电力电子课程设计单相半控桥式晶闸管整流电路的设计.doc

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1、 课程设计任务书学生姓名 学 号 成 绩设计题目单相半控桥式晶闸管整流电路的设计设计内容1、电源电压：交流220V/50Hz2、输出电压范围：20V-50V3、最大输出电流：10A4、电源效率不低于70%设计要求1、具有过流保护功能，动作电流：12A2、具有稳压功能时间安排5月1日至5月3日选题，查找资料，计算参数5月4日至5月5日搭建电路仿真5月6日至5月7日撰写设计报告参考资料1周克宁，电力电子技术北京：机械工业出版社，2004。2黄家善， 电力电子技术北京： 机械工业出版社3王兆安、黄俊，电力电子技术第四版。北京：机械工业出版社，2000。4李 宏，电力电子设备用器件与集成电路应用指南（

2、14册）北京：机械工业出版社，2001 摘 要 随着社会的进步和科学技术的日益发展,人们对电路的要求也越来越高,由于在生产实际中需要大小可调的直流电源,而相控整流电路结构简单、控制方便、性能稳定,利用它可以方便地得到大中、小各种容量的直流电能,是目前获得直流电能的主要方法,因此得到了广泛应用。本次课程设计就是要完成单相桥式半控整流电路的设计，该可调的直流电源的输入电压为交流22OV，50Hz，最大的输出电流为10A，电源效率不低于70%。由于是半控电路，因此会用到晶闸管与电力二极管。文章中分析了其整体结构和工作原理，并详细的讲述了触发电路、过流保护电路等电路的工作原理。给出了控制电路的硬件实现

3、。关键词： 晶闸管,触发电路,电力二极管，过流保护目 录 1 任务提出与方案论证5 1.1 设计要求5 1.2 方案的论证与设计5 1.3 方案的确定62 总体设计7 2.1 总体设计框图7 2.2方框图的论述73 详细设计及仿真8 电路的设计8 晶闸管的结构与工作原理8 电路的工作原理9 整流电路的参数设计10 元器件的选取10 触发电路的设计12 电路1213 电路1414 电路15 4 总结18元器件清单19附图20参考文献211 任务提出与方案论证现在，人们越来越注意用电安全和打造节约型社会，因此，那种大小可调的直流电源越来越受到人们的重视。此次设计的任务就是设计一个基于单相桥式半控整

4、流电路的可调直流电源。1.1 设计要求1、电源电压：交流220V/50Hz 2、输出电压范围：20V-50V 3、最大输出电流：10A 4、具有过流保护功能，动作电流：12A 5、具有稳压功能6、电源效率不低于70% 方案的论证与设计 触发电路是本电路的核心部分，也是一个难点。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有如下要求：(1) 触发电路的触发信号必须在晶闸管门极伏安特性的可靠触发区。同时要求脉冲功率不超过允许瞬时最大功率限制线和平均功率限制线。(2)触发脉冲应具有一定的宽度和幅度，触发脉冲消失前，阳极电流应能上升至擎住电流，保证晶闸管可靠开通。(

5、3)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。(4)触发脉冲与主电路电源必须同步。为了使晶闸管在每一个周期都以相同的控制角被触发导通，触发脉冲必须与电源同步，两者的频率应该相同，而且要有固定的相位关系，以使每一周期都能在同样的相位上触发。对触发电路的选择有以下二种方案：方案一：单结晶体管移相触发电路 单结晶体管构成的触发电路由自激振荡、同步电源、移相、脉冲形成等部分组成。电路如图1-1所示:图1-1单结晶体管移相触发电路图 对于此电路， 改变电位器RP的数值可以调节输出脉冲电压的频率。但是（RV1RS）的阻值不能太小，否则在单结晶体管导通之后，电源经过RV1和RS供给的

6、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。当然，（RV1RS）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（RV1RS）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电的时间常数。R1或C2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C2值太大，由于充电时间常数（RV1RS）C2的最小值决定于最小控制角，则（RV1RS）就必须

7、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。同步电压由变压器获得，而同步变压器与主电路接至同一电源，故同步电压与主电压同相位、同频率，同步电压经桥式整流、稳压管削波为梯形波，而削波后的最大值既是同步信号，又是触发电路电源，使单结晶体管输出的脉冲幅度和每半周产生第一个脉冲。方案二：锯齿波垂直移相相控触发电路 输出可为双窄脉冲（适用于有两个晶闸管同时导通的电路），也可为单窄脉冲。五个基本环节：同步环节、锯齿波的形成和脉冲移相、脉冲的形成与放大 。1.3 方案的确定 经过全方位的对

8、比，使电路的设计更加合理化，切合技术指标的标准，觉得使用方案二比较好。2 总体设计晶闸管相控整流电路中随着触发角的增大，电流中谐波分量相应增大，因此功率因素很低。把逆变电路中的SPWM控制技术用于整流电路，就构成了PWM整流电路。通过对PWM整流电路的适当控制，可以使其输出电流非常接近正弦波，且和输入电压同相位，功率因素近似为1。2.1 总体设计框图 电路组成包括电源模块、控制电路、触发电路以及过流保护电路，如图2-1所示。 负载过流保护电 路电源变流电路 同步电路驱动电路移相控制电路控制电路 图2-1电路组成框图2.2 方框图的论述各部分功能： 控制电路：综合系统信息进行处理，产生和负载所需

9、电压相适应的相位控制信号 同步电路：获得与交流源同步的正弦交流信号,确定各元件自然换相点和移相范围 移相控制电路：由相位控制信号和同步信号结合，产生移相脉冲信号。驱动电路：移相脉冲信号进行整形处理,产生所需的触发脉冲信号 3 详细设计及仿真 在本章节当中，将对本设计中各单元电路的具体设计方案、元器件的选择作进一步论述。主电路的设计 主电路主要包括单相桥式半控整流电路，其结构如图3-1所示。图3-1单相桥式半控整流电路 晶闸管的结构与工作原理 1）晶闸管的结构 晶闸管内部是PNPN四层半导体结构，分别命名为P1、N1、P2、N2四个区。P1区引出阳极A，N2区引出阴极K，P2区引出门极G。四个区

10、形成J1、J2、J3三个PN结。如果正向电压加到器件上，则J2处于反向偏置状态，器件A、K两端之间处于阻断状态，只能流过很小的漏电流；如果反向电压加到器件上，则J1和J3反偏，该器件也处于阻断状态，仅有极小的反向漏电流通过。2）晶闸管的工作原理晶闸管导通的工作原理可以用双晶体管模型来解释，如图2-3所示。如在器件上取一倾斜的截面，则晶闸管可以看作由P1N1P2和N1P2N2构成的两个晶体管V1、V2组合而成。如果外电路向门极注入电流IG，也就是注入驱动电流，则IG流入晶体管V2的基极。即产生集电极电流Ic2，它构成晶体管V1的基极电流，放大成集电极电流Ic1，又进一步增大V2的基极电流，如此形

11、成强烈的正反馈，最后V1和V2进入完全饱和状态，即晶闸管导通。此时如果撤掉外电路注入门极的电流IG，晶闸管由于内部已形成了强烈的正反馈会仍然维持导通状态。而若要使晶闸管关断，必须去掉阳极所加的正向电压，或者给阳极施加反压，或者设法使流过晶闸管的电流降低到接近于零的某一数值以下，晶闸管才能关断。所以，对晶闸管的驱动过程更多的是成为触发，产生注入门极的触发电流IG的电路称为门极触发电路。也正是由于通过其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。晶闸管在以下几种情况下也可能被触发导通：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，

12、即光触发。这些情况除了由于光触发可以保证电路与主电路之间的良好绝缘而应用于高压电力设备之外，其他都因不易控制而难以应用于实践。只有门极触发是最精确、迅速而可靠的控制手段.图3-2 晶闸管的双晶体管模型及其工作原理 电路工作原理 在单向桥式半控整流电路中，VT1和VD4组成一对桥臂，VD2和VT3组成另一对桥臂。在u正半周（即a点电位高于b点电位），若4个管子均不导通，负载电流id为零，ud也为零，VT1、VD4串联承受电压u，设VT1和VD4的漏电阻相等，则各承受u的一半。若在触发角处给VT1加触发脉冲，VT1和VD4即导通，电流从电源a端经VT1、R、VD4流回电源b端。当u过零时，流经晶闸

13、管的电流也降到零，VT1和VD4关断。在u负半周，仍在触发延迟角处触发VD2和VT3，VD2和VT3导通，电流从电源b端流出，经VT3、R、VD2流回电源a端。到u过零时，电流又降为零，VD2和VT3关断。此后又是VT1和VD4导通，如此循环地工作下去。晶闸管承受的最大正向电压和反向电压分别为U和U。由于在交流电源的正负半周都有整流输出电流流过负载，故该电路为全波整流。在u一个周期内，整流电压波形脉动2次，脉动次数多于半波整流电路，该电路属于双脉波整流电路。整流电压平均值为=0时，Ud=Ud0=0.9U；=1800时，Ud=0。向负载输出的直流电流平均值为管子VT1、VD4和VD2、VT3轮流

14、导电，流过管子的电流平均值只有输出直流电流平均值的一半，即流过晶闸管的电流有效值为3.1.3整流电路参数计算由于设计要求单相桥式半控整流电路输出电压范围为2050伏连续可调，即可得变压器二次侧电压：U=55.6V。又电源效率不低于70%，则控制角范围为0-90度。 元器件选取由于单相桥式全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。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

15、（23）UTM 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(AV) 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，即使正向电流值没有超过额定值，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

16、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IT(AV) 、ITM ITn 三者之间的关系： 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。 额定状态下， 晶闸管的电流波形系数： 晶闸管承受最大电压为考虑到2倍裕量，取157V.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ITnIT(AV) （1.52）ITM 因为,则晶闸管的额定电流为=7.07A(输出电流的有效值为最小值，所以该额定电流也为最小值)考虑到2倍裕量,取1

17、4.1A.即晶闸管的额定电流至少应大于14.1A.、 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0.4V1.2V。 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

18、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。主电路输出波形如下：控制角a等于0时的波形控制角a等于45度时的波形 触发电路的设计 触发电路有五个基本环节：同步环节、锯齿波的形成和脉冲移相、脉冲的形成与放大。下面分别介绍。 同步电路 同步电路如图3-3所示。图3-3同步电路1.同步信号：由同步变压器得到，其与主电路电源的频率相同且相位关系确定。2.电路组成：R1,C1,D1,D2和Q1组成3.工作过程: 在电源

19、电压负半周下降段时，D1导通，C1端电压随电源电压变化，Q1晶闸管基极为反向偏置,Q1截止;电源电压进入负半周上升段时，D1截止，E电源经过R1为C1反向充电，因选取的时间常数较大，uc1上升较缓慢，当上升到约1.4V时，Q1从截止转为导通状态，uc1钳位。直至再次过零变负，重复上述过程 锯齿波形成电路图如3-3所示。1.组成电路：由Q1、Q2、Q3、R3、R5、C2、RV1、D3组成；其中： Q1、 RV1、D3组成恒流源；Q3、R5为射级输出器。2.工作过程:Q1导通时，电容C2经R3迅速放电， uc2近于零。在Q1转为截止时，恒流源以电流I1c给电容uc2充电，则uc2两端电压线性增长，

20、直到Q1再次饱和导通， C2放电为止.同步开关Q1周期性变化时，C2端形成一锯齿波。锯齿波是由开关Q1管控制.3.锯齿波特性:锯齿波的频率由同步变压器所接的交流电压以及Q1管的开关频率决定;锯齿波起点基本就是同步电压由正变负的过零点,斜率由RV1调节;锯齿波宽度即Q1截止状态持续的时间，取决于充电时间常数R1C1.移相控制电路 移相控制电路由Q3、Q4组成，移相控制有三个信号：偏移电压up，锯齿波uh,控制电压uk。三个信号叠加控制Q4。通过调节up使形成的电压在控制角为90度时过零。 移相控制电路如图3-4所示。图3-4 移相控制电路脉冲形成电路 脉冲形成电路如图3-5所示。图3-5脉冲形成

21、电路1. 组成电路：Q4、Q5组成脉冲形成环节， Q6、Q7组成脉冲放大环节。uk加在Q4基极上。 2.工作原理:up+uh+uk0时,Q4截止、Q5饱和导通，Q6、Q7处于截止状态，无脉冲输出，电容C3充电，充满电后电容两端电压接近2E;up+uh+uk0时,Q4导通,C3端电位由+E(15V)下降到1V左右，Q5基极电位下降到-2E， Q5立即截止。，Q5集电极电位由-E上升到2.1V，Q6、Q7导通输出脉冲. 晶闸管的保护电路第一种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

22、过电流的数值。第二种是在适当的地方安装保护器件，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。R-C阻容吸收回路如图3-6所示。图3-6 R-C阻容吸收回路 图中，晶闸管关断，VT从零上升时，经二极管D1对电容C1充电，减缓VT上升速度，防止晶闸管关断时dv/dt过大造成二极管误导通。晶闸管再次导通时，电阻R1能减小晶闸管导通时电容C1对开关管的放电电流。同时，R1又能阻尼电路震荡。这次的课程设计采用的是第二种保护电路。（1）晶闸管变流装置的过电流保护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

23、热器的传导途径中要遭受到一系列热阻，所以一旦过电流，结温上升很快，特别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，晶闸管承受过载或短路电流的能力主要受结温的限制。可用作过电流保护电路的主要有快速熔断器，直流快速熔断器和过电流继电器等。在此我们采用快速熔断器措施来进行过电流保护。 采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。在选择快熔时应考虑：1）电压等级应根据熔断后快速熔断器实际承受的电压来确定。2）电流容量应按其在主电路中的接入方式和主电路联结形式确定。快速熔断器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）快速熔断器

24、的值应小于被保护器件的允许值、4）为保证熔体在正常过载情况下不熔化，应考虑其时间电流特性。因为晶闸管的额定电流为10A,快速熔断器的熔断电流大于1.5倍的晶闸管额定电流，所以快速熔断器的熔断电流为15A。（2）晶闸管变流装置的过电压保护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两类。外因过电压主要来自雷击和系统中的操作过程等外部原因，内因过电压主要来自电力电子装置内部器件的开关过程，过电压保护有避雷器保护，利用非线性过电压保护元件保护，利用储能元件保护，利用引入电压检测的电子保护电路作过电压保护。在此我们采用储能元件保护即阻容保护。 单相阻容保护的计算公式如下： S:变压器每相平

25、均计算容量（VA）U：变压器副边相电压有效值 （V）i%:变压器激磁电流百分值U%：变压器的短路电压百分值。当变压器的容量 在（10-1000）KVA里面取值时i%=（4-10）在里面取值，U%=（5-10）里面取值。电容C的单位为F，电阻的单位为欧姆电容C的交流耐压U：正常工作时阻容两端交流电压有效值。 阻容电路中C越大，R越小过电压保护作用就越好。各点波形如图：4 总结 在这次设计中我的收获很多，从方案构思到方案的确定，电路的制作以及论文的撰写和整理，我抓住了每一个提高自己的机会，每一个环节都是提高我专业和综合能力的机会。这次课程设计让我明白了很多关于电力电子技术方面的知识，尤其是在书本中

26、介绍不完全的。要完成这次课程设计，仅仅靠书本知识是远远不够的，所以我查阅了很多关于电力电子的书籍，并且也通过网络查到了很多有关电力电子的知识。对于课程设计的内容，首先要做的应是对设计内容的理论理解，在理论充分理解的基础上，才能做好课程设计，才能设计出性能良好的电路。设计过程中，我明白了整流电路，尤其是单相桥式半控整流电路的重要性以及整流电路设计方法的多样性。刚拿到题目时感觉很简单，但做的过程中困难重重，如仿真时晶闸管、触发脉冲和示波器的参数设置，这次课程设计使我明白了理论与实践之间的遥远。 在本次设计的过程中，我遇见了很多的问题，给我的感觉就是很难，很不顺手，看似很简单的电路，要动手把它给设计

27、出来，是很难的一件事，主要原因是我们没有经常动手设计过电路，还有资料的查找也是一大难题，这就要求我们在以后的学习中，应该注意到这一点，更重要的是我们要学会把从书本中学到的知识和实际的电路联系起来，这不论是对我们以后的就业还是学习，都会起到很大的促进和帮助。当然遇到问题的过程，也是解决问题的过程，通过查阅和搜集资料，在这个过程中我慢慢的学会了如何独立去完成任务，同时也付出了很多的努力和辛苦，力求把每一个环节做到最完美。 我相信，通过这次的课程设计，在下一阶段的学习中我会更加努力。同时，通过本次课程设计，巩固了我们学习过的专业知识，也使我们把理论与实践从真正意义上相结合了起来。元器件清单电阻15个

28、：12K欧姆4个，4.7K欧姆1个，200欧姆2个，6.2K欧姆2个，10K欧姆1个,8.2K欧姆1个,30K欧姆1个,10欧姆3个二极管8个三极管7个：1个PNP型，8个NPN型滑动变阻器POT-HG 2个干电池四个：10V一个，15V三个稳压管1个晶闸管2个变压器1个附图：参考文献1康华光，陈大钦. 电子技术基础模拟部分（第五版）M. 北京：高等教育出版社，20052王廷才.电力电子变流技术 机械工业出版社3刘光序电子报.第37期，2007：3-44曾芳.电力电子变流技术 西安电子科技大学出版社5王新贤通用集成电路速查手册.山东科学技术出版社，2001：156王锁萍.电子设计自动化教程.四川：电子科技大学出版社，20027叶斌.电力电子应用技术及装置.北京：铁道出版社，19998马建国，孟宪元.电子设计自动化技术基础.清华大学出版社,2004