单相半控桥式晶闸管整流电路设计-课程论文.docx

单相半控桥式晶闸管整流电路设计 前 言 随着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,得到了广泛应用。在电能的生产和传输上，目前是以交流电为主。电力网供给用户的是交流电，而在许多场合，例如电解、蓄电池的充电、直流电动机等，需要用直流电。要得到直流电，除了直流发电机外，最普遍应用的是利用各种半导体元件产生直流电。这个方法中，整流是最基础的一步。整流，即利用具有单向导电特性的器件，把方向和大小交变的电流变换为直流电。整流的基础是整流电路。由于电力电子技术是将电子技术和控制技术引入传统的电力技术领域，利用半导体电力开关器件组成各种电力变换电路实现电能和变换和控制，而构成的一门完整的学科。故其学习方法与电子技术和控制技术有很多相似之处，因此要学好这门课就必须做好课程设计，因而我们进行了此次课程设计。又因为整流电路应用非常广泛，而单相半控桥式晶闸管整流电路又有利于夯实基础，故我们将单结晶体管触发的单相晶闸管半控整流电路这一课题作为这一课程的课程设计的课题。 摘 要 单向桥式半控整流电路实际上是由单相桥式全控电路简化而来的。在单相桥式全控整流电路中，每一个导电回路中有两个晶闸管，即用两个晶闸管同时导通以控制导电的回路。但实际上为了对每个导电回路进行控制，只需要一个晶闸管就行了，另一个晶闸管可以用二级管代替，从而得到单向半控桥式整流电路。 除了用二极管代替晶闸管以外，该电路在实际应用中需加设续流二极管RVD，以避免可能发生的失控现象。实际运行中，若无续流二极管，则当a突然增大至180o或触发脉冲丢失时，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du成为正弦半波，即半周期du为正弦，另外半周期du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。有续流二极管RVD时，续流过程由RVD完成，在续流阶段晶闸管关断，这就避免了某一个晶闸管持续导通从而导致失控的现象。总的来说，单相桥式半控整流电路具有电路简单、调整方便、使用元件少等优点，而且不会导致失控显现，续流期间导电回路中只有一个管压降，少了一个管压降，有利于降低损耗。 关键字：单相，半控，续流二极管 AbstractChanXiangQiao type half controlled rectifier circuit is actually made up of single-phase bridge type all control circuit is simplified. Single-phase bridge type all control the rectifier circuit, each electrical circuit has two thyristor, in which two thyristor conduction to control electric circuit at the same time. But in fact, in order to control each conductive loop, need only a thyristor, another thyristor diode can be used instead, one-way half controlled bridge rectifier circuit is obtained. In addition to using diode instead of thyristor, the electric circuit in the actual application needs to be added a fly-wheel diode RVD, in order to avoid the possibility of out of control phenomenon. In actual operation, without the fly-wheel diode, is when the a suddenly increases to 180 o or trigger pulse is lost, will happen a thyristor continuous conduction and two diode conduction in turn, this makes du sine half-wave, du half a cycle of sine, another half cycle du is zero, the average constant, equivalent to a single phase half wave of uncontrolled rectifier circuit waveform, called the out of control. A fly-wheel diode RVD, postproduction process completed by RVD, the fly-wheel phase thyristor turn-off, this avoids a thyristor conduction and lead to runaway phenomenon. In general, single phase bridge type half controlled rectifier circuit has simple circuit, convenient adjustment, the advantages of less component, and does not lead to out of control, stream during the conductive loop only one pipe pressure drop, a pipe pressure drop, less conducive to reduce wear and tear. Key words: single phase， half controlled， fly-wheel diode 目 录前 言I摘 要II一、工作原理11.1单相半控桥式晶闸管可控整流电路（阻感负载）（无续流二极管）11.2驱动电路的设计3二、基本电量计算62.1 通过变压器副边绕组的电流有效值I262.2 流过晶闸管和整流管的电流平均值和有效值分别为6三、参数计算73.1单相半控桥式晶闸管可控整流电路（阻感负载）（无续流二极管）7四、仿真电路及仿真结果94.1阻感负载（无续流二极管）仿真电路图：94.2阻感负载（无续流二极管）仿真结果波形图10五、小结11六、课程设计心得12七、参考文献13 一、工作原理1.1单相半控桥式晶闸管可控整流电路（阻感负载）（无续流二极管） 图1-1 阻感性负载（无续流二极管）的主电路 假设负载电流因电感足够大而平直，当电源u2正半波，在=时触发,VT1后VT1、VT2导通，电流通路为A- VT1-L-R- VT2-B,电流由电源提供；当=后，电源电压u2经零变负，但由于电感电势的作用，电流仍将继续，电感通过R-VD1-VT1回路放电。在=处，二极管VD2电流给VD1，电流iVD2及i2终止，在=（+）区间电流由电感释放电能提供。当=（+）时触发VT2导通，由于VT2的导通才能使VT1承受反压而关断，其后的工作过程与前半周类似。由此可见，VT1触发导通后，需VT2的触发导通才能关断。因此流过晶闸管的电流在一个周期内各占一半，其换流时刻由门极触发脉冲决定；而二极管VD1、VD2的导通与关断仅由电源电压的正负半波决定，在=n(n为正整数)处换流，所以单相半控桥式整流电路电感负载时各元件导通角均为1800，电源在区间内停止对负载供电。半控桥式整流电路中的整流二极管VD1、VD2本身兼有续流二极管的作用，因此电路中不需另加续流二极管。但如果在工作中出现异常，比如VT2的触发脉冲消失，则VT1由于电感续流作用将不能关断，等到下一个正半波到来时，VT1无需触发仍继续导通，结果是：一只晶闸管与两只二极管之间轮流导电，其输出电压失去控制，这种情况称之为“失控”。失控时的的输出电压相当于单相半波不可控整流时的电压波形。在失控情况下工作的晶闸管由于连续导通很容易因过载而损坏。因为半导体本身具有续流作用，半控电路只能将交流电能转变为直流电能，而直流电能不能返回到交流电能中去，即能量只能单方向传递。同理，带续流二极管的全控电路能量也只能单方向传递。 图1-2 主电路典型的实际输出波形 图1-3 主电路典型的理论输出波形1.2驱动电路的设计 晶闸管门极触发信号由触发电路提供，由于晶闸管电路种类很多，如整流、逆变、交流调压、变频等；所带负载的性质也不相同，如电阻性负载、电阻电感性负载、反电势负载等。尽管不同情况对触发电路的要求也不同，但是其基本的要求却是相同的，具体如下 （a）触发信号应有足够的功率这些指标在产品样本中均已标明，由于晶闸管元件门极参数分散性大，且触发电压、电流手温度影响会发生变化。例如元件温度为1000C时触发电流、电压值比在室温时低23倍；元件温度为-400C时触发电流、电压值比在室温时高23倍；为了使元件在各种工作条件下都能可靠的触发，可参考元件出厂的实验数据或产品目录，设计触发电路的输出电压、电流值，并留有一定的裕量。一般可取两倍左右的触发电流裕量，而触发电压按触发电流的大小来决定，但是应注意不要超过晶闸管门极允许的峰值功率和平均功率极限值。（b）触发脉冲信号应有一定的宽度 普通晶闸管的导通时间一般为6us，故触发脉冲的宽度至少应有6us以上，对于电感性负载，由于电感会抑制电流的上升，触发脉冲的宽度应该更大些，通常为0.5ms1ms，否则在脉冲终止时主电路电流还未上升到晶闸管的擎住电流时，此时将使晶闸管无法导通而重新恢复关断状态。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，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。其符号和等效电如下图1.3所示。 图1-3 电路典型的单结晶体管的符号和等效电路图从图13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由零逐渐增加，就可测得单结晶体管的伏安特性，见图1.4 图1-4 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（1）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。（2）分压比由管子内部结构决定的参数，一般为0.3-0.85。（3）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。（4）反向电流Ieo b1开路，在额定反向电压Vcb2下，eb2间的反向电流。（5）发射极饱和压降Veo在最大发射极额定电流时，eb1间的压降。（6）峰点电流Ip单结晶体管刚导通时，发射极电压为峰点电压时的发射极电流。二、基本电量计算2.1 通过变压器副边绕组的电流有效值I22.2 流过晶闸管和整流管的电流平均值和有效值分别为三、参数计算3.1单相半控桥式晶闸管可控整流电路（阻感负载）（无续流二极管）2）输出功率：500W；3）移相范围：0180。输出电压平均值：U=0.9U2输出电流平均值：= Ud/R流过晶闸管电流有效值I= /波形系数：K= I/=/2交流侧相电流的有效值:I=I令0时，U2=100V，P出=500W。Ud=0.9U2(1+)/2=90V，P出=Ud2/R,得R=16.2，取R=20。Id=P出/Ud=5.56A，Kf=IVT/ Id=/2=0.707，晶闸管的额定电流为：IT= Kf Id/1.57=2.5A,取2倍电流安全储备，并考虑晶闸管元件额定电流系列取5A。晶闸管元件额定电压U2=100=141.4V，取23倍电压安全储备，并考虑晶闸管额定电压系列取300V。所以选择晶闸管和二极管的额定电压为 300V,额定电流为5A的，电感取无穷大，L=150H，R=20。四、仿真电路及仿真结果4.1阻感负载（无续流二极管）仿真电路图： 阻感负载（无续流二极管）利用MATLAB仿真电路图如下图所示： 图4-1 仿真电路图 本仿真图利用MATLAB中的simulink命令画出并仿真，仿真结果如下页图4-2.4.2阻感负载（无续流二极管）仿真结果波形图 阻感负载（无续流二极管）利用MATLAB仿真结果波形图如下图所示： 图4-2 仿真结果波形图 从波形图可以看出本设计中的电路图是符合单相半控桥式晶闸管整流电路设计最终结果的。五、小结对于一个电路的设计，首先应该对它的理论知识很了解，这样才能设计出性能好的电路。整流电路中，开关器件的选择和触发电路的选择是最关键的，开关器件和触发电路选择的好，对整流电路的性能指标影响很大。六、课程设计心得七、参考文献1、樊立萍，王忠庆.电力电子技术.北京:北京大学出版社,20062、徐以荣，冷增祥.电力电子技术基础.南京：东南大学出版社，19993、王兆安,黄俊.电力电子技术.北京：机械工业出版社,20054、童诗白.模拟电子技术.北京:清华大学出版社, 20015、阎石.数字电子技术.北京:清华大学出版社, 19986、邱关源.电路.北京：高等教育出版社，1999 7、龚素文.电力电子技术.北京：北京理工大学出版社，2009