电力电子技术课程设计

1、目录1 设计任务及要求12 方案比较及选择13 设计原理与方法31 晶闸管的介绍32 可关断晶闸管43 晶闸管的派生器件54 辅助电路的设计61 驱动电路的设计62 保护电路的设计105 主体电路的设计131 接阻感性负载132 接反电动势负载143 主要元器件说明146 小结与体会177 参考文献18单相桥式带续流二极管的整流器的设计1 设计任务及要求设计一个单相桥式带续流二极管的整流器设计要求：1.变压器2次侧220V交流电；2. 采用单相桥电路，电阻，电感，电容，晶闸管，单结晶体管，滑线变阻器自选；3.负载要求是电感很大阻感负载以及电动机负载2 方案比较及选择单相桥式整流电路可分为单相桥

2、式相控整流电路和单相桥式半控整流电路，它们所连接的负载性质不同就会有不同的特点。下面分析两种单相桥式整流电路在带电感性负载的工作情况。方案一：单相半控桥式整流电路电路简图如下： 对每个导电回路进行控制，相对于全控桥而言少了一个控制器件，用二极管代替，有利于降低损耗！如果不加续流二极管，当突然增大至180或出发脉冲丢失时，由于电感储能不经变压器二次绕组释放，只是消耗在负载电阻上，会发生一个晶闸管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，另外半周期为Ud为零，其平均值保持稳定，相当于单相半波不可控整流电路时的波形，即为失控。所以必须加续流二极管，以免发生失控现象。方

3、案二：单相全控桥式整流电路（按课题要求加装续流二极管）此电路对每个导电回路进行控制，本来无须用续流二极管，也不会失控现象，负载形式多样，整流效果好，波形平稳，应用广泛。变压器二次绕组中，正负两个半周电流方向相反且波形对称，平均值为零，即直流分量为零，不存在变压器直流磁化问题，变压器的利用率也高。但为了扩大移相范围，使Ud波形不出现负值且输出电流更加平稳，在负载两端并接续流二极管,接续流管后，的移相范围可扩大到0。在这区间内变化，只要电感量足够大，输出电流Id就可保持连续且平稳。在电源电压U2过零变负时，续流管承受正向电压而导通，晶闸管承受反向电压被关断。 经过比较可以发现单项全控桥式整流电路更

4、加稳定，效率更高，故选用方案二。3 设计原理与方法1 晶闸管的介绍晶管又称为晶体闸流管，可控硅整流（Silicon Controlled Rectifier-SCR），开辟了电力电子技术迅速发展和广泛应用的崭新时代; 20世纪80年代以来，开始被性能更好的全控型器件取代。能承受的电压和电流容量最高，工作可靠，以被广泛应用于相控整流、逆变、交流调压、直流变换等领域，成为功率低频（200Hz以下）装置中的主要器件。晶闸管往往专指晶闸管的一种基本类型-普通晶闸管。广义上讲，晶闸管还包括其许多类型的派生器件1) 晶闸管的结构晶闸管是大功率器件，工作时产生大量的热，因此必须安装散热器。晶闸管有螺栓型和平

5、板型两种封装引出阳极A、阴极K和门极（或称栅极）G三个联接端。对于螺栓型封装，通常螺栓是其阳极，能与散热器紧密联接且安装方便平板型封装的晶闸管可由两个散热器将其夹在中间内部结构:四层三个结如图1.1图1.1 晶闸管的外形、内部结构、电气图形符号和模块外形a)晶闸管外形 b)内部结构 c)电气图形符号 d)模块外形2) 晶闸管的工作原理图晶闸管由四层半导体（P1、N1、P2、N2）组成，形成三个结J1（P1N1）、J2（N1P2）、J3（P2N2），并分别从P1、P2、N2引入A、G、K三个电极，如图1.2(左)所示。由于具有扩散工艺，具有三结四层结构的普通晶闸管可以等效成如图1.2（右）所示的

6、两个晶闸管T1（P1-N1-P2）和（N1-P2-N2）组成的等效电路。图1.2 晶闸管的内部结构和等效电路晶闸管的驱动过程更多的是称为触发，产生注入门极的触发电流的电路称为门极触发电路。也正是由于能过门极只能控制其开通，不能控制其关断，晶闸管才被称为半控型器件。其他几种可能导通的情况：阳极电压升高至相当高的数值造成雪崩效应阳极电压上升率du/dt过高结温较高光直接照射硅片，即光触发：光控晶闸管只有门极触发是最精确、迅速而可靠的控制手段。2 可关断晶闸管可关断晶闸管简称GTO。可关断晶闸管的结构GTO的内部结构与普通晶闸管相同，都是PNPN四层结构，外部引出阳极、阴极和门极如图1.3。和普通晶

7、闸管不同， GTO是一种多元胞的功率集成器件，内部包含十个甚至数百个共阳极的小GTO元胞，这些GTO元胞的阴极和门极在器件内部并联在一起，使器件的功率可以到达相当大的数值。图1.3 GTO的结构、等效电路和图形符号1) 可关断晶闸管的工作原理GTO的导通机理与SCR是完全一样的。 GTO一旦导通之后，门极信号是可以撤除的，在制作时采用特殊的工艺使管子导通后处于临界饱和，而不像普通晶闸管那样处于深饱和状态，这样可以用门极负脉冲电流破坏临界饱和状态使其关断。 GTO在关断机理上与SCR是不同的。门极加负脉冲即从门极抽出电流（即抽出饱和导通时储存的大量载流子），强烈正反馈使器件退出饱和而关断。3 晶

8、闸管的派生器件在晶闸管的家族中，除了最常用的普通型晶闸管之外，根据不同的的实际需要，珩生出了一系列的派生器件，主要有快速晶闸管（FST）、双向晶闸管（TRIAL）、可关断晶闸管（GTO）、逆导晶闸管、（RCT）和光控晶闸管。可关断晶闸管具有普通晶闸管的全部优点，如耐压高，电流大等。同时它又是全控型器件，即在门极正脉冲电流触发下导通，在负脉冲电流触发下关断。故我们选择可关断晶闸管。4 辅助电路的设计1 驱动电路的设计1 触发电路的论证与选择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

9、，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2.1所示。图2.12) 单结晶体管的特性从图一可以看出，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

10、逐渐增加，就可测得单结晶体管的伏安特性，见图2.2：图2.2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Iceo。（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

11、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VeVv，管子重新截止。单结晶体管的主要参数基极间电阻Rbb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

12、饱和压降Veo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。2 触发电路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。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

13、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2.3（a）所示。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2.3（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

14、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2.3（b）所示，图2.3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

15、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.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 脉冲输出 触发脉冲ug由1直接取出，这种方法简单、经济，但触发电路与主电路有直接的电联系，不安全。对于晶闸管串联接法的全控桥电路无法工作。所以一般采用脉冲变压器输出。2 保护电路的设计1 保护电路的论证与选择电力电子系统在发生故障时可能会发生过流、过压，造成开关器件的永久性损坏。过流、过压保护包括器件保护和系统保护两个方面。检测开关器件的电流、电压，保护主电路中的开关器件，防止过流

16、、过压损坏开关器件。检测系统电源输入、输出及负载的电流、电压，实时保护系统，防止系统崩溃而造成事故。例如，R-C阻容吸收回路、限流电感、快速熔断器、压敏电阻或硒堆等。再一种则是采用电子保护电路，检测设备的输出电压或输入电流，当输出电压或输入电流超过允许值时，借助整流触发控制系统使整流桥短时内工作于有源逆变工作状态，从而抑制过电压或过电流的数值。2 过电流保护当电力电子变流装置内部某些器件被击穿或短路；驱动、触发电路或控制电路发生故障；外部出现负载过载；直流侧短路；可逆传动系统产生逆变失败；以及交流电源电压过高或过低；均能引起装置或其他元件的电流超过正常工作电流，即出现过电流。因此，必须对电力电

17、子装置进行适当的过电流保护。采用快速熔断器作过电流保护，其接线图（见图2.4）。熔断器是最简单的过电流保护元件，但最普通的熔断器由于熔断特性不合适，很可能在晶闸管烧坏后熔断器还没有熔断，快速熔断器有较好的快速熔断特性，一旦发生过电流可及时熔断起到保护作用。最好的办法是晶闸管元件上直接串快熔，因流过快熔电流和晶闸管的电流相同，所以对元件的保护作用最好，这里就应用这一方法快熔抑制过电流电路图如下图所示：图2.4 快速熔短器的接入方法A型熔断器特点：是熔断器与每一个元件串连，能可靠的保护每一个元件。B型熔断器特点：能在交流、直流和元件短路时起保护作用，其可靠性稍有降低C型熔断器特点：直流负载侧有故障

18、时动作，元件内部短路时不能起保护作用对于第二类过流，即整流桥负载外电路发生短路而引起的过电流，则应当采用电子电路进行保护。常见的电子保护原理图如2.9所示图2.5 过流保护原理图3 过电压保护设备在运行过程中，会受到由交流供电电网进入的操作过电压和雷击过电压的侵袭。同时，设备自身运行中以及非正常运行中也有过电压出现。过电压保护的第一种方法是并接R-C阻容吸收回路，以及用压敏电阻或硒堆等非线性元件加以抑制。见图2.5和图2.6图2.5阻容三角抑制过电压 图2.6 压敏电阻过压 过电压保护的第二种方法是采用电子电路进行保护。常见的电子保护原图如图2.7所示：图2.7过电压保护电路4 电流上升率、电

19、压上升率的抑制保护1) 电流上升率di/dt的抑制晶闸管初开通时电流集中在靠近门极的阴极表面较小的区域，局部电流密度很大，然后以0.1mm/s的扩展速度将电流扩展到整个阴极面，若晶闸管开通时电流上升率di/dt过大，会导致PN结击穿，必须限制晶闸管的电流上升率使其在合适的范围内。其有效办法是在晶闸管的阳极回路串联入电感。如下图2.8所示:图2.8串联电感抑制回路2) 电压上升率dv/dt的抑制加在晶闸管上的正向电压上升率dv/dt也应有所限制,如果dv/dt过大，由于晶闸管结电容的存在而产生较大的位移电流，该电流可以实际上起到触发电流的作用，使晶闸管正向阻断能力下降，严重时引起晶闸管误导通。为

20、抑制dv/dt的作用，可以在晶闸管两端并联R-C阻容吸收回路。如图2.9所示：图2.9并联R-C阻容吸收回5 主体电路的设计1 接阻感性负载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。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

21、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。单相全控桥式整流电路接续流管后，的移相范围可扩大到0。在这区间内变化，只要电感量足够大，输出电流id就可保持连续且平稳。在电源电压u2过零变负时，续流管承受正向电压而导通，晶闸管承受反向电压被关断。这样ud波形与电阻性负载相同。负载电流id是由晶闸管VT1和VT 3、VT2和VT4、续流管VD相继轮流导通而形成的。uT波形与电阻负载时相同。2 接反电动势负载如图所示，单相桥式全控整流电路接反电动势负载在|u2|E时，才有晶闸管承受正电压，有导通的可能。导通之后Ud=U2.直至|u

22、2|=E，id即降至0,使得晶闸管关断，此后ud=E 。与电阻负载时相比，晶闸管提前了电角度停止导电，称为停止导电角.在角相同时，整流输出电压比电阻负载时大。3 主要元器件说明由于单相桥式全控整流电路的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。1 晶闸管的主要参数如下：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 （3.4.1）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(A

23、V) 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，

24、IT(AV) 、ITM ITn 三者之间的关系： （3.4.2） （3.4.3）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。 （3.4.2）额定状态下， 晶闸管的电流波形系数 （3.4.6）晶闸管承受最大电压为考虑到2倍裕量，取500V.2 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）ITMIT(AV)(1.52) （3.4.7）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

25、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.、 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