单相桥式半控整流电路的设计

1、单相桥式半控整流电路的设计1 设计任务和要求1.1设计任务： 单相桥式半控整流电路的设计要求为： 1负载为阻感负载l=20mh,r=10； 2电网供电电压为单相220v； 3直流输出电压为0180v且连续可调。1.2设计要求 1方案设计； 2完成主电路的原理分析,各主要元器件的选择； 3触发电路的设计； 4绘制系统电路图； 5利用matlab的仿真软件建模并仿真，获取电压电流波形，对结果进行分析； 6撰写设计说明书。2单相桥式半控整流电路的设计2.1主电路的原理与设计在单相桥式半控整流电路时由两个晶闸管vt1、vt3和两个二极管vd2、vd4组成，如图所示，因为是阻感负载，因此在电路中又加设了

2、续流二极管vdr，以免发生失控现象。图 在u2正半周，当晶闸管在触发角a处给晶闸管vt1加触发脉冲，u2经vt1和vd4向负载供电。u2过零变负时，因电感作用使电流连续，vdr导通，ud为零。此时为负的u2通过vdr向vt1施加反压使其关断，l储存的能量保证了电流在r-l-vdr回路中流通，此过程为续流过程。忽略二极管的通态电压，则续流期间ud为0，ud不会出现负的现象。 在u2负半周，当晶闸管在触发角a处给晶闸管vt3加触发脉冲，u2经vt3和vd2向负载供电。u2过零变正时，因电感作用使电流连续，vdr导通，ud为零。此时为负的u2通过vdr向vt3施加反压使其关断，l储存的能量保证了电流

3、在r-l-vdr回路中流通，此过程为续流过程。忽略二极管的通态电压，则续流期间ud为0，ud不会出现负的现象。2.2驱动电路的原理与设计2.2.1单结晶体管的介绍该驱动电路主要运用的器件是单结晶体管，单结晶体管（简称ujt）又称基极二极管，它是一种只有一个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。其结构、符号和效电路如图1所示。 hgj一、单结晶体管的特性从图1可以看出，两基极b1与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

4、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0.3-0.85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2 图2、单结晶体管的伏安特性（1）当ve vbb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ice（2）当ve vbb vd vd为二极管正向压降（约为0.7伏），pn结正向导通，ie显著增加，rb1阻值迅速减小，v

5、e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，与其对就的发射极电压和电流，分别称为峰点电压vp和峰点电流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不断上升，ve不断下降，降到v点后，ve不在降了，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点后，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便缓慢地上升，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。2.2.2驱动电路的

6、设计 用单结晶体管构成的晶闸管触发电路如图1 所示。与单结晶体管构成弛张振荡电路相比较，电路的振荡部分相同，同步是通过对电源电路的改进实现的。取自主电路的正弦交流电通过同步变压器t 降压，变为较低的交流电压，然后经二极管整流桥变成脉动直流。稳压管vw 和电阻rw的作用是“削波”，脉动电压小于稳压管的稳压值时，vw 不导通，其两端的电压与整流输出电压相等；如果脉动电压大于稳压管的稳压值，将使vw 击穿，其两端电压保持稳压值，整流桥输出电压高出稳压值的部分降在电阻rw上。这样vw 两端的电压波形近似与一个梯形波，用这个电压取代弛张振荡电路中的直流电源，起到同步作用。由于振荡电路的电源为梯形波，在主

7、电路正弦波每一半波结束和开始的一段时间，振荡电路的电源电压很小，电路不振荡，同时电容电压释放到0。当电源电压接近梯形波的顶部时，振荡电路开始工作，当电容充电使两端的电压达到峰点电压时，单结晶体管导通电容放电，放电电流流过r1与被触发晶闸管的门极的并联电路形成输出，为晶闸管提供触发脉冲，使晶闸管导通。然后电路进入下一振荡周期，但晶闸管一经导通门极就失去控制作用，一个电源电压半周中振荡电路输出的脉冲只是第一个起到触发作用，后面的脉冲是无效的。在主电路电压的半周接近结束时，振荡电路的电源电压进入梯形波的斜边并迅速下降，振荡电路停振，同时电容电压释放到0。因此在主电路的每一个半波中，电容总是从0开始充

8、电，保证了触发脉冲与主电路电压的同步。 在图中改变电位器rp的数值可以调节输出脉冲电压的频率。但是（rpr）的阻值不能太小，否则在单结晶体管导通之后，电源经过rp和r供给的电流较大，单结晶体管的电流不能降到谷点电流之下，电容电压始终大于谷点电压，因此，单结晶体管就不能截止，造成单结晶体管的直通现象。选用谷点电流大一些的管子，可以减少这种现象。当然，（rpr）的阻值也不能太大，否则充电太慢，使晶闸管的最大导通角受到限制，减小移相范围。一般（rpr）是几千欧到几十千欧。 单结晶体管触发电路输出的脉冲电压的宽度，主要决定于电容器放大电的时间常数。r1或c太小，放电快，触发脉冲的宽度小，不能使晶闸管触

9、发。因为晶闸管从阻断状态到完全导通需要一定时间，一般在10uf以下，所以触发脉冲的宽度必须在10uf以上。但是，若c值太大，由于充电时间常数（rp+r）c的最小值决定于最小控制角，则（rp+r）就必须很小，如上所述，这将引起单结晶体管的直通现象。如果r1太大，当单结晶体管尚未导通时，其漏电流就可能在r1上产生较大的电压，这个电压加在晶闸管的控制极上而导致误触发。一般规定，晶闸管的不触发电压为0.150.3v，所以上述电压不应大于这个数值。 脉冲电压的幅度决定于直流电源电压和单结晶体管的分压比。如电源电压为20v，晶体管的分压比为0.5，则在单结晶体管导通时，电容器上的电压约为10v，除去管压降

10、外，可以获得幅度为78v的输出脉冲电压。根据上述数据，输出脉冲的宽度和幅度都能满足触发晶闸管的要求。图1中的电阻r2是作温度补偿用的。因为在upubbud的式中，分压比几乎不随温度而变，而ud将随温度上升而略有下降。这样，up就要随温度而变，这是不希望的。当接入r2（及r1）后，ubb是由稳压电源的电压uz经r2、rbb、r1分压而得，而rbb随温度上升而增大，因此在温度上升后，rbb增大，电流就减小，r1和r2上的压降也相应减小，ubb就增大一些，于是补偿了ud因温度上升而下降之值，从而使峰点电压up保持不变为2.3元器件的选择1).晶闸管的选取图 晶闸管是在晶体管基础上发展起来的一种大功率

11、半导体器件。它的出现使半导体器件由弱电领域扩展到强电领域。晶闸管也像半导体二极管那样具有单向导电性，但它的导通时间是可控的，主要用于整流、逆变、调压及开关等方面。 晶闸管是具有三个pn结的四层结构, 其结构及符号如图 所示。由于单相桥式半控整流带电感性负载主电路主要元件是晶闸管，所以选取元件时主要考虑晶闸管的参数及其选取原则。额定电压 通常取断态重复峰值电压和反向重复峰值电压中较小的，再取靠近标准的电压等级作为晶闸管型的额定电压。在选用管子时，额定电压要留有一定裕量，一般取额定电压应为正常工作峰值电压的23倍，以保证电路的工作安全。晶闸管的额定电压 额定电流 又称为额定通态平均电流。其定义是在

12、室温40°和规定的冷却条件下，元件在电阻性负载流过正弦半波、导通角不小于170°的电路中，结温不超过额定结温时，所允许的最大通态平均电流值。将此电流按晶闸管标准电流取相近的电流等级即为晶闸管的额定电流。要注意的是若晶闸管的导通时间远小于正弦波的半个周期，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的极限，使管子由于过热而损坏。使用时应按实际电流与通态平均电流有效值相等的原则来选取晶闸管，而且应留一定的裕量，一般取1.52倍。正弦半波电流平均值、电流有效值和电流最大值三者的关系为： 各种有直流分量的电流波形，其电流波形的有效值i与td之比，称为这个电

13、流的波形系数，用kf表示。因此，在正弦半波情况下电流波形系数为：因为是阻感负载，则有：= 当=0°时，取得最大值180v即而得出=200v，=180°时，=0，则角的移相范围为0180°。晶闸管承受最大电压为：考虑到23倍安全裕量，则晶闸管的额定电压为 晶闸管承受的最大电流id为：即额定电流i=18a，那么流过单独一个晶闸管的电流有效值为：考虑1.52倍安全裕量则晶闸管的额定电流为： 通态平均管压降 ut(av) 指在规定的工作温度条件下，使晶闸管导通的正弦波半个周期内阳极与阴极电压的平均值，一般在0.41.2v。 维持电流ih 。指在常温门极开路时，晶闸管从较大

14、的通态电流降到刚好能保持通态所需要的最小通态电流。一般ih值从几十到几百毫安，由晶闸管电流容量大小而定。 擎住电流il 擎住电流是晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号后，能维持导通所需的最小电流。对同一晶闸管来说，通常il约为th的24倍。 断态电压临界上升率du/dt。在额定结温和门极开路的情况下，不会导致晶闸管从断态到通态转换的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/dt。在规定条件下，晶闸管能承受的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，有很大的电流集中在门极附近的小区域内，从而造成局部过热而损坏晶闸管。2)、变压器的选取根据参数计算可知:变压器应选变比k为：不考虑变压器的损耗时，则变压器的容量为3200v·a。3 matlab的建模与仿真 单相桥式半控整流电路在simulink环境下，运用powersystemblockset的各种元件模型建立了单相桥式半控整流电路的仿真模型如图2-1所示：图在实际电路中电源部分应该是从电网引进电压然后经变压器降压成有效值为200v的电源然后接入电路中，而我这里采用的是matlab里的交流电源来代替，这主要是为了电路简化和仿真简单，为了与真实电路一致，设置参数时电压有效值设置为200v，周期为0.02秒。对于触发电路部分采用的是matlab里的方波脉冲发生器来产生，为了