單相半控橋式整流電路的設(shè)計

電力電子學(xué)課程設(shè)計PAGE19電力電子學(xué)課程設(shè)計報告書題目:單相半控橋式整流電路的設(shè)計專業(yè)：班級：學(xué)號：學(xué)生姓名：信息工程學(xué)院課程設(shè)計任務(wù)書學(xué)生姓名學(xué)號成績設(shè)計題目單相半控橋式整流電路的設(shè)計設(shè)計內(nèi)容利用仿真軟件研究單相半控橋式晶閘管整流電路，分析電路的相關(guān)特性，給出電路的硬件結(jié)構(gòu)框圖，設(shè)計電路各個部件的硬件電路，完成單相半控橋式晶閘管整流電路的實驗與仿真設(shè)計要求1、電源電源：交流220V/50Hz2、輸出電壓范圍：20V——50V3、最大輸出電流：10A4、具有過流保護(hù)功能，動作電流：12A5、具有穩(wěn)壓功能6、電源效率不低于70%時間安排4月20日—4月23日審題、查資料、選定題目4月24日—5月1日仿真調(diào)試5月2日—5月5日寫設(shè)計報告參考資料1.康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)（第五版）.北京：高等教育出版社，20052.周克寧.電力電子技術(shù).北京：機械工業(yè)出版社，20043.陳堅.電力電子學(xué).北京：高等教育出版社，20104.王兆安，黃俊.電力電子技術(shù).第四版。北京：機械工業(yè)出版社，20005.王維平.現(xiàn)代電力電子技術(shù)及應(yīng)用.南京：東南大學(xué)出版社，19996.王正林，王勝開.MATLAB/Simulink與控制系統(tǒng)仿真，20017.林渭勛.現(xiàn)代電力電子電路.杭州：浙江大學(xué)出版社，20028.賈正春，馬志源.電力電子學(xué).北京：中國電力出版社，20019.賈周，王金梅.基于MATLAB的單相橋式整流電路研究.內(nèi)江科技，200910.辜欣，MATLAB在整流電路中的應(yīng)用.江漢大學(xué)學(xué)報，2002目錄TOC\o"1-3"\h\u4885一、設(shè)計的基本要求 3299231.1設(shè)計的主要參數(shù)及要求： 397671.2設(shè)計的主要功能 330663二、總體系統(tǒng)的設(shè)計 3220942.1主電路方案論證 3300632.2主電路結(jié)構(gòu)及其工作原理 423292.3參數(shù)計算 422374三、硬件電路 6315673.1系統(tǒng)總體原理框圖 689813.2驅(qū)動電路 7290373.2.1驅(qū)動電路方案 7299143.2.2驅(qū)動電路的設(shè)計 784213.3保護(hù)電路 10135033.3.1變壓器二次側(cè)熔斷器 10164993.3.2晶閘管保護(hù)電流 1023040四、電路元件的選擇 11245864.1變壓器的選擇 11316914.2整流元件的選擇 11279334.2.1晶閘管結(jié)構(gòu) 1284044.2.2晶閘管的工作原理 12118674.2.3晶閘管的基本特性 133252五、軟件仿真 1566725.1仿真模型及波形 15308結(jié)語： 16308參考文獻(xiàn)： 17308附錄： 18一、設(shè)計的基本要求1.1設(shè)計的主要參數(shù)及要求：設(shè)計要求：1、電源電壓：交流220V/50Hz2、輸出電壓范圍：20V-50V3、最大輸出電流：10A4、具有過流保護(hù)功能，動作電流：12A5、具有穩(wěn)壓功能6、電源效率不低于70%1.2設(shè)計的主要功能單相橋式半控整流電路的工作特點是晶閘管觸發(fā)導(dǎo)通，而整流二極管在陽極電壓高于陰極電壓時自然導(dǎo)通。單相橋式整流電路在感性負(fù)載電流連續(xù)時，當(dāng)相控角α<90°時，可實現(xiàn)將交流電功率變?yōu)橹绷麟姽β实南嗫卣?；在?gt;90°時，可實現(xiàn)將直流電返送至交流電網(wǎng)的有源逆變。在有源逆變狀態(tài)工作時，相控角不應(yīng)過大，以確保不發(fā)生換相（換流）失敗事故。二、總體系統(tǒng)的設(shè)計2.1主電路方案論證方案一：單相半控橋式整流電路（含續(xù)流二極管）單相橋式半控整流電路雖然具有電路簡單、調(diào)整方便、使用元件少等優(yōu)點，而且不會導(dǎo)致失控顯現(xiàn)，續(xù)流期間導(dǎo)電回路中只有一個管壓降，少了一個管壓降，有利于降低損耗。方案二：單相半控橋式整流二極管（不含續(xù)流二極管）不含續(xù)流二極管的電路具有自續(xù)流能力，但一旦出現(xiàn)異常，會導(dǎo)致：一只晶閘管與兩只二極管之間輪流導(dǎo)電，其輸出電壓失去控制，這種情況稱之為“失控”。失控時的的輸出電壓相當(dāng)于單相半波不可控整流時的電壓波形。在失控情況下工作的晶閘管由于連續(xù)導(dǎo)通很容易因過載而損壞。因為半導(dǎo)體本身具有續(xù)流作用，半控電路只能將交流電能轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟娔?，而直流電能不能返回到交流電能中去，即能量只能單方向傳遞。經(jīng)過比較本設(shè)計選擇方案一含續(xù)流二極管的單相半控橋式整流電路能更好的達(dá)到設(shè)計要求。2.2主電路結(jié)構(gòu)及其工作原理單相橋式半控整流電路雖然具有電路簡單、調(diào)整方便、使用元件少等優(yōu)點，但卻有整流電壓脈動大、輸出整流電流小的缺點。其使用的電路圖如下圖2.1所示。圖2.1主體電路結(jié)構(gòu)原理圖在交流輸入電壓u2的正半周（a端為正）時，Th1和D1承受正向電壓。這時如對晶閘管Th1引入觸發(fā)信號，則Th1和D1導(dǎo)通電流的通路為u2+→Th1→R→D1→u2-。這時Th2和D1都因承受反向電壓而截至。同樣，在電壓u2的負(fù)半周時，Th2和D2承受正向電壓。這時，如對晶閘管Th2引入觸發(fā)信號，則Th2和D2導(dǎo)通，電流的通路為：u2-→Th2→R→D2→u2+。這時Th1和D1處于截至狀態(tài)。顯然，與單相半波整流相比較，橋式整流電路的輸出電壓的平均值要大一倍，即輸出電壓的平均值：輸出電流的平均值：2.3參數(shù)計算輸出電壓平均值：U=0.9U2輸出電流平均值：=Ud/R流過晶閘管電流有效值：I=/波形系數(shù)：K=I/=/2交流側(cè)相電流的有效值:I=·I續(xù)流管電流有效值：I=·I令0時，U2=220V,P出=50V×10A=500W。Ud=0.9U2(1+)/2=198VId=P出/Ud=10.8A，Kf=IVT/Id=/2=0.707，晶閘管的額定電流為：IT=KfId/1.57=2.5A,取2倍電流安全儲備，并考慮晶閘管元件額定電流系列取5A。晶閘管元件額定電壓U2=100=141.4V，取2～3倍電壓安全儲備，并考慮晶閘管額定電壓系列取300V。令時，IVT=Id=Id=10.8A時，此時流過續(xù)流二極管的電流最大為10.8A，取2倍電流安全儲備，并考慮晶閘管元件額定電流系列取20A。續(xù)流二極管兩端的最大電壓為Ud=220V,取2～3倍電壓安全儲備，并考慮晶閘管額定電壓系列去220V。所以選擇續(xù)流二極管額定電壓為220V,額定電流為20A的晶閘管和二極管，電感取無窮大，L=150H，R=20。三、硬件電路3.1系統(tǒng)總體原理框圖單相半控橋式整流電路的設(shè)計，我們首先對電路原理進(jìn)行分析，通過分析，結(jié)合具體的性能指標(biāo)求出相應(yīng)的參數(shù)，然后在Matlab仿真軟件中建立仿真模型，仿真模型采用交流輸入電源，使用晶閘管和二極管作為整流器件，通過不斷仿真、調(diào)試、不斷修改參數(shù)，知道符合正確的參數(shù)要求。其系統(tǒng)原理框圖如下圖2.1其對應(yīng)波形原理圖如圖3.1所示圖3.1系統(tǒng)原理框圖圖3.2波形原理圖3.2驅(qū)動電路3.2.1驅(qū)動電路方案方案一：采用專用集成芯片產(chǎn)生驅(qū)動信號。專用集成芯片對于整個系統(tǒng)來說非常好：集成度高，不易產(chǎn)生各種干擾；產(chǎn)生的驅(qū)動信號精確度高，更便于系統(tǒng)的精確度：簡單、省事，易于實現(xiàn)。但是，專用集成芯片的價格比較昂貴且不易購買；對于鍛煉個人能力用專用芯片業(yè)很難達(dá)到效果。方案二：采用LM339、ICL8083等構(gòu)成的驅(qū)動電路雖然效果不是很好，但是它完全是硬件驅(qū)動，能更好的鍛煉人的知識運用和能力的開發(fā)。兩個方案相比較而言我選擇方案二。3.2.2驅(qū)動電路的設(shè)計晶閘管門極觸發(fā)信號由觸發(fā)電路提供，由于晶閘管電路種類很多，如整流、逆變、交流調(diào)壓、變頻等；所帶負(fù)載的性質(zhì)也不相同，如電阻性負(fù)載、電阻—電感性負(fù)載、反電勢負(fù)載等。盡管不同情況對觸發(fā)電路的要求也不同，但是其基本的要求卻是相同的，具體如下（a）觸發(fā)信號應(yīng)有足夠的功率這些指標(biāo)在產(chǎn)品樣本中均已標(biāo)明，由于晶閘管元件門極參數(shù)分散性大，且觸發(fā)電壓、電流手溫度影響會發(fā)生變化。例如元件溫度為1000C時觸發(fā)電流、電壓值比在室溫時低2—3倍；元件溫度為-400C時觸發(fā)電流、電壓值比在室溫時高2—3倍；為了使元件在各種工作條件下都能可靠的觸發(fā)，可參考元件出廠的實驗數(shù)據(jù)或產(chǎn)品目錄，設(shè)計觸發(fā)電路的輸出電壓、電流值，并留有一定的裕量。一般可取兩倍左右的觸發(fā)電流裕量，而觸發(fā)電壓按觸發(fā)電流的大小來決定，但是應(yīng)注意不要超過晶閘管門極允許的峰值功率和平均功率極限值。（b）觸發(fā)脈沖信號應(yīng)有一定的寬度普通晶閘管的導(dǎo)通時間一般為6us，故觸發(fā)脈沖的寬度至少應(yīng)有6us以上，對于電感性負(fù)載，由于電感會抑制電流的上升，觸發(fā)脈沖的寬度應(yīng)該更大些，通常為0.5ms—1ms，否則在脈沖終止時主電路電流還未上升到晶閘管的擎住電流時，此時將使晶閘管無法導(dǎo)通而重新恢復(fù)關(guān)斷狀態(tài)。單結(jié)晶體管原理單結(jié)晶體管（簡稱UJT）又稱基極二極管，它是一種只有PN結(jié)和兩個電阻接觸電極的半導(dǎo)體器件，它的基片為條狀的高阻N型硅片，兩端分別用歐姆接觸引出兩個基極b1和b2。在硅片中間略偏b2一側(cè)用合金法制作一個P區(qū)作為發(fā)射極e。其符號和等效電如下圖3.3所示。圖3.3單結(jié)晶體管的符號和等效電路圖結(jié)晶體管的特性從圖一可以看出，兩基極b1和b2之間的電阻稱為基極電阻。Rbb=rb1+rb2式中：Rb1——第一基極與發(fā)射結(jié)之間的電阻，其數(shù)值隨發(fā)射極電流ie而變化，rb2為第二基極與發(fā)射結(jié)之間的電阻，其數(shù)值與ie無關(guān)；發(fā)射結(jié)是PN結(jié)，與二極管等效。若在兩面三刀基極b2，b1間加上正電壓Vbb，則A點電壓為：VA=[rb1/（rb1+rb2）]vbb=（rb1/rbb）vbb=ηVbb式中：η——稱為分壓比，其值一般在0.3—0.85之間，如果發(fā)射極電壓VE由零逐漸增加，就可測得單結(jié)晶體管的伏安特性，見圖3.4圖3.4單結(jié)晶體管的伏安特性（1）當(dāng)Ve〈ηVbb時，發(fā)射結(jié)處于反向偏置，管子截止，發(fā)射極只有很小的漏電流Iceo。（2）當(dāng)Ve≥ηVbb+VDVD為二極管正向壓降（約為0.7V），PN結(jié)正向?qū)?，Ie顯著增加，rb1阻值迅速減小，Ve相應(yīng)下降，這種電壓隨電流增加反而下降的特性，稱為負(fù)阻特性。管子由截止區(qū)進(jìn)入負(fù)阻區(qū)的臨界P稱為峰點，與其對應(yīng)的發(fā)射極電壓和電流，分別稱為峰點電壓Ip和峰點電流Ip。Ip是正向漏電流，它是使單結(jié)晶體管導(dǎo)通所需的最小電流，顯然Vp=ηVbb。（3）隨著發(fā)射極電流Ie的不斷上升，Ve不斷下降，降到V點后，Ve不再下降了，這點V稱為谷點，與其對應(yīng)的發(fā)射極電壓和電流，稱為谷點電壓Vv和谷點電流Iv。（4）過了V后，發(fā)射極與第一基極間半導(dǎo)體內(nèi)的載流子達(dá)到了飽和狀態(tài)，所以uc繼續(xù)增加時，ie便緩慢的上升，顯然Vv是維持單結(jié)晶體管導(dǎo)通的最小發(fā)射極電壓，如果Ve〈Vv，管子重新截止。單結(jié)晶體管的主要參數(shù)（1）基極間電阻Rbb發(fā)射極開路時，基極b1，b2之間的電阻，一般為2-10千歐，其數(shù)值隨溫度的上升而增大。（2）分壓比η由管子內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定的參數(shù)，一般為0.3--0.85。（3）eb1間反向電壓Vcb1b2開路，在額定反向電壓Vcb2下，基極b1與發(fā)射極e之間的反向耐壓。（4）反向電流Ieob1開路，在額定反向電壓Vcb2下，eb2間的反向電流。（5）發(fā)射極飽和壓降Veo在最大發(fā)射極額定電流時，eb1間的壓降。（6）峰點電流Ip單結(jié)晶體管剛開始導(dǎo)通時，發(fā)射極電壓為峰點電壓時的發(fā)射極電流。單結(jié)晶體管電路如下圖3.5所示，波形圖如圖3.6所示圖3.5單結(jié)晶體管觸發(fā)電路圖圖3.6觸發(fā)信號波形3.3保護(hù)電路3.3.1變壓器二次側(cè)熔斷器采用快速熔斷器是電力電子裝置中最有效、應(yīng)用最廣泛的一種過電流保護(hù)措施。在選擇快速熔斷時應(yīng)考慮：電壓等級應(yīng)根據(jù)熔斷后快速熔斷實際承受的電壓來確定。電流容量應(yīng)按其在主電路中的接入方式和主電路聯(lián)接形式確定。快速熔斷一般與電力半導(dǎo)體器件串聯(lián)連接，在小容量裝置中也可串聯(lián)于閥側(cè)交流母線或直流母線中?？焖偃蹟嘀祽?yīng)小于被保護(hù)器件的允許值。為保護(hù)熔體在正常過載情況下不熔化，應(yīng)考慮其時間電流特性。因為晶閘管的額定電流為10A，快速熔斷器電流大于1.5倍的晶閘管額定電流，所以快速熔斷器的熔斷電流為15A。3.3.2晶閘管保護(hù)電流過流保護(hù)：當(dāng)電力電子變流裝置內(nèi)部某些器件被擊穿或短路；驅(qū)動、觸發(fā)電路或控制電路發(fā)生故障；外部出現(xiàn)負(fù)載過載；直流側(cè)短路；可逆?zhèn)鲃酉到y(tǒng)產(chǎn)生逆變失?。灰约敖涣麟娫措妷哼^高或高低；均能引起裝置或其它元件的電流超過正常的工作電流，即出現(xiàn)過電流。因此，必須對電力電子裝置進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪^流保護(hù)。其保護(hù)原理圖如下圖3.7所示。過壓保護(hù)：設(shè)備在運行過程中，會受到由交流供電電網(wǎng)進(jìn)入的操作過電壓和雷擊過電壓的侵襲。同時，設(shè)備自身運行過程中以及非正常運行中也有過電壓出現(xiàn)。因此，必須對電力電子裝置進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪^壓保護(hù)。其保護(hù)原理圖如下圖3.8所示。圖3.7過流保護(hù)原理圖圖3.8過壓保護(hù)原理圖四、電路元件的選擇4.1變壓器的選擇電源電壓：220V/50Hz，輸出電壓：20V-50V，輸出電流：10A，設(shè)R=5Ω。變壓器一、二次側(cè)電流：變壓器容量計算：變壓器型號的選擇：4.2整流元件的選擇由于單相橋式半控反電動勢、電阻負(fù)載電路主要器件是晶閘管，所以選取元件是主要考慮晶閘管的參數(shù)及其選取原則。4.2.1晶閘管結(jié)構(gòu)晶閘管是大功率的半導(dǎo)體器件，從中體結(jié)構(gòu)上看，可區(qū)分為管芯及散熱器兩大部分，分別如下圖4.1(a)、(b)、(c)所示(a)螺栓型(b)平板型(c)符號圖4.1晶閘管管芯及符號表示圖管芯是晶閘管的本體部分，由半導(dǎo)體材料構(gòu)成，具有上個與外電路可以連接的電極：陽極A，陰極K和門極（或控制極）G。晶閘管管芯的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4.2所示，是一個四層（P1—N1—P2—N2）三端（A、K、G）的功率半導(dǎo)體器件。它是在N型的硅基片（N1）的兩邊擴(kuò)散P型半導(dǎo)體雜質(zhì)層（P1、P2），形成兩個PN結(jié)J1、J2。再在P2層內(nèi)擴(kuò)散N型半導(dǎo)體雜質(zhì)層N2又形成另一個PN結(jié)J3。然后在相應(yīng)的位置放置鉬片作電極，引出陽極A，陰極K和門極G，形成了一個四層三段的大功率電子元件。這個四層半導(dǎo)體器件由于三個PN結(jié)的存在，決定了它的可控導(dǎo)通特性。圖4.2晶閘管內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖4.2.2晶閘管的工作原理通過理論分析和實驗驗證標(biāo)明：（1）只有當(dāng)晶閘管同時承受正向陽極電壓和正向門極電壓時晶閘管才能導(dǎo)通，兩者缺一不可。（2）晶閘管一旦導(dǎo)通后門極將失去控制作用，門極電壓對管子隨后的導(dǎo)通或關(guān)斷均不起作用，故使晶閘管導(dǎo)通的門極電壓不必是一個持續(xù)的直流電壓，只要是一個具有一定寬度的正向脈沖電壓即可，脈沖的寬度與晶閘管的開通特性及負(fù)載性質(zhì)有關(guān)。這個脈沖常稱之為觸發(fā)脈沖。（3）要使已導(dǎo)通的晶閘管關(guān)斷，必須使陽極電流降到某一數(shù)值之下（約幾十毫安）。這可以通過增大負(fù)載電阻，降低陽極電壓至接近于零或施加反向陽極電壓來實現(xiàn)。這個能保持晶閘管導(dǎo)通的最小電流成為維持電流，是晶閘管的一個重要參數(shù)。晶閘管為什么會與以上導(dǎo)通和關(guān)斷特性，這與晶閘管內(nèi)部發(fā)生的物理過程有關(guān)。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4.3所示圖4.3晶閘管的等效復(fù)合三極管效應(yīng)可以看書，兩個晶閘管連接的特點是一個晶閘管的集電極電流就是另一個晶體管的基極電流，當(dāng)有足夠的門極電流流入時，兩個相互符合的晶體管電路就會形成強烈的正反饋，導(dǎo)致兩個晶體管飽和導(dǎo)通，也即晶閘管的導(dǎo)通。如果晶閘管承受的是反向陽極電壓，由于等效晶體管均處于反壓狀態(tài)，無論有無門極電流，晶閘管都不能導(dǎo)通。4.2.3晶閘管的基本特性1、靜態(tài)特性靜態(tài)特性又稱伏安特性，指的是器件端電壓與電流的關(guān)系。這里陽極伏安特性和門極伏安特性陽極伏安特性晶閘管的陽極伏安特性表示晶閘管陽極與陰極之間的電壓與陽極之間的電流之間的關(guān)系曲線。如圖4.4所示圖4.4晶閘管陽極伏安特性門極伏安特性晶閘管的門極與陰極間存在著一個PN結(jié)J3，門極伏安特性就是指這個PN結(jié)上正向的門極電壓與門極電流之間的關(guān)系。由于這個結(jié)的伏安特性很分散，無法找到一條典型的代表曲線，只能用一條極限高阻門極特性和一條極限低阻門極特性之間的一片區(qū)域來電表所有元件的門極伏安特性。如圖4.5陰影部分所示圖4.5晶閘管門極伏安特性2.動態(tài)特性晶閘管常用于低頻的相控電力電子電路中，有時也在高頻電力電子電路中得到應(yīng)用，如逆變器等。在高頻電路應(yīng)用時，需要嚴(yán)格的考慮晶閘管的開關(guān)特效，即開通特性和關(guān)斷特性。開通特性晶閘管由截止轉(zhuǎn)為導(dǎo)通的過程為開通過程，如圖4.6給出了晶閘管的開通特性。在晶閘管處于正向阻斷的條件下突加門極觸發(fā)電流，由于獎?wù)聝?nèi)部正反饋過程及外電路電感的影響，陽極電流的增長需要一定的時間。延遲時間與上升時間之和為晶閘管的開通時間，延遲時間隨門極電流的增大而減少，延遲時間和上升時間隨陽極電壓上升而下降。圖4.6晶閘管的開關(guān)特性（2）關(guān)斷特性通過采用外加反壓的方法將己導(dǎo)通的晶閘管關(guān)斷。反壓可利用電源、負(fù)載和輔助換流電路來提供。要關(guān)斷已導(dǎo)通的晶閘管，通常給晶閘管加反向陽極電壓。晶閘管的關(guān)斷，就是要使各層區(qū)內(nèi)載流子消失，使元件對正向壓陽極電壓恢復(fù)阻斷能力。突加反向陽極電壓后，由于外嗲了電感的存在，晶閘管陽極電流的下降會有一個過程，當(dāng)陽極電流過零，也會出現(xiàn)反向恢復(fù)電流，