單相橋式半控整流電路設(shè)計

1、單相橋式半控整流電路的設(shè)計1方案設(shè)計1.1設(shè)計任務(wù)1.根據(jù)設(shè)計題目要求的指標(biāo)，通過查閱有關(guān)資料分析其工作原理，確定各器件參數(shù)，設(shè)計電路原理圖；2.利用MATLAB仿真軟件繪制主電路結(jié)構(gòu)模型圖，設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)。3.用示波器模塊觀察和記錄電源電壓、觸發(fā)信號、晶閘管電流和電壓，負載電流和電壓的波形圖。1.2設(shè)計原理 在單相橋式全控整流電路中，每一個導(dǎo)電回路中有兩個晶閘管，即用兩個晶閘管同時導(dǎo)通以控制導(dǎo)電的回路。而單相橋式半控整流電路，每一個回路只有一個晶閘管，另外一個可以用二極管代替。當(dāng)=0時，直流輸出取最大值180V，通過公式可以計算出輸入電壓。通過調(diào)節(jié)角度的變化可以使輸出在0到180V可調(diào)。2單

2、相橋式半控整流電路的設(shè)計2.1主電路原理與設(shè)計在單相橋式半控整流電路時由兩個晶閘管VT1、VT3和兩個二極管VD2、VD4組成，如圖1所示，因為是阻感負載，因此在電路中又加設(shè)了續(xù)流二極管VDR，以免發(fā)生失控現(xiàn)象。在正半周，當(dāng)晶閘管在觸發(fā)角處給晶閘管VT1加觸發(fā)脈沖，經(jīng)VT1和VD4向負載供電。過零變負時，因電感作用使電流連續(xù)，VDR導(dǎo)通，為零。此時為負的通過VDR向VT1施加反壓使其關(guān)斷，L儲存的能量保證了電流在R-L-VDR回路中流通，此過程為續(xù)流過程。忽略二極管的通態(tài)電壓，則續(xù)流期間為0，不會出現(xiàn)負的現(xiàn)象。在負半周，當(dāng)晶閘管在觸發(fā)角處給晶閘管VT3加觸發(fā)脈沖，經(jīng)VT3和VD2向負載供電。過

3、零變正時，因電感作用使電流連續(xù)，VDR導(dǎo)通，為零。此時為負的通過VDR向VT3施加反壓使其關(guān)斷，L儲存的能量保證了電流在R-L-VDR回路中流通，此過程為續(xù)流過程。忽略二極管的通態(tài)電壓，則續(xù)流期間為0，不會出現(xiàn)負的現(xiàn)象。2.2主要元器件的選擇1)晶閘管的選取 圖2晶閘管的結(jié)構(gòu)及符號晶閘管是在晶體管基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種大功率半導(dǎo)體器件。它的出現(xiàn)使半導(dǎo)體器件由弱電領(lǐng)域擴展到強電領(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)通時間是可控的，主要用于整流、逆變、調(diào)壓及開關(guān)等方面。 晶閘管是具有三個PN結(jié)的四層結(jié)構(gòu), 其結(jié)構(gòu)及符號如圖2 所示。由于單相橋式半控整流帶電感性負載主電路主要元件是晶

4、閘管，所以選取元件時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)的電壓等級作為晶閘管型的額定電壓。在選用管子時，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。其定義是在室溫和規(guī)定的冷卻條件下，元件在電阻性負載流過正弦半波、導(dǎo)通角不小于的電路中，結(jié)溫不超過額定結(jié)溫時，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即為晶閘管的額定電流。要注意的是若晶閘管的導(dǎo)通時間遠小于正弦波的半個周期，即使正向電流值沒超過額定值，但峰值

5、電流將非常大，可能會超過管子所能提供的極限，使管子由于過熱而損壞。使用時應(yīng)按實際電流與通態(tài)平均電流有效值相等的原則來選取晶閘管，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：因為是阻感負載，則有：= 當(dāng)=0°時，取得最大值180V即而得出=200V，=180°時，=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為：即額定電流I=13A，那么流過單獨一個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 (AV) 指

6、在規(guī)定的工作溫度條件下，使晶閘管導(dǎo)通的正弦半個周期內(nèi)陽極與陰極電壓的平均值，一般在0.41.2V。 維持電流 。指在常溫門極開路時，晶閘管從較大的通態(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 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)信號后，能維持導(dǎo)通所需的最小電流。對同一晶閘管來說，通常約為的24倍。 斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt。在額定結(jié)溫和門極開路的情況下，不會導(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)通時電流

7、上升太快，則會在晶閘管剛開通時，有很大的電流集中在門極附近的小區(qū)域內(nèi)，從而造成局部過熱而損壞晶閘管。 晶閘管應(yīng)選取額定電壓800V左右，額定電流大于12A的晶閘管。2)變壓器的選取根據(jù)參數(shù)計算可知:變壓器應(yīng)選變比K為：不考慮變壓器的損耗時，則變壓器的容量為3200V·A。3觸發(fā)電路的設(shè)計對于使用晶閘管的電路，在晶閘管陽極加正向電壓后，還必須在門極與陰極之間加觸發(fā)電壓，使晶閘管在需要導(dǎo)通的時刻可靠導(dǎo)通。驅(qū)動電路亦稱觸發(fā)電路。根據(jù)控制要求決定晶閘管的導(dǎo)通時刻，對變流裝置的輸出功率進行控制。觸發(fā)電路是變流裝置中的一個重要組成部分，變流裝置是否能正常工作，與觸發(fā)電路有直接關(guān)系，因此，正確合理

8、地選擇設(shè)計觸發(fā)電路及其各項技術(shù)指標(biāo)是保證晶閘管變流裝置安全、可靠、經(jīng)濟運行的前提。3.1 對觸發(fā)電路的要求晶閘管觸發(fā)主要有移相觸發(fā)、過零觸發(fā)和脈沖列調(diào)制觸發(fā)等。觸發(fā)電路對其產(chǎn)生的觸發(fā)脈沖要求: 1）觸發(fā)信號可為直流、交流或脈沖電壓。2）觸發(fā)信號應(yīng)有足夠的功率（觸發(fā)電壓和觸發(fā)電流）。3）觸發(fā)脈沖應(yīng)有一定的寬度，脈沖的前沿盡可能陡，以使元件在觸發(fā)導(dǎo)通后，陽極電流能迅速上升超過掣住電流而維持導(dǎo)通。4）觸發(fā)脈沖必須與晶閘管的陽極電壓同步，脈沖移相范圍必須滿足電路要求。3.2單結(jié)晶體管觸發(fā)電路該觸發(fā)電路主要運用的器件是單結(jié)晶體管，單結(jié)晶體管（簡稱UJT）又稱基極二極管，它是一種只有一個PN結(jié)和兩個電阻接

9、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。其結(jié)構(gòu)、符號和效電路如圖4所示。 圖4單結(jié)晶體管的結(jié)構(gòu)符號和等效電路從圖4可以看出，兩基極b1與b2之間的電阻稱為基極電阻： rbb=rb1rb2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/(rb1rb2)vbb=(rb1/rbb)vbb=Vbb式中：-稱為分壓比

10、，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2 圖2、單結(jié)晶體管的伏安特性（1）當(dāng)Ve Vbb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Ice（2）當(dāng)VeVbb+VD時，VD為二極管正向壓降（約為0.7伏），PN結(jié)正向?qū)ǎ琁e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，稱為負阻特性。管子由截止區(qū)進入負阻區(qū)的臨界P稱為峰點，與其對就的發(fā)射極電壓和電流，分別稱為峰點電壓Vp和峰點電流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=Vbb。（3）隨著發(fā)射極電流

11、ie不斷上升，Ve不斷下降，降到V點后，Ve不在降了，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點后，發(fā)射極與第一基極間半導(dǎo)體內(nèi)的載流子達到了飽和狀態(tài)，所以uc繼續(xù)增加時，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。3.3驅(qū)動電路的設(shè)計 用單結(jié)晶體管構(gòu)成的晶閘管觸發(fā)電路如圖5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，同步是通過對電源電路的改進實現(xiàn)的。取自主電路的正弦交流電通過同步變壓器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直流。穩(wěn)壓管VW 和電阻RW的作用是“削

12、波”，脈動電壓小于穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值時，VW 不導(dǎo)通，其兩端的電壓與整流輸出電壓相等；如果脈動電壓大于穩(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梯形波，用這個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，在主電路正弦波每一半波結(jié)束和開始的一段時間，振蕩電路的電源電壓很小，電路不振蕩，同時電容電壓釋放到0。當(dāng)電源電壓接近梯形波的頂部時，振蕩電路開始工作，當(dāng)電容充電使兩端的電壓達到峰點電壓時，單結(jié)晶體管導(dǎo)通電容放電，放電電流流過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

13、供觸發(fā)脈沖，使晶閘管導(dǎo)通。然后電路進入下一振蕩周期，但晶閘管一經(jīng)導(dǎo)通門極就失去控制作用，一個電源電壓半周中振蕩電路輸出的脈沖只是第一個起到觸發(fā)作用，后面的脈沖是無效的。在主電路電壓的半周接近結(jié)束時，振蕩電路的電源電壓進入梯形波的斜邊并迅速下降，振蕩電路停振，同時電容電壓釋放到0。因此在主電路的每一個半波中，電容總是從0開始充電，保證了觸發(fā)脈沖與主電路電壓的同步。在圖5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電流之下，電容電壓始終大于谷點電壓，因此，單結(jié)晶體管就不能截止，

14、造成單結(jié)晶體管的直通現(xiàn)象。選用谷點電流大一些的管子，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，不能使晶閘管觸發(fā)。因為晶閘管從阻斷狀態(tài)到完全導(dǎo)通需要一定時間，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

15、未導(dǎo)通時，其漏電流就可能在R1上產(chǎn)生較大的電壓，這個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，電容器上的電壓約為10V，除去管壓降外，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5單結(jié)晶體管構(gòu)成的晶閘管觸發(fā)電路圖5中的電阻R2是作溫度補償用的。因為在VPVBBVD的式中，分壓比幾乎不隨溫度而變，VD是二極管的正向壓降，而VD將隨溫度上升而略有下降

16、。這樣，VP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，VBB就增大一些，于是補償了VD因溫度上升而下降之值，從而使峰點電壓VP保持不變。4系統(tǒng)電路圖為保證觸發(fā)電路和主電路頻率一致，利用一個同步變壓器，將其一次側(cè)接入為主電路供電的電網(wǎng)，由其二次側(cè)提供同步電壓信號，這樣，由同步電壓決定的觸發(fā)脈沖頻率與主電路晶閘管頻率始終是一致的。把觸發(fā)電路和主電路聯(lián)系到一起就可以繪制系統(tǒng)統(tǒng)電路圖，如圖6所示。關(guān)于保護電路的問題，由于任務(wù)書中沒有要求

17、，在這里我們不給予介紹。圖6系統(tǒng)電路圖5 MATLAB仿真5.1.仿真模型模塊介紹1）交流電源 提取路徑：SimulinkSimpowerSystemElectrical SourcesAC Voltage Source2) 直流電壓 提取路徑：SimulinkSimpowerSystemElectrical SourcesDC Voltage Source3）晶閘管 提取路徑：SimulinkSimpowerSystemPower ElectronicsThyristor4)脈沖信號發(fā)生器 提取路徑：SimulinkSimulinkSources Pulse Generator5)負載電阻

18、提取路徑：SimulinkSimpowerSystemElementsSeries RLC Branch6)電壓測量 提取路徑：SimulinkSimpowerSystemMeasurementsVoltage Measurements7)電流測量 提取路徑：SimulinkSimpowerSystemMeasurementsCurrent Measurements8)示波器 提取路徑：SimulinkSimulinkSinksScop5.2仿真模型的設(shè)計將單相橋式全控整流電路的MATLAB仿真模型如下圖7所示。圖7 MATLAB仿真圖5.3仿真模型模塊參數(shù)設(shè)置交流電壓源的電壓設(shè)置為200V這

19、樣省去了一個變壓器，簡化仿真電路，頻率設(shè)置為50HZ。直流電源的電壓設(shè)置為50V。脈沖觸發(fā)器的脈沖周期為0.02S，脈沖寬度為0.001S，脈沖1的相位延遲設(shè)置，按,對電網(wǎng)的交流電 T=0.02S，當(dāng)=60°時，t=0.00333S;當(dāng) =120°時，t=0.00667S,以此類推。脈沖2的相位與脈沖一相差，即0.01S的時間，把脈沖一的延遲時間加上0.01就是脈沖2的延遲時間。5.4仿真波形=60°時的波形如圖8所示。電源沒有給反電勢供電時，輸出電壓為50V，當(dāng)晶閘管VT1被觸發(fā)導(dǎo)通后，電源給負載供電，負載兩端的電壓等于電源電壓。當(dāng)電壓為負的時候，VT3還未導(dǎo)通，二極管VDR導(dǎo)通續(xù)流，VDR近似看做導(dǎo)線，兩端無電壓，此時輸出電壓Ud為0。由于電感不大，續(xù)流一段時間后VDR截止，此時電壓表測量的電壓為反電勢的大小50V，接下來VT3導(dǎo)通，輸出電壓又等于輸入電壓。重復(fù)以上過程。圖8 時電壓電流波形心得體會這次課程設(shè)計是對我們所學(xué)內(nèi)容的一次復(fù)習(xí)與拓展，它要求我們掌握利用MATLAB仿真電力電子器件。通過單相全控橋式整流電路的設(shè)計，使我加深了對整流電路的理解，讓我對電力電子技術(shù)產(chǎn)生了濃烈的興趣。 對于一個電路的設(shè)計，首先應(yīng)該對它的理論知識很了解，這樣才能設(shè)計出性能好的電路。整流電路中，開關(guān)器件的選擇和觸發(fā)電路的選擇