三相半波整流电路设计正文

1、三相半波整流电路设计目录第一章 技术论证··············································

2、3;············1第二章 电力电子器件····································

3、;···················21电力电子器件简介·····························&

4、#183;······················22电力电子器件分类·························

5、83;··························22.1 按照电力电子器件能够被控制电路信号所控制的程度分类·················22.2按照驱动电

6、路加在电力电子器件控制端和公共端之间信号的性质分类···32.3按照驱动电路加在电力电子器件控制端和公共端之间有效信号波形分类·32.4按照电力电子器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的情况分类·····33电力电子器件优点························

7、;····························34晶闸管·····················

8、··········································44.1普通晶闸管的基本工作原·····

9、83;·······································44.2普通晶闸管的工作条件········&

10、#183;······································44.3普通晶闸管的保护措施·········

11、;······································45电力晶体管··········

12、3;················································45.1电力晶体管工

13、作原理················································55.2电力晶体管

14、的主要参数·············································66电力晶体管的驱动与保护··

15、···········································76.1 GTR基极驱动电路····

16、3;·············································76.2集成化驱动···&

17、#183;·················································&

18、#183;··76.3 GTR的保护电路·············································

19、·······7第三章 三相半波相控整流电路········································

20、83;·····91 电阻性负载···········································&

21、#183;··············92 三相半控桥触发电路·································&

22、#183;················122.1模拟与数字触发电路·······························

23、;·················12第四章 整流器件的选择及型号的确定·····························

24、3;··········13总结·······································

25、······························14致谢···················&#

26、183;·················································15

27、参考文献·················································&#

28、183;···············16第一章 技术论证三相可控整流电路的控制量可以很大，输出电压脉动较小，易滤波，控制滞后时间短，因此在工业中几乎都是采用三相可控整流电路。在电子设备中有时也会遇到功率较大的电源，例如几百瓦甚至超过12kw的电源，这时为了提高变压器的利用率，减小波纹系数，也常采用三相整流电路。另外由于三相半波可控整流电路的主要缺点在于其变压器二次侧电流中含有直流分量，为此在应用中较少。而采用三相桥式全控整流电路，可以有效的避免

29、直流磁化作用。实际中，由于三相相控桥式整流电路输出电压脉动小、脉动频率高、网侧功率因数高以及动态响应快，在中、大功率领域中获得了广泛应用，但是三相半波相控整流电路是基础，其分析方法对研究其他整流电路非常有益。第二章电力电子器件1电力电子器件简介20世纪50年代，电力电子器件主要是汞弧闸流管和大功率电子管。60年代发展起来的晶闸管，因其工作可靠、寿命长、体积小、开关速度快，而在电力电子电路中得到广泛应用。70年代初期，已逐步取代了汞弧闸流管。80年代，普通晶闸管的开关电流已达数千安，能承受的正、反向工作电压达数千伏。在此基础上，为适应电力电子技术发展的需要，又开发出门极可关断晶闸管、双向晶闸管、

30、光控晶闸管、逆导晶闸管等一系列派生器件，以及单极型MOS功率场效应晶体管、双极型功率晶体管、静电感应晶闸管、功能组合模块和功率集成电路等新型电力电子器件。 各种电力电子器件均具有导通和阻断两种工作特性。功率二极管是二端(阴极和阳极)器件，其器件电流由伏安特性决定，除了改变加在二端间的电压外，无法控制其阳极电流，故称不可控器件。普通晶闸管是三端器件，其门极信号能控制元件的导通，但不能控制其关断，称半控型器件。可关断晶闸管、功率晶体管等器件，其门极信号既能控制器件的导通，又能控制其关断，称全控型件。后两类器件控制灵活，电路简单，开关速度快，广泛应用于整流、逆变、器斩波电路中，是电动机调速、发电机励

31、磁、感应加热、电镀、电解电源、直接输电等电力电子装置中的核心部件。这些器件构成装置不仅体积小、工作可靠，而且节能效果十分明显(一般可节电10%40%)。 单个电力电子器件能承受的正、反向电压是一定的，能通过的电流大小也是一定的。因此，由单个电力电子器件组成的电力电子装置容量受到限制。所以，在实用中多用几个电力电子器件串联或并联形成组件，其耐压和通流的能力可以成倍地提高，从而可极大地增加电力电子装置的容量。器件串联时，希望各元件能承受同样的正、反向电压；并联时则希望各元件能分担同样的电流。但由于器件的个异性，串、并联时，各器件并不能完全均匀地分担电压和电流。所以，在电力电子器件串联时，要采取均压

32、措施；在并联时，要采取均流措施。 电力电子器件工作时，会因功率损耗引起器件发热、升温。器件温度过高将缩短寿命，甚至烧毁，这是限制电力电子器件电流、电压容量的主要原因。为此，必须考虑器件的冷却问题。常用冷却方式有自冷式、风冷式、液冷式(包括油冷式、水冷式)和蒸发冷却式等。2电力电子器件分类2.1按照电力电子器件能够被控制电路信号所控制的程度分类：1.半控型器件，例如晶闸管； 2.全控型器件，例如GTO（门极可关断晶闸管）、GTR（电力晶体管），MOSFET（电力场效应晶体管）、IGBT（绝缘栅双极晶体管）；3.不可控器件，例如电力二极管。2.2按照驱动电路加在电力电子器件控制端和公共端之间信号的

33、性质分类：1.电压驱动型器件，例如IGBT、MOSFET、SITH（静电感应晶闸管）；2.电流驱动型器件，例如晶闸管、GTO、GTR。2.3按照驱动电路加在电力电子器件控制端和公共端之间的有效信号波形分类：1.脉冲触发型，例如晶闸管、GTO；2.电子控制型，例如GTR、MOSFET、IGBT。2.4 按照电力电子器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的情况分类：1.单极型器件，例如电力二极管、晶闸管、GTO、GTR；2.双极型器件，例如MOSFET、IGBT； 3.复合型器件，例如MCT（MOS控制晶闸管）。3电力电子器件优点电力二极管：结构和原理简单，工作可靠；晶闸管：承受电压和电流容量在所有

34、器件中最高；IGBT：开关速度高，开关损耗小，具有耐脉冲电流冲击的能力，通态压降较低，输入阻抗高，为电压驱动，驱动功率小；缺点：开关速度低于电力MOSFET,电压，电流容量不及GTO GTR：耐压高，电流大，开关特性好，通流能力强，饱和压降低；缺点：开关速度低，为电流驱动，所需驱动功率大，驱动电路复杂，存在二次击穿问题GTO：电压、电流容量大，适用于大功率场合，具有电导调制效应，其通流能力很强；缺点：电流关断增益很小，关断时门极负脉冲电流大，开关速度低，驱动功率大，驱动电路复杂，开关频率低MOSFET：开关速度快，输入阻抗高，热稳定性好，所需驱动功率小且驱动电路简单，工作频率高，不存在二次击穿

35、问题；缺点：电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过10kW的电力电子装置。 制约因素：耐压，电流容量。4晶闸管4.1普通晶闸管的基本工作原理普通晶闸管T在工作过程中，它的阳极A和阴极K与电源和负载连接，组成普通晶闸管的主电路，普通晶闸管的门极G和阴极K与控制普通晶闸管的装置连接，组成普通晶闸管的控制电路。4.2普通晶闸管的工作条件1. 普通晶闸管承受反向阳极电压时，不管门极承受何种电压，普通晶闸管都处于关断状态。2. 普通晶闸管承受正向阳极电压时，仅在门极承受正向电压的情况下普通晶闸管才导通。3. 普通晶闸管在导通情况下，只要有一定的正向阳极电压，不论门极电压如何，普通晶闸管保持导通，即普

36、通晶闸管导通后，门极失去作用。4. 普通晶闸管在导通情况下，当主回路电压（或电流）减小到接近于零时，普通晶闸管关断。4.3普通晶闸管的保护措施普通晶闸管的主要缺点：过流、过压能力很差。普通晶闸管的热容量很小：一旦过流，温度急剧上升，器件被烧坏。普通晶闸管承受过电压的能力极差：电压超过其反向击穿电压时，即使时间极短，也容易损坏。正向电压超过转折电压时，会产生误导通，导通后的电流较大，使器件受损。（1）过流保护措施快速熔断器：电路中加快速熔断器。过流继电器：在输出端串接直流过电流继电器过流截止电路：利用电流反馈减小普通晶闸管的 导通角或停止触发，从而切断过流电路。（2）过压保护阻容吸收：利用电容吸

37、收过压。即将过电压的能量变成电场能量储存到电容中，然后由电阻消耗掉。5电力晶体管电力晶体管按英文Giant Transistor直译为巨型晶体管，是一种耐高电压、大电流的双极结型晶体管（Bipolar Junction TransistorBJT），所以有时也称为Power BJT；其特性有：耐压高，电流大，开关特性好，但驱动电路复杂，驱动功率大；GTR和普通双极结型晶体管的工作原理是一样的。GTR是一种电流控制的双极双结大功率、高反压电力电子器件，具有自关断能力,产生于本世纪70年代，其额定值已达1800V/800A/2kHz、1400v/600A/5kHz、600V/3A/100kHz。它

38、既具备晶体管饱和压降低、开关时间短和安全工作区宽等固有特性，又增大了功率容量，因此，由它所组成的电路灵活、成熟、开关损耗小、开关时间短，在电源、电机控制、通用逆变器等中等容量、中等频率的电路中应用广泛。GTR的缺点是驱动电流较大、耐浪涌电流能力差、易受二次击穿而损坏。在开关电源和UPS内，GTR正逐步被功率MOSFET和IGBT所代替。它的符号如图1,和普通的NPN晶体管一样。5.1电力晶体管工作原理在电力电子技术中，GTR主要工作在开关状态。GTR通常工作在正偏(Ib0)时大电流导通；反偏(Ib0时处于截止状态。因此，给GTR的基极施加幅度足够大的脉冲驱动信号，它将工作于导通和截止的开关状态

39、。电力晶体管的基本特性(1)静态特性 共发射极接法时可分为三个工作区： 截止区。在截止区内，iB0，uBE0，uBC0，集电极只有漏电流流过。 放大区。iB 0，uBE0，uBC0，iC =iB。 饱和区。iB Ics/，uBE0，uBC0，iCS是集电极饱和电流，其值由外电路决定。 结论：两个PN结都为正向偏置是饱和的特征。饱和时，集电极、发射极间的管压降uCE很小，相当于开关接通，这时尽管电流很大，但损耗并不大。GTR刚进入饱和时为临界饱和，如iB继续增加，则为过饱和，用作开关时，应工作在深度饱和状态，这有利于降低uCE和减小导通时的损耗。 (2)动态特性 图2.1 GTR共发射极接法的输

40、出特性   图2.1GTR开关特性 GTR在关断时漏电流很小，导通时饱和压降很小。因此，GTR在导通和关断状态下损耗都很小，但在关断和导通的转换过程中，电流和电压都较大，所以开关过程中损耗也较大。当开关频率较高时，开关损耗是总损耗的主要部分。因此，缩短开通和关断时间对降低损耗、提高效率和提高运行可靠性很有意义。 5.2电力晶体管的主要参数(1)最高工作电压 (2)集电极最大允许电流ICM (3)集电极最大允许耗散功率PCM (4)最高工作结温TJM 二次击穿和安全工作区 (1)二次击穿 二次击穿是影响GTR安全可靠工作的一个重要因素。二次击穿是由于集电极电压升高到一定值(未

41、达到极限值)时，发生雪崩效应造成的。防止二次击穿的办法是：应使实际使用的工作电压比反向击穿电压低得多。必须有电压电流缓冲保护措施。 (2)安全工作区   图2.2 GTR安全工作区以直流极限参数ICM、PCM、UCEM构成的工作区为一次击穿工作区，以USB (二次击穿电压)与ISB (二次击穿电流)组成的PSB (二次击穿功率)是一个不等功率曲线。为了防止二次击穿，要选用足够大功率的GTR，实际使用的最高电压通常比GTR的极限电压低很多。   图2.3 GTR基极驱动电流波形6电力晶体管的保护6.3 GTR的保护电路 开关频率较高，采用快熔保护是无效的。

42、一般采用缓冲电路。主要有RC缓冲电路、充放电型R、C、VD缓冲电路和阻止放电型R、C、VD缓冲电路三种形式，如图2.5所示。    图2.5 GTR的缓冲电路 第三章 三相半波相控整流电路1. 电阻性负载a= 0 °时的工作情况图3.1是三相半波可控整流电路，它是组成其它三相整流电路的基本单元。从图中可见三个晶闸管的阴极连接在一起，这种接法称共阴极接法，这对触发电路有公共线者安排比较方便。图3.1图3.2（a）（e）示出三相半波整流电路的电压、电流波形。图3.2如果将电路中的晶闸管全换成整流管，那么整流元件就在wt1、wt2、wt3处自然换相，并总是换到电压最高的

43、一相上去，相应地输出a相、b相、c相电压。因此相电压的交点就是三相半波电路的自然换相点，即该处的a= 0 °。在wt1wt2期间内，a相电压比b、c相都高。如果在wt1时刻触发晶闸管T1，可使T1导通，此时负载上得到a相电压ua，在wt2wt3期间，b相电压最高，在wt2时刻触发晶闸管T2，可使T2导通，此时T1因承受反向电压而关断，负载上得到b相电压ub，.如此，各晶闸管都按同样的规律依次触发导通并关断前面一个已导通的晶闸管。如图（c）所示，输出的整流电压是三相交流相电压正半周的包络线。 从图（b）可以看出，各晶闸管上的触发脉冲相序应与电源的相序相同。各相触发脉冲依次间隔120 °，每相晶闸管各导电120°，负载电流波形与整流电压波形相同，是连续的。图