單相橋式半控整流電路的設(shè)計(jì)

1、單相橋式半控整流電路的設(shè)計(jì)1 設(shè)計(jì)任務(wù)和要求1.1設(shè)計(jì)任務(wù)： 單相橋式半控整流電路的設(shè)計(jì)要求為： 1負(fù)載為阻感負(fù)載l=20mh,r=10； 2電網(wǎng)供電電壓為單相220v； 3直流輸出電壓為0180v且連續(xù)可調(diào)。1.2設(shè)計(jì)要求 1方案設(shè)計(jì)； 2完成主電路的原理分析,各主要元器件的選擇； 3觸發(fā)電路的設(shè)計(jì)； 4繪制系統(tǒng)電路圖； 5利用matlab的仿真軟件建模并仿真，獲取電壓電流波形，對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析； 6撰寫設(shè)計(jì)說(shuō)明書。2單相橋式半控整流電路的設(shè)計(jì)2.1主電路的原理與設(shè)計(jì)在單相橋式半控整流電路時(shí)由兩個(gè)晶閘管vt1、vt3和兩個(gè)二極管vd2、vd4組成，如圖所示，因?yàn)槭亲韪胸?fù)載，因此在電路中又加設(shè)了

2、續(xù)流二極管vdr，以免發(fā)生失控現(xiàn)象。圖 在u2正半周，當(dāng)晶閘管在觸發(fā)角a處給晶閘管vt1加觸發(fā)脈沖，u2經(jīng)vt1和vd4向負(fù)載供電。u2過(guò)零變負(fù)時(shí)，因電感作用使電流連續(xù)，vdr導(dǎo)通，ud為零。此時(shí)為負(fù)的u2通過(guò)vdr向vt1施加反壓使其關(guān)斷，l儲(chǔ)存的能量保證了電流在r-l-vdr回路中流通，此過(guò)程為續(xù)流過(guò)程。忽略二極管的通態(tài)電壓，則續(xù)流期間ud為0，ud不會(huì)出現(xiàn)負(fù)的現(xiàn)象。 在u2負(fù)半周，當(dāng)晶閘管在觸發(fā)角a處給晶閘管vt3加觸發(fā)脈沖，u2經(jīng)vt3和vd2向負(fù)載供電。u2過(guò)零變正時(shí)，因電感作用使電流連續(xù)，vdr導(dǎo)通，ud為零。此時(shí)為負(fù)的u2通過(guò)vdr向vt3施加反壓使其關(guān)斷，l儲(chǔ)存的能量保證了電流

3、在r-l-vdr回路中流通，此過(guò)程為續(xù)流過(guò)程。忽略二極管的通態(tài)電壓，則續(xù)流期間ud為0，ud不會(huì)出現(xiàn)負(fù)的現(xiàn)象。2.2驅(qū)動(dòng)電路的原理與設(shè)計(jì)2.2.1單結(jié)晶體管的介紹該驅(qū)動(dòng)電路主要運(yùn)用的器件是單結(jié)晶體管，單結(jié)晶體管（簡(jiǎn)稱ujt）又稱基極二極管，它是一種只有一個(gè)pn結(jié)和兩個(gè)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(gè)基極b1和b2。在硅片中間略偏b2一側(cè)用合金法制作一個(gè)p區(qū)作為發(fā)射極e。其結(jié)構(gòu)、符號(hào)和效電路如圖1所示。 hgj一、單結(jié)晶體管的特性從圖1可以看出，兩基極b1與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

4、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(wú)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(diǎn)電壓為： va=rb1/(rb1 rb2)vbb=(rb1/rbb)vbb=vbb式中：-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(cè)得單結(jié)晶體管的伏安特性，見(jiàn)圖2 圖2、單結(jié)晶體管的伏安特性（1）當(dāng)ve vbb時(shí)，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ice（2）當(dāng)ve vbb vd vd為二極管正向壓降（約為0.7伏），pn結(jié)正向?qū)?，ie顯著增加，rb1阻值迅速減小，v

5、e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(diǎn)，與其對(duì)就的發(fā)射極電壓和電流，分別稱為峰點(diǎn)電壓vp和峰點(diǎn)電流ip和峰點(diǎn)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=vbb（3）隨著發(fā)射極電流ie不斷上升，ve不斷下降，降到v點(diǎn)后，ve不在降了，這點(diǎn)v稱為谷點(diǎn)，與其對(duì)應(yīng)的發(fā)射極電壓和電流，稱為谷點(diǎn)電壓，vv和谷點(diǎn)電流iv。（4）過(guò)了v點(diǎn)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u(píng)c繼續(xù)增加時(shí)，ie便緩慢地上升，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vevv，管子重新截止。2.2.2驅(qū)動(dòng)電路的

6、設(shè)計(jì) 用單結(jié)晶體管構(gòu)成的晶閘管觸發(fā)電路如圖1 所示。與單結(jié)晶體管構(gòu)成弛張振蕩電路相比較，電路的振蕩部分相同，同步是通過(guò)對(duì)電源電路的改進(jìn)實(shí)現(xiàn)的。取自主電路的正弦交流電通過(guò)同步變壓器t 降壓，變?yōu)檩^低的交流電壓，然后經(jīng)二極管整流橋變成脈動(dòng)直流。穩(wěn)壓管vw 和電阻rw的作用是“削波”，脈動(dòng)電壓小于穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值時(shí)，vw 不導(dǎo)通，其兩端的電壓與整流輸出電壓相等；如果脈動(dòng)電壓大于穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值，將使vw 擊穿，其兩端電壓保持穩(wěn)壓值，整流橋輸出電壓高出穩(wěn)壓值的部分降在電阻rw上。這樣vw 兩端的電壓波形近似與一個(gè)梯形波，用這個(gè)電壓取代弛張振蕩電路中的直流電源，起到同步作用。由于振蕩電路的電源為梯形波，在主

7、電路正弦波每一半波結(jié)束和開(kāi)始的一段時(shí)間，振蕩電路的電源電壓很小，電路不振蕩，同時(shí)電容電壓釋放到0。當(dāng)電源電壓接近梯形波的頂部時(shí)，振蕩電路開(kāi)始工作，當(dāng)電容充電使兩端的電壓達(dá)到峰點(diǎn)電壓時(shí)，單結(jié)晶體管導(dǎo)通電容放電，放電電流流過(guò)r1與被觸發(fā)晶閘管的門極的并聯(lián)電路形成輸出，為晶閘管提供觸發(fā)脈沖，使晶閘管導(dǎo)通。然后電路進(jìn)入下一振蕩周期，但晶閘管一經(jīng)導(dǎo)通門極就失去控制作用，一個(gè)電源電壓半周中振蕩電路輸出的脈沖只是第一個(gè)起到觸發(fā)作用，后面的脈沖是無(wú)效的。在主電路電壓的半周接近結(jié)束時(shí)，振蕩電路的電源電壓進(jìn)入梯形波的斜邊并迅速下降，振蕩電路停振，同時(shí)電容電壓釋放到0。因此在主電路的每一個(gè)半波中，電容總是從0開(kāi)始充

8、電，保證了觸發(fā)脈沖與主電路電壓的同步。 在圖中改變電位器rp的數(shù)值可以調(diào)節(jié)輸出脈沖電壓的頻率。但是（rpr）的阻值不能太小，否則在單結(jié)晶體管導(dǎo)通之后，電源經(jīng)過(guò)rp和r供給的電流較大，單結(jié)晶體管的電流不能降到谷點(diǎn)電流之下，電容電壓始終大于谷點(diǎn)電壓，因此，單結(jié)晶體管就不能截止，造成單結(jié)晶體管的直通現(xiàn)象。選用谷點(diǎn)電流大一些的管子，可以減少這種現(xiàn)象。當(dāng)然，（rpr）的阻值也不能太大，否則充電太慢，使晶閘管的最大導(dǎo)通角受到限制，減小移相范圍。一般（rpr）是幾千歐到幾十千歐。 單結(jié)晶體管觸發(fā)電路輸出的脈沖電壓的寬度，主要決定于電容器放大電的時(shí)間常數(shù)。r1或c太小，放電快，觸發(fā)脈沖的寬度小，不能使晶閘管觸

9、發(fā)。因?yàn)榫чl管從阻斷狀態(tài)到完全導(dǎo)通需要一定時(shí)間，一般在10uf以下，所以觸發(fā)脈沖的寬度必須在10uf以上。但是，若c值太大，由于充電時(shí)間常數(shù)（rp+r）c的最小值決定于最小控制角，則（rp+r）就必須很小，如上所述，這將引起單結(jié)晶體管的直通現(xiàn)象。如果r1太大，當(dāng)單結(jié)晶體管尚未導(dǎo)通時(shí)，其漏電流就可能在r1上產(chǎn)生較大的電壓，這個(gè)電壓加在晶閘管的控制極上而導(dǎo)致誤觸發(fā)。一般規(guī)定，晶閘管的不觸發(fā)電壓為0.150.3v，所以上述電壓不應(yīng)大于這個(gè)數(shù)值。 脈沖電壓的幅度決定于直流電源電壓和單結(jié)晶體管的分壓比。如電源電壓為20v，晶體管的分壓比為0.5，則在單結(jié)晶體管導(dǎo)通時(shí)，電容器上的電壓約為10v，除去管壓降

10、外，可以獲得幅度為78v的輸出脈沖電壓。根據(jù)上述數(shù)據(jù)，輸出脈沖的寬度和幅度都能滿足觸發(fā)晶閘管的要求。圖1中的電阻r2是作溫度補(bǔ)償用的。因?yàn)樵趗pubbud的式中，分壓比幾乎不隨溫度而變，而ud將隨溫度上升而略有下降。這樣，up就要隨溫度而變，這是不希望的。當(dāng)接入r2（及r1）后，ubb是由穩(wěn)壓電源的電壓uz經(jīng)r2、rbb、r1分壓而得，而rbb隨溫度上升而增大，因此在溫度上升后，rbb增大，電流就減小，r1和r2上的壓降也相應(yīng)減小，ubb就增大一些，于是補(bǔ)償了ud因溫度上升而下降之值，從而使峰點(diǎn)電壓up保持不變?yōu)?.3元器件的選擇1).晶閘管的選取圖 晶閘管是在晶體管基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種大功率

11、半導(dǎo)體器件。它的出現(xiàn)使半導(dǎo)體器件由弱電領(lǐng)域擴(kuò)展到強(qiáng)電領(lǐng)域。晶閘管也像半導(dǎo)體二極管那樣具有單向?qū)щ娦?，但它的?dǎo)通時(shí)間是可控的，主要用于整流、逆變、調(diào)壓及開(kāi)關(guān)等方面。 晶閘管是具有三個(gè)pn結(jié)的四層結(jié)構(gòu), 其結(jié)構(gòu)及符號(hào)如圖 所示。由于單相橋式半控整流帶電感性負(fù)載主電路主要元件是晶閘管，所以選取元件時(shí)主要考慮晶閘管的參數(shù)及其選取原則。額定電壓 通常取斷態(tài)重復(fù)峰值電壓和反向重復(fù)峰值電壓中較小的，再取靠近標(biāo)準(zhǔn)的電壓等級(jí)作為晶閘管型的額定電壓。在選用管子時(shí)，額定電壓要留有一定裕量，一般取額定電壓應(yīng)為正常工作峰值電壓的23倍，以保證電路的工作安全。晶閘管的額定電壓 額定電流 又稱為額定通態(tài)平均電流。其定義是在

12、室溫40°和規(guī)定的冷卻條件下，元件在電阻性負(fù)載流過(guò)正弦半波、導(dǎo)通角不小于170°的電路中，結(jié)溫不超過(guò)額定結(jié)溫時(shí)，所允許的最大通態(tài)平均電流值。將此電流按晶閘管標(biāo)準(zhǔn)電流取相近的電流等級(jí)即為晶閘管的額定電流。要注意的是若晶閘管的導(dǎo)通時(shí)間遠(yuǎn)小于正弦波的半個(gè)周期，即使正向電流值沒(méi)超過(guò)額定值，但峰值電流將非常大，可能會(huì)超過(guò)管子所能提供的極限，使管子由于過(guò)熱而損壞。使用時(shí)應(yīng)按實(shí)際電流與通態(tài)平均電流有效值相等的原則來(lái)選取晶閘管，而且應(yīng)留一定的裕量，一般取1.52倍。正弦半波電流平均值、電流有效值和電流最大值三者的關(guān)系為： 各種有直流分量的電流波形，其電流波形的有效值i與td之比，稱為這個(gè)電

13、流的波形系數(shù)，用kf表示。因此，在正弦半波情況下電流波形系數(shù)為：因?yàn)槭亲韪胸?fù)載，則有：= 當(dāng)=0°時(shí)，取得最大值180v即而得出=200v，=180°時(shí)，=0，則角的移相范圍為0180°。晶閘管承受最大電壓為：考慮到23倍安全裕量，則晶閘管的額定電壓為 晶閘管承受的最大電流id為：即額定電流i=18a，那么流過(guò)單獨(dú)一個(gè)晶閘管的電流有效值為：考慮1.52倍安全裕量則晶閘管的額定電流為： 通態(tài)平均管壓降 ut(av) 指在規(guī)定的工作溫度條件下，使晶閘管導(dǎo)通的正弦波半個(gè)周期內(nèi)陽(yáng)極與陰極電壓的平均值，一般在0.41.2v。 維持電流ih 。指在常溫門極開(kāi)路時(shí)，晶閘管從較大

14、的通態(tài)電流降到剛好能保持通態(tài)所需要的最小通態(tài)電流。一般ih值從幾十到幾百毫安，由晶閘管電流容量大小而定。 擎住電流il 擎住電流是晶閘管剛從斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)并移除觸發(fā)信號(hào)后，能維持導(dǎo)通所需的最小電流。對(duì)同一晶閘管來(lái)說(shuō)，通常il約為th的24倍。 斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt。在額定結(jié)溫和門極開(kāi)路的情況下，不會(huì)導(dǎo)致晶閘管從斷態(tài)到通態(tài)轉(zhuǎn)換的最大正向電壓上升率。一般為每微秒幾十伏。 通態(tài)電流臨界上升率di/dt。在規(guī)定條件下，晶閘管能承受的最大通態(tài)電流上升率。若晶閘管導(dǎo)通時(shí)電流上升太快，則會(huì)在晶閘管剛開(kāi)通時(shí)，有很大的電流集中在門極附近的小區(qū)域內(nèi)，從而造成局部過(guò)熱而損壞晶閘管。2)、變壓器的選取根據(jù)參數(shù)計(jì)算可知:變壓器應(yīng)選變比k為：不考慮變壓器的損耗時(shí)，則變壓器的容量為3200v·a。3 matlab的建模與仿真 單相橋式半控整流電路在simulink環(huán)境下，運(yùn)用powersystemblockset的各種元件模型建立了單相橋式半控整流電路的仿真模型如圖2-1所示：圖在實(shí)際電路中電源部分應(yīng)該是從電網(wǎng)引進(jìn)電壓然后經(jīng)變壓器降壓成有效值為200v的電源然后接入電路中，而我這里采用的是matlab里的交流電源來(lái)代替，這主要是為了電路簡(jiǎn)化和仿真簡(jiǎn)單，為了與真實(shí)電路一致，設(shè)置參數(shù)時(shí)電壓有效值設(shè)置為200v，周期為0.02秒。對(duì)于觸發(fā)電路部分采用的是matlab里的方波脈沖發(fā)生器來(lái)產(chǎn)生，為了