单相半控桥式整流电路的设计#借鉴材料

1、郑州应用技术学院课程设计任务书单相半控桥式晶闸管整流电路的设计专业名称和班级编号主要内容、基本要求和主要参考资料等。一、主要内容(1)电源电压：交流220伏/50赫兹(2)输出电压范围：20V-50V(3)最大输出电流：10A(4)供电效率不低于70%二。基本要求1、主要技术指标(1)具有过流保护功能，工作电流12A；(2)具有稳压功能。2.设计要求(1)晶闸管型号的合理选择；(2)完成电路理论设计，绘制电路图、电路图典型波形并进行仿真。二、主要参考资料1王兆安，黄军，电力电子技术(第四版)M，北京：机械工业出版社，2000 .2王兆安，张明训，电力电子设备设计与应用手册(第二版)M，北京：机

2、械工业出版社，2005 .4康，陈大勤，电子技术基础模拟部分(第5版)M，北京：高等教育出版社，2005 .陈志明，电力电子器件基础M，北京：机械工业出版社，2005。吴，模拟电路基础M，北京：北京理工大学出版社，2007。，孟，电力设计自动化技术基础M，北京：清华大学出版社，2004。完成期限：讲师签名：课程负责人签名：一年中的月日1.设计的基本要求1.1主要设计参数和要求：设计要求：1。电源电压：交流220伏/50赫兹2.输出电压范围：20V-50V3.最大输出电流：10A4.过流保护功能，工作电流：12A5.它具有稳压功能6.电源效率不低于70%1.2设计的主要功能单相桥式半控整流电路的

3、工作特点是晶闸管触发导通，当阳极电压高于阴极电压时，整流二极管自然导通。当感性负载电流连续且相控角为90时，单相桥式整流电路可以实现交流电源到直流电源的相控整流。在90时，可以实现将DC送回交流电网的主动逆变。在逆变器有功状态下工作时，相位控制角不应过大，以保证不发生换相失败事故。2.整个系统的设计2.1主电路方案论证方案一：单相半控桥式整流电路(包括续流二极管)虽然单相桥式半控整流电路具有电路简单、调节方便、元件少的优点，但它不会引起失控。在跟踪期间，导电回路中只有一个管电压降，这有利于降低损耗。方案二：单相半控桥式整流二极管(不含续流二极管)无续流二极管的电路具有续流能力，但一旦出现异常，

4、就会导致一个晶闸管和两个二极管之间的交替导通，输出电压失控，这就是所谓的“失控”。失控时的输出电压相当于单相半波不可控整流时的电压波形。由于持续导通，失控的晶闸管很容易因过载而损坏。由于半导体本身具有续流效应，半控制电路只能将交流电能转换为DC电能，而DC电能不能返回交流电能，即能量只能单向传输。经过比较，采用续流二极管的单相半控桥式整流电路能更好地满足设计要求。2.2主电路结构及其工作原理虽然单相桥式半控整流电路具有电路简单、调节方便、元件少的优点，但它也存在整流电压脉动大、输出整流电流小的缺点。使用的电路图如下图2.1所示。图2.1主电路结构示意图在交流输入电压u2的正半周(端子A为正)，

5、Th1和D1承受直流电压。此时，如果触发信号被引入到晶闸管Th1，则Th1和D1之间的传导电流的路径是u2 Th1RD1u2-。此时，由于反向电压，Th2和D1都被终止。类似地，在电压u2的负半周期中，Th2和D2受到直流电压。此时，如果触发信号被引入晶闸管Th2，则Th2和D2导通，并且电流路径是u2-Th2RD2u2。此时，Th1和D1处于关闭状态。显然，与单相半波整流相比，桥式整流电路的输出电压平均值是单相半波整流的两倍，即输出电压的平均值：输出电流平均值：2.3参数计算平均输出电压：U=0.9U2平均输出电流：=Ud/Ra)流经晶闸管的电流有效值：I=/波形因数：K=I/=/2交流侧相

6、电流有效值为：我=我飞轮电流有效值：我=我当设置为0时，U2=220v，pOutput=50V10A=500W。ud=0.9 U2(1)/2=198伏Id=输出功率/Ud=10.8安。Kf=IVT/Id=/2=0.707，晶闸管的额定电流为：IT=Kf Id/1.57=2.5A，取电流安全储备的2倍，考虑晶闸管元件的额定电流系列，取5A。晶闸管元件U2的额定电压=100=141.4伏，是电压安全储备的2 3倍，并考虑晶闸管的额定电压系列，300伏点菜时间，在IVT=身份证=身份证=10.8的情况下，此时，流经续流二极管的最大电流为10.8安，为电流安全储备的2倍，晶闸管元件的额定电流系列为20

7、安.续流二极管两端的最大电压为Ud=220V伏，取电压安全储备的2 3倍，考虑晶闸管的额定电压系列为220伏.因此，选择额定电压为220伏、额定电流为20A的晶闸管和二极管，电感为无穷大，L=150H，R=20。3.硬件电路3.1系统总体原理框图在单相半控桥式整流电路的设计中，首先分析电路原理，通过分析并结合具体的性能指标找出相应的参数，然后在Matlab仿真软件中建立仿真模型。仿真模型采用交流输入电源和晶闸管、二极管作为整流器件。通过不断的仿真、调试和参数的不断修改，我们知道它满足了正确的参数要求。系统原理框图如下图2.1所示相应的波形示意图如图3.1所示图3.1系统原理框图图3.2波形示意

8、图3.2驱动电路3.2.1驱动电路方案方案一：采用专用集成芯片产生驱动信号。专用集成电路对整个系统非常好：集成度高，不易产生各种干扰；所产生的驱动信号具有较高的精度，这对于系统的精度来说更加方便：简单、方便、易于实现。然而，专用集成电路价格昂贵且难以购买。利用特殊的芯片产业锻炼个人能力很难达到这种效果。方案二：由LM339和ICL8083组成的驱动电路虽然不是很有效，但完全由硬件驱动，可以更好地培养人们的知识应用和能力发展。比较这两个方案，我选择第二个方案。3.2.2驱动电路的设计晶闸管门极的触发信号由触发电路提供，因为晶闸管电路有多种，如整流、逆变、交流调压、变频等；负载的性质也是不同的，如

9、电阻负载、电阻-电感负载、反电动势负载等等。虽然不同的条件对触发电路有不同的要求，但它们的基本要求是相同的，如下所示a)触发信号应有足够的功率这些指标已经在产品样本中标注出来，因为晶闸管元件的门极参数分布广泛，触发电压和电流对手温的影响也会发生变化。例如，当元件温度为100时，触发电流和电压值比室温下低2-3倍；-400时的触发电流和电压比室温时高2-3倍。为了使元件在各种工作条件下可靠地触发，触发电路的输出电压和电流值可以参考元件的工厂实验数据或产品目录设计成一定的裕度。一般来说，触发电流的裕量应该是两倍左右，触发电压应该根据触发电流的大小来确定，但是要注意不要超过晶闸管门电路允许的峰值功率

10、和平均功率的极限值。b)触发脉冲信号应具有一定的一般来说，普通晶闸管的导通时间为6us，因此触发脉冲的宽度至少应为6us。对于感性负载，触发脉冲的宽度应该更大，通常为0.5毫秒1毫秒1毫秒，因为电感会抑制电流的上升。否则，当脉冲终止时，当主电路电流没有上升到晶闸管的保持电流时，晶闸管将不能导通并再次恢复关断状态。单结晶体管原理单结晶体管(UJT)，也称为基极二极管，是一种只有PN结和两个电阻接触电极的半导体器件。其衬底为条形高电阻N型硅片，两端通过欧姆接触引出两个基极b1和b2。在硅片中间，用合金法制作了一个p区作为发射极e。其符号和等效电量如下图3.3所示。图3.3单结晶体管的符号和等效电路

11、图结型晶体管的特性从图1可以看出，两个基极b1和b2之间的电阻被称为基极电阻。Rbb=rb1 rb2其中：Rb1的第一基极和发射极结之间的电阻随发射极电流ie变化，rb2是第二基极和发射极结之间的电阻，与ie无关；发射极结是一个PN结，相当于一个二极管。如果在双面和三极基极b2和b1之间施加正电压Vbb，则点A处的电压为：VA=Rb1/(Rb1 rb2)Vbb=(Rb1/rbb)Vbb=Vbb在公式中，称为分压比，其值一般在0.3和0.85之间。如果发射极电压VE从零开始逐渐增加，可以测量单结晶体管的伏安特性，如图3.4所示图3.4单结晶体管的伏安特性(1)当ve vbb时，发射极结处于反向偏

12、置，管被切断，发射极只有很小的漏电流Iceo。(2)当Ve vbbvd为二极管正向压降(约0.7V)时，PN结正向导通，Ie显著增大，rb1电阻迅速减小，Ve相应减小。该电压随着电流的增加而降低，这被称为负电阻特性。从截止区进入负阻区的管的临界P称为峰值点，相应的发射极电压和电流分别称为峰值电压Ip和峰值电流Ip。Ip是正向漏电流，即开启单结晶体管所需的最小电流，显然Vp=Vbb。(3)随着发射极电流Ie的增加，Ve不断减小。下降到V后，Ve不再下降。这个电压称为谷值点，它对应的发射极电压和电流称为谷值点电压Vv和谷值点电流Iv。(4)在V之后，发射极和第一基极之间的半导体中的载流子达到饱和状

13、态，因此当uc继续增加时ie缓慢上升。显然，Vv是保持单结晶体管导通的最小发射极电压。如果VE VV，试管再次关闭。单结晶体管的主要参数(1)基极间电阻当发射极开路时，基极b1和b2之间的电阻一般为210千欧姆，其值随温度的升高而增大。(2)分压比是由管道内部结构决定的参数，一般为0.30.85。(3)3)eb1之间的反向电压Vcb1 b2断开，基极b1和发射极E之间的反向电压在额定反向电压Vcb2下承受。(4)反向电流Ieo b1开路，eb2之间的反向电流低于额定反向电压Vcb2。(5)当发射极饱和压降Veo处于最大发射极额定电流时，eb1之间的压降。(6)峰值电流当发射极电压是Ip单结晶体

14、管刚刚导通时的峰值电压时的发射极电流。单结晶体管电路如图3.5所示，波形图如图3.6所示图3.5单结晶体管触发电路图图3.6触发信号波形3.3保护电路3.3.1变压器次级侧的保险丝快速熔断器是电力电子设备中最有效、应用最广泛的过流保护措施。选择快速保险丝时，请考虑：(1)电压等级应根据熔断后快速熔断器的实际电压来确定。(2)电流容量应根据其在主电路中的接入方式和主电路的连接形式来确定。快速熔断器通常与功率半导体器件串联连接，并且还可以由于晶闸管额定电流为10A，快速熔断器的电流是晶闸管额定电流的1.5倍以上，所以快速熔断器的熔断电流为15A。3.3.2晶闸管保护电流过流保护：当电力电子变换器中

15、的某些器件发生故障或短路时；驱动、触发电路或控制电路故障；外部负载过载；DC一侧短路；可逆传动系统的反转故障；交流电源电压过高或过高；它会导致设备或其他组件的电流超过正常工作电流，即发生过流。因此，必须对电力电子设备进行适当的过电流保护。保护原理图如下图3.7所示。过电压保护：在运行过程中，设备会受到来自交流供电网络的运行过电压和雷电过电压的攻击。同时，过电压也发生在设备本身的运行和异常运行期间。因此，必须对电力电子设备进行适当的过电压保护。保护原理图如下图3.8所示。图3.7过流保护示意图图3.8过压保护示意图4.电路元件的选择4.1变压器的选择电源电压：220伏/50赫兹，输出电压：20伏

16、-50伏，输出电流：10A，r=5。变压器一次侧和二次侧电流：P=Ud/R Ud=50V P=IdR Id=10AU1/U2=220/100=11/5 N1/N2=11/5 I2=5Id/6=25/3A变压器容量计算：s=U1I 1=10025/3=833.33千伏变压器型号的选择：N1:N2=11/5 S=833.33KV.A4.2整流器元件的选择由于单相桥式半控反电动势和电阻负载电路的主要器件是晶闸管，元件的选择主要考虑晶闸管的参数和选择原则。4.2.1晶闸管结构晶闸管是一种大功率半导体器件，从介质结构的角度可以分为两部分：管芯和散热器，如下图4.1 (a)、(b)和(c)所示(a)螺栓类型(b)平板类型(c)符号图4.1晶闸管芯片和符号表示芯片是晶闸管的主体部分，由半导体材料制成，最后一个电极可与外部电路相连：阳极A、阴极K和栅极(或控制电极)G。晶闸管芯片的内部结构如图4.2所示，是一个四层(P1-N1-P2-N2)三端(A、K、G)的功率半导体器件。在该方法中，p型半导体杂质层(P1和P2)在n型硅衬底(N1)的两侧扩散，以形成两个PN结J1和J2。然后，n型半导体杂质层N2