单相桥式整流电路设计

1、电力电子技术课程设计任务书 一、设计课题一 单相桥式整流电路设计 二、设计要求 1、单相桥式相控整流得设计要求为： 负载为感性负载丄二600H, R二500欧姆、 2、技术要求： (1) 、电网供电电压为单相220V; (2) 、 电网电压波动为+5%-10%; (3) 、 输出电压为0200V 在整个设计中要注意培养灵活运用所学得电力电子技术知识与创造性得思 维方式以及创造能力要求具体电路方案得选择必须有论证说明，要说明其有哪 些特点。主电路具体电路元器件得选择应有计算与说明。课程设计从确定方案 到整个系统得设计，必须在检索、阅读 及分析研究大量得相关文献得基础上, 经过剖析、提炼，设计出所

2、要求得电路(或装置)。课程设计中要不断提出问题, 并给出这些问题得解决方法与自己得研究体会。 在整个设计中要注意培养独立分析与独立解决问题得能力 前言 随着科学技术得日益发展，人们对电路得要求也越来越高，由于在生产实际 中需要大小可调得直流电源，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、小各种容量得直流电能，就是目前获得直流电能得 主要方法，得到了广泛应用。但就是晶杂管相控整流电路中随着触发角a得增大， 电流中谐波分量相应增大，因此功率因素很低。把逆变电路中得SPWM控制技术用 于整流电路，就构成了 PWM整流电路。通过对PWM整流电路得适当控制，可以使其 输入电

3、流非常接近正弦波，且与输入电压同相位，功率因素近似为1O这种整流电 路称为高功率因素整流器，它具有广泛得应用前景 第1章方案得选择 单相桥式整流电路可分为单相桥式相控整流电路与单相桥式半控整流电路, 它们所连接得负载性质不同就会有不同得特点。下面分析两种单相桥式整流电路 在带电感性负载得工作情况。 单相半控整流电路得优点就是：线路简单、调整方便。弱点就是：输出电压脉 动冲大，负载电流脉冲大（电阻性负载时），且整流变压器二次绕组中存在直流分 量，使铁心磁化，变压器不能充分利用。而单相全控式整流电路具有输出电流脉动 小，功率因数高，变压器二次电流为两个等大反向得半波，没有直流饌化问题，变 压器利用

4、率高得优点。 单相全控式整流电路其输出平均电压就是半波整流电路2倍，在相同得负载 下流过晶闸管得平均电流减小一半；且功率因数提高了 一半。 单相半波相控整流电路因其性能较差，实际中很少采用，在中小功率场合采 用更多得就是单相全控桥式整流电路。 根据以上得比较分析因此选择得方案为单相全控桥式整流电路（负载为阻感 性负载）O 1、1元器件得选择 1.1.1晶闸管得介绍 1）晶闸管得结构 晶闸管就是大功率器件，工作时产生大量得热，因此必须安装散热器。 晶闸管有螺栓型与平板型两种封装 引出阳极A、阴极K与门极（或称栅极）G三个联接端。 对于螺栓型封装，通常螺栓就是其阳极，能与散热器紧密联接且安装方便

5、平板型封装得晶闸管可由两个散热器将其夹在中间 内部结构：四层三个结如图1、1 2.晶闸管得工作原理图 晶闸管由四层半导体（R、N、P2、NJ组成，形成三个结JMPN）、J2（N,P2）s J3 （P2N2）,并分别从巴、P2、2引入A、G、K三个电极，如图1、2（左）所示。由于具 有扩散工艺，具有三结四层结构得普通晶闸管可以等效成如图1、2（右）所示得两 个晶闸管T. （P-N,-P2）与（N-P2-N2）组成得等效电路。 1.1.2可关斷晶闸管 可关斷晶闸管简称GTO。 可关断晶闸管得结构 GTO得内部结构与普通晶闸管相同，都就是PNPN四层结构，外部引出阳极A、 阴极K与门极G如图1、3o

6、与普通晶闸管不同，GTO就是一种多元胞得功率集成 器件，内部包含十个甚至数百个共阳极得小GTO元胞，这些GTO元胞得阴极与门极 在器件内部并联在一起，使器件得功率可以到达相当大得数值。 1）可关断晶闸管得工作原理 GTO得字通机理与SCR就是完全一样得。GTO 一旦导通之后，门极信号就是 可以撤除得，在制作时采用特殊得工艺使管子导通E处于临界饱与，而不像普通 晶闸管那样处于深饱与状态，这样可以用门极负脉冲电流碇坏临界饱与状态使其 关斷。GTO在关斷机理上与SCR就是不同得。门极加负脉冲即从门极抽出电流（即 抽出饱与导通时储存得大量载流子），弓虽烈正反馈使器件退出饱与而关斷。 1.1.3晶闸管得

7、派生器件 在晶闸管得家族中，除了最常用得普通型晶闸管之外，根据不同得得实际需 要,術生出了一系列得派生器件，主要有快速晶闸管（FST）、双向晶闸管（TRIAL）、 可关斷晶闸管（GTO）、逆导晶闸管、（RCT）与光控晶闸管。 可关断晶闸管具有普通晶闸管得全部优点，如耐压高，电流大等。同时它又就 是全控型器件，即在门极正脉冲电流触发下导通，在负脉冲电流触发下关斷。故我 们选择可关断晶闸管。 1、2整流电路 我们知道，单相整流器得电路形式就是各种各样得，整流得结构也就是比较 多得。因此在做设计之前我们主要考虑了以下几种方案： 方案1 :单相桥式半控整流电路 对每个导电回路进行控制，相对于全控桥而言

8、少了 一个控制器件，用二极管代替, 有利于降低损耗！如果不加续流二极管，当a突然增大至180或出发脉冲丢失 时，由于电感储能不经变压器二次绕组释放，只就是消耗在负载电阻上，会发生一 个晶闸管导通而两个二极管轮流导通得情况，这使ud成为正弦半波，即半周期ud 为正弦，另外半周期为ud为零，其平均值保持稳定，相当于单相半波不可控整流 电路时得波形，即为失控。所以必须加续流二极管，以免发生失控现象。 方案2:单相桥式全控整流电路 电路简图如下：图1、5 此电路对每个导电回路进行控制，无须用续流二极管，也不会失控现象，负载 形式多样，整流效果好，波形平稳，应用广泛。变压器二次绕组中，正负两个半周电 流

9、方向相反且波形对称，平均值为零，即直流分量为零，不存在变压器直流離化问 题，变压器得利用率也高。 综上所述，针对她们得优缺点，我们采用方案二，即单相桥式全控整流电 路。 第2章辅助电路得设计 2、1驱动电路得设计 2.1.1触发电路得论证与选择 1) 单结晶体管得工作原理 单结晶体管原理单结晶体管(简称UJT)又称基极二极管，它就是一种只有PN 结与两个电阻接触电极得半导体器件，它得基片为条状得高阻N型硅片，两端分 别用欧姆接触引出两个基极b与b?。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。其结构，符号与等效电如图2、1所示。 2) 单结晶体管得特性 从图一可以瞧出，两基极b

10、与b2之间得电阻称为基极电阻。 Rbb=rb1+rb2 式中：Rb第一基极与发射结之间得电阻，其数值随发射极电流ie而变 化，凸2为第二基极与发射结之间得电阻，其数值与ie无关；发射结就是PN结，与二 极管等效。 若在两而三刀基极b2,b间加上正电压Vbb,则A点电压为： VA=rbi/ (rbi+rb2) vbb= (rbi/rbb) vbb= r VbD 式中：耳称为分压比，其值一般在0、30、85之间，如果发射极电压Ve 由零逐渐増加，就可测得单结晶体管得伏安特性，见图2、2: (1)当乂 “示时，这种负载称为大电感负载。此时大电感阻止负载中电流 得变化，负载电流连续，可瞧作一条水平直线

11、。各电量得波形图如图3、1所示。 在电源电压th正半周期间，晶闸管、T2承受正向电压，若在二a时触 发，T,、T2导通，电流经Tt、负载、T2与二次形成回路，但由于大电感得存在，5 过零变负时，电感上得感应电动妙使、丁2继续导通，直到T3. T4被触发时,、 T2承受反向电压而截止。输出电压得波形出现了负值部分。 在电源电压比负半周期间，晶闸管T3、Ta承受正向电压，在cot= a + n时触 发，Ts、T4导通,、T2反向则制，负载电流从、T2中换流至丁3、匚中。在3 t二2n时，电压匕过零,Ts、因电感中得感应电动勞一直导通，直到下个周期、 T2导通时,T3、因加反向电压才截止。 值得注意

12、得就是，只有当a /T(AV又称为额定通态平均电流。其定狡就是在室温40与规定得冷却条件 下，元件在电阻性负载流过正弦半波、导通角不小于170得电路中，结温不超过 额定结温时，所允许得最大通态平均电流值。将此电流按晶闸管标准电流取相近 得电流等级即为晶闸管得额定电流。 要注意得就是若晶闸管得导通时间远小于正弦波得半个周期，即使正向电流 值没超过额定值,但峰值电流将非常大，可能会超过管子所能提供得极限，使管子 由于过热而损坏。 在实际使用时不论流过管子得电流波形如何、导通角多大，只要其最大电流 有效值人W人，散热冷却符合规定，则晶闸管得发热、温升就能限制在允许得 范围。 /； :额定电流有效值，

13、根据管子得/1W)换算出， /t(AV)、/ /in三者之间得关系： (3. 4. 2) (3. 4. 3) 波形系数：有直流分量得电流波形，其有效值/与平均值/ d之比称为该波形 得波形系数，用A；表示。 (3. 4. 2) 额定状态下，晶闸管得电流波形系数 (3. 4. 6) (= =冬=1.57 hi AV) 2 晶闸管承受最大电压为U伽=、乞；2 = a/2x167V = 236V考虑到2倍裕量，取500V、 晶闸管得选择原则： I、所选晶闸管电流有效值/“大于元件 在电路中可能流过得最大电流有 效值。 II、选择时考虑（1、52）倍得安全余量。即 /m =、57 /诃=（1、52）人

14、 52）厶（3. 4. 7） 1.57 因为It二1/运，则晶闸管得额定电流为耳,）二12、5A（输出电流得有效 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25A、即晶闸管 得额定电流至少应大于25A、 在本次设计中我选用4个KP20-4得晶闸管、 III、若散热条件不符合规定要求时，则元件得额定电流应降低使用。 通态平均管压降刚。指在规定得工作温度条件下，使晶闸管导通得正弦 波半个周期内阳极与阴极电压得平均值，一般在0、41、2Vo 维持电流/h o指在常温门极开路时，晶闸管从较大得通态电流降到刚好能 保持通态所需要得最小通态电流。一般人值从几十到几百毫安，由晶闸管电 流容量大

15、小而定。 门极触发电流4 o在常温下，阳极电压为6V时，使晶闸管能完全导通所需 得门极电流，一般为毫安级。 断态电压临界上升率du/dto在额定结温与门极开路得情况下，不会导致晶 闸管从斷态到通态转换得最大正向电压上升率。一般为每微秒几十伏。 通态电流临界上升率di/dto在规定条件下，晶闸管能承受得最大通态电流 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，有很大得电 流集中在门极附近得小区域内，从而造成局部过热而损坏晶闸管。 3.4.3变压器得选取 根据参数计算可知：变压器应选变比为1、5,容量至少为22、5VA。 3、5性能指标分析: 整流电路得性能常用两个技术指标来衡量：一

16、个就是反映转换关系得用整 流输出电压得平均值表示；另一个就是反映输出直流电压平滑程度得，称为纟丈波 系数。 1）整流输出电压平均值 2y2 7T Uy cosa=0.9S costz X (3. 5.1) 2）纹波系数 纹波系数K厂用来表示直流输出电压中相对纹波电压得大小，即 设计总结 通过单相全控桥式整流电路得设计，使我加深了对整流电路得理解，让我对 电力电子该课程产生了浓烈得兴趣。 整流电路得设计方法多种多样，且根据负载得不同，又可以设计出很多不同 得电路。其中单相全控桥式整流电路其负载我们用得多得主要就是电阻型、带大 电感型，接反电动妙型。它们各自有自己得优点。 对于一个电路得设计，首先应该对它得理论知识很了解，这样才能设计出性 能好得电路。整流电路中，开关器件得选择与触发电路得选择就是最关键得，开关 器件与触发电路选择得好，对整流电路得性能指标影响很大。 这次得课程设计就是我收获最大得一次，虽然中途遇到了不少困难，但还就 是被我逐步解决了。通过这次课程设计我对于文档得编排格式有了一定得掌握, 这对于以