单相桥式半控整流

1、摘要 21. 设计任务和要求 3设计任务 3设计要求 32. 单相桥式半控整流电路的设计 2设计方案 2主电路的原理与设计 4驱动电路的原理与设计 5错误!未定义书签。元器件的选取及相关参数计算 8错误!未定义书签。错误!未定义书签。 错误!未定义书签。电力电子器件的保护 11错误!未定义书签。错误!未定义书签。总电路原理图及工作原理 12建模与仿真 12心得体会 13参考文献 13摘要就是把交流电能转换成直流电能的电路。 大多数整流电路由变压器、 驱动电 路、整流主电路、保护电路等组成。它在直流电机调速、发电机的励磁调节、电 解、电镀等领域得到广泛应用。 20世纪 70 年代以后，主电路多用

2、硅整流电路和 晶闸管组成。而变压器的作用是实现交流输入电压与直流输出电压的匹配以及交 流电网与整流电路之间的电隔离 （可以减小电网与电路间的电干扰和故障影响） 。 整流电路的种类很多， 主要有半波整流电路、 单相桥式半控整流电路、 单相桥式 全控整流电路、 三相桥式半控整流电路、 三相桥式全控整流电路等。 本课程设计 为单相桥式半控整流电路。关键字：整流 驱动 过电压 保护 变压单相桥式半控整流电路1. 设计任务和要求设计任务单相桥式半控整流电路的技术要求：设计一单相桥式半控整流电路，对 RL负载供电，其中R=10Q, L=20mH要 求直流输出电压在0180伏连续可调。设计要求1）方案设计2

3、）完成主电路的原理分析，各主要元器件的选择3）触发电路的设计4）绘制系统电路图5）利用 matlab 仿真软件建模并仿真，获取电压电流波形，对结果进行分析6）撰写设计说明书2. 单相桥式半控整流电路的设计设计方案在单相桥式全控整流电路中， 每一个导电回路中都有两个晶闸管， 即利用两 个晶闸管同时导通以控制导电的回路。 实际上对每个导电回路进行控制， 只需要 一个晶闸管就够了， 另一个可以用二极管代替。 从而简化整个电路， 调节起来也 比较方便，并且也节省了成本，这就是单相桥式半控整流电路。本设计电路主要由触发电路、主电路、和过电压过电流保护电路组成主电路的原理与设计在单相桥式半控整流电路中，电

4、网电压经变压器到整流电路，整流部分由两 个晶闸管VT1、VT3和两个二极管VD2和VD4组成，如下图2-1所示。由于负载 为阻感负载，因此在电路中加了续流二极管 VDR以免发生失控现象。实际运行 中如果没有徐i，则当a突然增大至180。或者触发脉冲丢失时，会发生一个晶 闸管持续导通而两个二极管轮流导通的情况，这使Ud成为正弦半波，即半周期Ud为正弦，另外半周期Ud为零，其平均值保持恒定，相当于单相半波不可控整 流电路时的波形，称为失控。图2-1单相半控整流电路主电路保证了电流在VDR-R-L回路中流通，此过程也就是续流的过程。也就是说此时如 果忽略VDR的管压降，贝恠续流期间Ud为零，就不会像

5、全控桥电路那样出现 Ud 为负的现象了。在U2负半周，当晶闸管在触发角a处给晶闸管 VT3加触发脉冲，U2经过VT3 和VD2向负载供电。U2过零变正的时候，同样因电感作用使电流连续，VDF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中储存的能量保 证电流在VDR-R-L回路中流通。也就是说如果忽略VDR勺管压降，则在续流期间 Ud为零，Ud也就不会出现为负的现象了。驱动电路的原理与设计单结晶体管（简称 UJT）又称双基极二极管，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bl和b2。在硅片中间略偏

6、 b2侧用合金法制作一个 P区作为发射极eo其结构、符号和等效 电路如 图2-2所示。只有一个PN结作为发射极而有两个基极三端半导体器件，早期称为双基极 二极管。其典型结构是以一个均匀轻掺杂高电阻率的N型单晶半导体作为基区,两端做成欧姆接触的两个基极，在基区中心或者偏向其中一个极的位 置上用浅扩散法重掺杂制成PN结作为发射极（图中2-2a）。当基极B1和B2之间加上电压时（图中 2-2b ），电流从B2流向B1,并在结处基区对 B1的电势 形成反偏状态。如果将一个信号加在发射极上，且此信号超过原反偏电势 时，器件呈导电状态。一旦正偏状态出现，便有大量空穴注入基区，使发 射极和B1之间的电阻减小

7、，电流增大，电势降低，并保持导通状态，改变 两个基极间的偏置或改变发射极信号才能使器件恢复原始状态。因此，这 种器件显示出典型的负阻特性（见图 2-2c ）,特别适用于开关系统中的弛张 振荡器，可用于定时电路、控制电路和读出电路。图2-2单节晶体管结构、符号及等效电路从图2-2可以看出，两基极bl与b2之间的电阻称为基极电阻 rbb=rb1+rb2若在两个基极b2、bl间加上正电压Vbb，贝U A点电压为：VA=rb1/（rb1+rb2）vbb=（rb1/rbb）vbb=n Vbb式中：n -称为分压比，其值一般在之间；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-

8、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。当Ven 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Iceo。当Ven Vbb+VD时VD为二极管正向压降（约为伏），PN结正向导通，Ie显着增加，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 o 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=n Vbb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

9、，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 o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 Vev Vv，管子重新截止。用单节晶体管构成的晶闸管触发电路如图2-3所示。与单节晶体管构成的驰张振荡电路相比较，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T1降压，变为较低的交流电压，然后经过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稳压值时，VW不导通，其两端的电压与整流输

10、出的电压值相等；如果脉动电压大雨稳压管的稳压值将使VW击穿其两端电压保持稳压值， 整流桥输出电压高于稳压值的部分降在电阻RW上。这样VW两端的电压波形接近于一个梯形波，用这个电压取代驰张振荡电路 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 两端电压达到峰点电压时，单节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

11、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，振荡的路的电 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零。因此在主电路的每一个半波中，电容总是从零开始充电，保证了触 发脉冲与主电路电压同步。改变电位器RP的数值可以调节输出脉冲电压的频率。 但是（RP+ R）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

12、少这种现象。当然，（RP+ R）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（RN R）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。如选用C= 1uF, R仁25010（D,就可得到数十微秒的脉 冲宽度。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。

13、 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，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，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。图中的电阻R2是作温度补偿用的。因为在 U吐UB呼UD的式中，分压比几 乎不随温度而变，而UD将随温度上升而略有下降。这样，UP就要随温度而变， 这是不希望的。当

14、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的压降也就相应减小，UBB就增大一些，于是就补偿了 UD因温度 上升而下降之值，从而使峰点电压 UP保持不变。图2-3单结晶体管触发电路稳压管的作用是将整流电压uo变换成梯形波（削去顶上一块，所谓削波）， 稳定在一个电压值UZ使单结晶体管输出的脉冲幅度和每半周产生第一个脉冲 （第一个脉冲使晶闸管触发导通后，后面的脉冲都是无用的）的时间不受交流电 源电压波动的影响。通过变压器将触发电路与主电路接在同一电源上， 所以每当主电路的交流电

15、源电压过零值时，单结晶体管上的电压UZ也过零值，两者同步。在UZ过零值时， 单结晶体管基极间的电压UtnUBB也为零。如果这时电容器上还有残余电压，必 然要向R倣电，很快放掉，以保证电容器在每一半波之初从零开始充电。这样，才能使每半周产生第一个脉冲的时间保持不变，即a1 = a 2，从而使晶闸管的导通角和输出电压平均值保持不变。如果改变电位器RP的电阻值，例如增大阻值，电容器 C的充电变慢，因而 每半波出现第一个脉冲的时间后移 （即a角增大），从而使晶闸管的导通角变小，阳极输出电压的平均值也变小。因此，改变 RP是起移相的作用，达到调压的目的元器件的选取及相关参数计算晶体闸流管简称晶闸管，也称

16、为可控硅整流元件(SCR),是由三个PN结构成的一种大功率半导体器件 晶闸管不仅具有单向导电性，而且还具有比硅整流元件更为可贵的可控性，它只有导通和关断两种状态。晶闸管的优点很多，例如：以 小功率控制大功率，功率放大倍数高达几十万倍；反应极快,在微秒级内开通、关 断;无触点运行，无火花、无噪声；效率高,成本低等。因此，特别是在大功率UPS供电系统中，晶闸管在整流电路、静态旁路开关、无触点输出开关等电路中得到 广泛的应用。晶闸管的弱点：静态及动态的过载能力较差，容易受干扰而误导通。晶闸管从外形 上分类主要有：螺栓形、平板形和平底形。晶闸管是PNPN四层三端器件,共有三个PN结。分析原理时,可以把

17、它看作是 由一个PNPt和一个NPN管所组成,其等效图解和电路符号如图2-4所示。图2-4晶闸管等效图解和电路符号从图中可以看出，两个晶体管连接的特点是一个晶体管的集电极电流就是另 一个晶体管的基极电流，当有足够的门极电流 Ig流入时，两个相互符合的晶体 管电路就会形成强烈的正反馈，导致两个晶体管饱和导通，也即晶闸管导通。如果晶闸管承受的是反向阳极电压由于等效晶体管V1和V2均处于反压状 态，无论有无门极电流Ig流入，晶闸管不能导通通过理论分析和实验表明：只有当晶闸管同时承受正向阳极电压和正向门极电压时，晶闸管才能导通， 两者缺一不可。晶闸管一旦导通后门极将失去控制作用，门极电压对管子随后的导

18、通和关断 均不起任何作用，故使晶闸管导通的门极电压不需要是一个持续的直流电压，只要是一个具有一定宽度的脉冲电压即可，脉冲宽度与晶闸管的开通特性及负载性 质有关。这个脉冲称之为触发脉冲。要使导通的晶闸管关断，必须是阳极电流降低到某一数值之下(约几十毫安）。这可以通过增大负载电阻，降低阳极电压接近于零或者是加反向阳极电压 来实现。这个能保持晶闸管导通的最小电流称之为维持电流，是晶闸管的一个主要参数。由于单相桥式半空整流电路带电感性负载主电路主要原件是晶闸管，所以选取原件主要考虑晶闸管的参数及选取原则。1.额定电压Utn通常取断态重复峰值电压UdrM和反向重复峰值电压Urrm中较小的，再取靠 近标准

19、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UTM的23倍，以保证电路的工作安全。IT（AV）因此晶闸管额定电压Utn =min U drm ， U RRM 2-1Utn = （2 3） Utm2-22.额定电流又称为额定通态平均电流，国标规定为晶闸管在环境温度为 40 C 和规定的冷却状态下，稳定结温不超过额定结温时所允许留过的最大贡品正弦半 波电流的平均值。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，可能要超过管

20、子所能提供的极限，使管子由于过热而损坏。使用时应按十几电流与通态平均电流有效值相等的原则来选 取晶闸管，而且应留有一定的裕量，一般取2倍。正弦半波电流平均值It（av）、电流有效值It和电流最大值Im三者的关系为：2-31 T（AV）2-4各种有直流分量的电流波形，其电流波形的有效值It与It（av）之比，称为Kf- 1.57这个电流的波形系数，用Kf表T（AV）f示。因此在正弦半波情况下电流波形系数为：2-5本设计要求带阻感性负载，则有:2-6=0,当a =0时，ud取最大值180V既而得出U2=200V, a =180时，5则a角的移相范围为0180。晶闸管承受的最大电压为：2-7考虑到2

21、3倍的安全裕量，则晶闸管的额定电压为:2-8晶闸管承受的最大Utm H 2 200V283V电流ld为:2-9那么单独流过一个晶闸管的电流有效值为:Un (2 : 3) 283V(566 :849)V2-10考虑(2)倍的安全裕量则晶闸管的额定电流为:2-113.维持电流1H维持电流是指使晶闸管维持导通所必需的最小电流，一般为几十到几百毫安。IH与结温有关，结温越高，则IH越小。4.擎住电流Il擎住电流是12 7并且移除触发脉In (1.5: 2)停(12: 16)A指晶闸管刚从断态转入通态冲后，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。5断态电压临界上升率du/d

22、t断态电压临界上升率是指在额定结温和门极开路的情况下，不导致晶闸管从断态到通态转换的外加电压最大上升率， 一般为每微妙几十伏，实际使用中电压上升率必须低于此临界值。6.通态电流临界上升率di/dt通态电流临界上升率是指在规定条件下，晶闸管能承受而无有害影响的最大通态电流上升率。如果电流上升太快，则晶闸管一开通，便会有很大的电流集中 在门及附近的小区域内，从而造成局部过热而使晶闸管烧坏。根据参数计算得出U2=200V,又有电网电压U1 =220V,那么可以计算出变压 器变比K为：2-12不考虑变压器损耗时，则变压器的容量为 3200V A。电力电子器件的保护在电力电子器件电路中，出了电力电子器件

23、参数要选择合适， 驱动电路设计 良好外，采用合适的过电压保护、过电流保护du/dt保护和di/dt保护势必不可 少的。晶闸管变流装置运行不正常或者发生故障时， 可能会发生过电流，过电流分 过载和短路两种情况。由于晶闸管的热容量较小，以及从管心到散热器的传导途 径中要遭受到一系列热阻，所以一旦过流，结温上升很快，特别是在瞬时短路电 流通过时，内部热量来不及传导，结温上升更快，晶闸管承受过载或者短路电流 的能力主要受结温的限制。可用作过电流保护的主要有快速熔断器、 直流快速熔 断器和过流继电器。在此我们用快速熔断器措施来进行过电流保护。 过电流保护 电路图如图2-5所示。图2-5过电流保护电路图采

24、用快速熔断器是电力电子装置中最有效，应用最广的一种过电流保护措 施，在选择时应考虑以下几个方面：1）电压等级应根据熔断后快熔实际承受的电压来确定。2）电流容量应按其在主电路中的连接方式和主电路连结形式确定。快熔一般与电力半导体器件串联连接，在小容量装置中也可串接于阀侧交流母线或直流母 线中。3）快熔的12t值应小于被保护器件的12t值。4）为保证在正常过载情况下不融化，应考虑其时间电流特性。由于晶闸管的额定电流为16A,快速熔断器的熔断电流大于倍的晶闸管额定 电流，所以快速熔断器的熔断电流为 24A。电力电子装置中可能发生的过电压分为外因过电压和内因过电压。夕卜因过电 压主要来自雷击和系统中的

25、操作过程等外部原因。 内因过电压电力电子装置内部 器件的开关过程， 主要包括换向过电压和关断过电压。 因此我们有必要对设备进 行适当的过电压保护。 在此设计中我们采用阻容式过电压保护。 电路连接图如图 2-6 所示。图 2-6 电力电子设备过电压阻容式保护电路总电路原理图及工作原理总电路原理图见附录工作原理：该电路主要由主电路和触发电路构成，输入的电网信号220V 经变压器变成200V,由触发电路来控制导通角。为了保证电路出现过载或者短路 故障时，不至于伤害到晶闸管和负载， 在电路中加了保护电路。 经过变压及保护 电路后的信号输入整流电路中, 整流电路中晶闸管在触发电路的作用下动作, 以 发挥

26、整流电路的整流作用。加续流二极管是为了防止整流失控。在电路中，过电流保护部分我们采用快速熔断器，而过电压则采用RC电路。 这部分的选择主要考虑到电路的简单性。 整流部分则根据题目的要求, 选择我们 学过的单相桥式半控整流电路。建模与仿真单相桥式半控整流电路在 Simulink 环境下，运用 PowerSytemBlockest 的各 种元件模型建立了单相桥式半控整流电路的仿真模型如图 3-1 所示图 3-1 单相桥式半控整流电路仿真模型在实际电路中电源部分应该是从电网引进220V电压经变压器降低成200V的电源然后接入电路中，在此我们为了简单采用的是 Matlab 里面的交流电源，设 置参数时电压设置成200V,频率为50HZ对于触发电路部分，采用的是 Matlab 里的方波脉冲触发器，为了与主电路相同，这两个脉冲发生器的周期都