单相桥式半控整流电路的设计.doc

武汉理工大学电力电子技术课程设计说明书单相桥式半控整流电路的设计1方案设计1.1设计任务 设计一单相桥式半控整流电路，对反电势负载供电，其中L=20mH,R=10，E=50V；要求直流输出电压在0到180V连续可调。1.2设计原理 在单相桥式全控整流电路中，每一个导电回路中有两个晶闸管，即用两个晶闸管同时导通以控制导电的回路。而单相桥式半控整流电路，每一个回路只有一个晶闸管，另外一个可以用二极管代替。当晶闸管的触发角=0时，直流输出Ud取最大值180V，通过公式可以计算出输入电压U2。通过调节角度的变化可以使输出在0到180V可调。2单相桥式半控整流电路的设计2.1主电路原理与设计在单相桥式半控整流电路时由两个晶闸管VT1、VT3和两个二极管VD2、VD4组成，如图1所示，因为是阻感负载，因此在电路中又加设了续流二极管VDR，以免发生失控现象。在U2正半周，当晶闸管在触发角处给晶闸管VT1加触发脉冲，U2经VT1和VD4向负载供电。U2过零变负时，因电感作用使电流连续，VDR导通，Ud为零。此时为负的U2通过VDR向VT1施加反压使其关断，L储存的能量保证了电流在R-L-VDR回路中流通，此过程为续流过程。忽略二极管的通态电压，则续流期间Ud为0，Ud不会出现负的现象。在U2负半周，当晶闸管在触发角处给晶闸管VT3加触发脉冲，U2经VT3和VD2向负载供电。U2过零变正时，因电感作用使电流连续，VDR导通，Ud为零。此时为负的U2通过VDR向VT3施加反压使其关断，L储存的能量保证了电流在R-L-VDR回路中流通，此过程为续流过程。忽略二极管的通态电压，则续流期间Ud为0，Ud不会出现负的现象。图1主电路原理图2.2主要元器件的选择1)晶闸管的选取 图2晶闸管的结构及符号 晶闸管是在晶体管基础上发展起来的一种大功率半导体器件。它的出现使半导体器件由弱电领域扩展到强电领域。晶闸管也像半导体二极管那样具有单向导电性，但它的导通时间是可控的，主要用于整流、逆变、调压及开关等方面。 晶闸管是具有三个PN结的四层结构, 其结构及符号如图2 所示。由于单相桥式半控整流带电感性负载主电路主要元件是晶闸管，所以选取元件时主要考虑晶闸管的参数及其选取原则。额定电压 通常取断态重复峰值电压和反向重复峰值电压中较小的，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，额定电压要留有一定裕量，一般取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 额定电流 又称为额定通态平均电流。其定义是在室温400C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1700C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。使用时应按实际电流与通态平均电流有效值相等的原则来选取晶闸管，而且应留一定的裕量，一般取1.52倍。正弦半波电流平均值、电流有效值和电流最大值三者的关系为：因为是阻感负载，则有：= 当=0时，取得最大值180V即而得出=200V，=180时，=0，则角的移相范围为0180。晶闸管承受最大电压为：考虑到23倍安全裕量，则晶闸管的额定电压为 晶闸管承受的最大电流Id为：Id=0.9U2-ER=0.9200-5010=13A即额定电流I=13A，那么流过单独一个晶闸管的电流有效值为：IVT1=Id2=132=9.19A考虑1.52倍安全裕量则晶闸管的额定电流为：IN=1.529.191.57=8.7811.7A 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。 擎住电流IL 擎住电流是晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号后，能维持导通所需的最小电流。对同一晶闸管来说，通常IL约为IH的24倍。 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。 晶闸管应选取额定电压800V左右，额定电流大于12A的晶闸管。2)变压器的选取根据参数计算可知:变压器应选变比K为：不考虑变压器的损耗时，则变压器的容量为3200VA。3触发电路的设计对于使用晶闸管的电路，在晶闸管阳极加正向电压后，还必须在门极与阴极之间加触发电压，使晶闸管在需要导通的时刻可靠导通。驱动电路亦称触发电路。根据控制要求决定晶闸管的导通时刻，对变流装置的输出功率进行控制。触发电路是变流装置中的一个重要组成部分，变流装置是否能正常工作，与触发电路有直接关系，因此，正确合理地选择设计触发电路及其各项技术指标是保证晶闸管变流装置安全、可靠、经济运行的前提。3.1 对触发电路的要求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: 1）触发信号可为直流、交流或脉冲电压。2）触发信号应有足够的功率（触发电压和触发电流）。3）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。4）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。图3强触发电流波形3.2单结晶体管触发电路该触发电路主要运用的器件是单结晶体管，单结晶体管（简称UJT）又称基极二极管，它是一种只有一个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、符号和效电路如图4所示。 图4单结晶体管的结构符号和等效电路从图4可以看出，两基极b1与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0.3-0.85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2 图2、单结晶体管的伏安特性（1）当Ve Vbb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Ice（2）当VeVbb+VD时，VD为二极管正向压降（约为0.7伏），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，与其对就的发射极电压和电流，分别称为峰点电压Vp和峰点电流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不断上升，Ve不断下降，降到V点后，Ve不在降了，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点后，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便缓慢地上升，显然Vv是维持单结晶体管导通的最小发射极电压，如果VeVv，管子重新截止。3.3驱动电路的设计 用单结晶体管构成的晶闸管触发电路如图5所示。与单结晶体管构成弛张振荡电路相比较，电路的振荡部分相同，同步是通过对电源电路的改进实现的。取自主电路的正弦交流电通过同步变压器T 降压，变为较低的交流电压，然后经二极管整流桥变成脉动直流。稳压管VW 和电阻RW的作用是“削波”，脉动电压小于稳压管的稳压值时，VW 不导通，其两端的电压与整流输出电压相等；如果脉动电压大于稳压管的稳压值，将使VW 击穿，其两端电压保持稳压值，整流桥输出电压高出稳压值的部分降在电阻RW上。这样VW 两端的电压波形近似与一个梯形波，用这个电压取代弛张振荡电路中的直流电源，起到同步作用。由于振荡电路的电源为梯形波，在主电路正弦波每一半波结束和开始的一段时间，振荡电路的电源电压很小，电路不振荡，同时电容电压释放到0。当电源电压接近梯形波的顶部时，振荡电路开始工作，当电容充电使两端的电压达到峰点电压时，单结晶体管导通电容放电，放电电流流过R1与被触发晶闸管的门极的并联电路形成输出，为晶闸管提供触发脉冲，使晶闸管导通。然后电路进入下一振荡周期，但晶闸管一经导通门极就失去控制作用，一个电源电压半周中振荡电路输出的脉冲只是第一个起到触发作用，后面的脉冲是无效的。在主电路电压的半周接近结束时，振荡电路的电源电压进入梯形波的斜边并迅速下降，振荡电路停振，同时电容电压释放到0。因此在主电路的每一个半波中，电容总是从0开始充电，保证了触发脉冲与主电路电压的同步。在图5中改变电位器RP的数值可以调节输出脉冲电压的频率。但是（RPR）的阻值不能太小，否则在单结晶体管导通之后，电源经过RP和R供给的电流较大，单结晶体管的电流不能降到谷点电流之下，电容电压始终大于谷点电压，因此，单结晶体管就不能截止，造成单结晶体管的直通现象。选用谷点电流大一些的管子，可以减少这种现象。当然，（RPR）的阻值也不能太大，否则充电太慢，使晶闸管的最大导通角受到限制，减小移相范围。一般（RPR）是几千欧到几十千欧。 单结晶体管触发电路输出的脉冲电压的宽度，主要决定于电容器放大电的时间常数。R1或C太小，放电快，触发脉冲的宽度小，不能使晶闸管触发。因为晶闸管从阻断状态到完全导通需要一定时间，一般在10uf以下，所以触发脉冲的宽度必须在10uf以上。但是，若C值太大，由于充电时间常数（RP+R）C的最小值决定于最小控制角，则（RP+R）就必须很小，如上所述，这将引起单结晶体管的直通现象。如果R1太大，当单结晶体管尚未导通时，其漏电流就可能在R1上产生较大的电压，这个电压加在晶闸管的控制极上而导致误触发。一般规定，晶闸管的不触发电压为0.150.3V，所以上述电压不应大于这个数值。 脉冲电压的幅度决定于直流电源电压和单结晶体管的分压比。如电源电压为20V，晶体管的分压比为0.5，则在单结晶体管导通时，电容器上的电压约为10V，除去管压降外，可以获得幅度为78V的输出脉冲电压。根据上述数据，输出脉冲的宽度和幅度都能满足触发晶闸管的要求。 图5单结晶体管构成的晶闸管触发电路图5中的电阻R2是作温度补偿用的。因为在VPVBBVD的式中，分压比几乎不随温度而变，VD是二极管的正向压降，而VD将随温度上升而略有下降。这样，VP就要随温度而变，这是不希望的。当接入R2（及R1）后，UBB是由稳压电源的电压UZ经R2、RBB、R1分压而得，而RBB随温度上升而增大，因此在温度上升后，RBB增大，电流就减小，R1和R2上的压降也相应减小，VBB就增大一些，于是补偿了VD因温度上升而下降之值，从而使峰点电压VP保持不变。4系统电路图为保证触发电路和主电路频率一致，利用一个同步变压器，将其一次侧接入为主电路供电的电网，由其二次侧提供同步电压信号，这样，由同步电压决定的触发脉冲频率与主电路晶闸管频率始终是一致的。把触发电路和主电路联系到一起就可以绘制系统统电路图，如图6所示。关于保护电路的问题，由于任务书中没有要求，在这里我们不给予介绍。图6系统电路图5 MATLAB仿真5.1.仿真模型模块介绍1）交流电源 提取路径：SimulinkSimpowerSystemElectrical SourcesAC Voltage Source2) 直流电压 提取路径：SimulinkSimpowerSystemElectrical SourcesDC Voltage Source3）晶闸管 提取路径：SimulinkSimpowerSystemPower ElectronicsThyristor4)脉冲信号发生器 提取路径：SimulinkSimulinkSources Pulse Generator5)负载电阻 提取路径：SimulinkSimpowerSystemElementsSeries RLC Branch6)电压测量 提取路径：SimulinkSimpowerSystemMeasurementsVoltage Measurements7)电流测量 提取路径：SimulinkSimpowerSystemMeasurementsCurrent Measurements8)示波器 提取路径：SimulinkSimulinkSinksScop5.2仿真模型的设计将单相桥式全控整流电路的MATLAB仿真模型如下图7所示。图7 MATLAB仿真图5.3仿真模型模块参数设置交流电压源的电压设置为200V这样省去了一个变压器，简化仿真电路，频率设置为50HZ。直流电源的电压设置为50V。脉冲触发器的脉冲周期为0.02S，脉冲宽度为0.001S，脉冲1的相位延迟设置，按t=T/3600,对电网的交流电 T=0.02S，当=600时，t=0.00333S;当=1200 时，t=0.00667S,以此类推。脉冲2的相位与脉冲一相差1800，即0.01S的时间，把脉冲一的延迟时间加上0.01就是脉冲2的延迟时间。5.4仿真波形=600时的波形如图8所示。电源没有给反电势供电时，输出电压为50V，当晶闸管VT1被触发导通后，电源给负载供电，负载两端的电压等于电源电压。当电压为负的时候，VT3还未导通，二极管VDR导通续流，VDR近似看做导线，两端无电压，此时输出电压Ud为0。由于电感不大，续流一段时间后VDR截止，此时电压表测量的电压为反电势的大小50V，接下来VT3导通，输出电压又等于输入电压。重复以上过程。图8 =600时电压电流波形心得体会这次课程设计是对我们所学内容的一次复习与拓展，它要求我们掌握利用MATLAB仿真电力电子器件。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，让我对电力电子技术产生了浓烈的兴趣。 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。 每次做课程设计我都感觉比较棘手，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