大学浙西分校信息与电子工程 系毕业设计（论文） 14 直流电压表； 直流电流表。 测试条件 : 25C； 流 12V； 测量程序 : 被测管在 25C 下，由零开始逐渐增加门极至阴极间电压，当 压表指示的断态电压突然下降， 时， 和 注意测量读数是在被测管刚好完全开通下进行。 业余测试 对于晶闸管使用者来说，有的也需对管子进行测试，如有的单位在外购元器件进仓前，需要进行复测或抽验；有的设计人员，根据具体情况，需要对某些参数进行挑选；有的维修人员在维修设备中也要对晶闸管进行简单的测试，以便决定是否更换原来的元件。一般来说，这些测试不必用专用仪器，只需用通用仪器仪表作简单的测试就行了。下面介绍使用万用表，晶体管图示仪对晶闸管几项常用的参数进行测试的方法。 (1) 使用万用表判别晶闸管的 “好” “坏” 从图 1 3可知，晶闸管的四层 包括了三个，据 以用万能表很快判断的“好”或“坏” 具体做法是：用万用表“欧姆”档，将开关置于 10或 100，测量晶闸管阳极 之间的电阻，不管“红绿表”置 ，阳极和阴极的之间的电阻值都很大，一般为几百千欧以上。再测量控制极 之间的电阻。 G 和 K 之间是一个 ，但它 不是一个理想的 ，它的正向特性并不象普通二极管那样具有较固定的压降，反向特性也并不表现出很大的电阻，有时甚至正反向电阻值接近。在测量时，将万用表置于 1R 或 10R 挡，测出的阻值为十几欧至几百欧。 如果测得某个晶闸管 A， 者 G， 就说明晶闸管坏了。 (2) 用 1型图示仪测量触发特性和维持电流及管压降 接线 将被测管的 A， G， ， B， E（即原来测晶体管时应接的 C，B， E） 各旋钮，开关应放的位置 +”，阶梯作用置于重复，级 /秒置于 200； 20V，先将峰值电压调至零； 轴集电极电流置于合适的档级，即与晶闸管的阳极电流相适应； 能太小，应满足特性曲线幅值的要求； 轴开关置于“基极电流或基极电压源”档 与晶闸管触发电流 浙江工业大学浙西分校信息与电子工程 系毕业设计（论文） 15 测量和读数 将峰值电压由零调至 8V，若没有触发（即屏幕上只有 这时，应将阶梯选择开关置于大一档的位置，如触发了，出现如图 1示的图形，这样，就可以读出 如：阶梯选择开关置于 5，图 1 6=30 B. 触发电压 测试 与测试触发电流相同，只需要阶梯选择开关置于合适的电压档级，如置于 0。2V/级，测的如图 1时，触发电压 。 2 7=1。 4V。 C. 维持电流 维持电流较小，中小晶闸管 常为几毫安至几十毫安。在控制触发电流测试中，把 Y 轴电流改为 1 2，功耗电阻适当加大，（如 500），根据维持电流的定义， 图 1 图 1测试 形 D 通态电压以测 5A 的管子为例 被测管的 A， G， K 分别接图示仪的 C， B， E，但接线套尽量短一些、粗一些。 各旋钮、开关应放的位置 Y 轴集电极电流置于 500 X 轴集电极电压置于 0。 2V/度 峰值电压范围置于 0 20V，先将峰值电压调到 0V； 功耗电阻置于 2 ； 集电极极性开关置于“ +”； 基极阶梯信号极性开关置于“ +”； 阶梯作用置于重复 级 /秒置于 100 测量和读数 将峰值电压由零逐渐增加，配合功耗电阻调节，使 Y 轴集电极电流达到额定值 5A（峰值 3 5=15A）可得如下图 a 所示图形，从而读取通态电压 3） 用 图示仪测量断态及反向重复峰值电压和漏电流 断态及反向电压和峰值电流本来可用 图示仪进行测量，但由于它集电极峰值电压最高只有 200V，而晶闸管的耐压多数大于 200V，所以，用于 测试。 在测试晶闸管额定电压时，可在 示仪专用的高压测试装置中参照二浙江工业大学浙西分校信息与电子工程 系毕业设计（论文） 16 极管测试方法进行，即：将峰值电压旋转至零；把二极管测试盒与仪器二极管测试孔相连（或者用耐高压导线与测试孔相连）。再将被测晶闸管按面板所示的二极管极性与插孔相连接（阳极 A 接二极管“ +”极、阴极 K 接二极管“ ”极），晶闸管的门极端开。其他旋转、开关的位置为： 输出电压琴键置于 3000V； Y 轴电流置于 X 轴电压置于 200V/度 按住“测试”按钮，逐渐开高峰值电压，直到出现特性曲线急剧转折点，读取此值的 80%就是 值（图 b） 再将晶闸管反接（即 A 接“ -”、“ +”），即可测得 测定 同时，可以读出正反向电流 值。图 1， 000V， 图 a 测试 图 b 测耐压及漏电流的波形 四 、特性曲线 第三节给出的有关电流参数还不能全面反映晶闸管电流方面的性能，因此，国家标准 求制造厂在企业标准或产品说明书中对每种规格的器件要向用户提供七种特性曲线。它们是： (1) 通态伏安特性曲引（； (2) 瞬间热阻抗与时间关系曲线（ Z t (3) 通态功耗与通态平均电流（导通角作参变量）的关系曲线 T (4) 管壳温度与通态平均电流 的降额曲线（导通角作参变量）（ C T ； (5) 浪涌电流与周波数关系曲线（ (6) 22I t t ） ; (7) 门极触发范围特性曲线。 上述（ 1），（ 2），（ 7）三种曲线是实验曲线，是由制造厂对批量器件实测后给出的实用曲线。而其他曲线一般是根据实验曲线（ 1），（ 2）以及有关理论计算出来的，但具有很好的 实用效果。 各种曲线简介如下： 浙江工业大学浙西分校信息与电子工程 系毕业设计（论文） 17 它是晶闸管在导通时流过的主电流和由此产生的主电压的关系曲线，它是晶闸管最基本的特性曲线之一。由于曲线上任一点反映了电流为瞬时值 该曲线又称 图 1 1 通态伏安特性 图 1般应分别给出在 25般是 125C）时两条曲线。从图 1电流较小时，高温峰值电压低；而电流较大时，高温峰值电压比 相同通态电流的低温峰值电压大。两曲线有一交点 P。 电流越靠近 管子越好用。 如果只给出一条曲线，应给出高温时的曲线。 由于通态伏安特性曲线是一条非线性曲线，实际使用时计算很不方便。而曲线在工作范围内又很接近特性曲线。故在实际计算时，常采用直线近似的方法。 如图 1通态伏安特性曲线上去 两规定点 A， B，该两点对应的 般是 A， B 连线则近似作为伏安特性曲线，其解析表示为 T M T D T T r I（ 1） 这里，0外许多大公司和国内一些重点器件生产单位的产品样本中，都给出了槛电压反映了晶闸管的结压降，了这组值，就对器件的通态特性有全面概括的掌握。 当电流超出一定范围后 ,由 (1)式算出的 实验值偏差就很大了。故 ,国外有的 公司样本往往给出两组 (0 ,分别对应工作电流和大电流下的直线近似特性。 晶闸管并联使用时 ,通态特性在选择器件时就显得特别重要。通常 ,选通态峰值电压相等的管子并联以保证良好的均流。其实 ,这个方法是不可靠的 ,因为它只保证了在峰值电流这一点均流。要得到大范围的动态均流，应选择并联晶闸管的门槛电压0率电阻它们的通态伏安特性曲线相同。 2瞬态热阻抗与时间关系曲线 这是晶闸管另一条基本特性曲线。晶闸管通过电流发热，其温度最高处应在，热量也不断从结处向外散逸。稳态时，其结温温度输的功率 间有关系： j c A R P（ 2） 这里，壳热阻，表示了“热路”对热量传递的阻挡能力。在未达到稳浙江工业大学浙西分校信息与电子工程 系毕业设计
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