单相全波整流电路的设计

1、单相全波整流电路的设计摘 要电力电子技术是一门诞生和发展于20世纪的崭新技术，在21世纪仍将以迅猛的速度发展。以计算机为核心的信息科学将是21世纪起主导作用的科学技术之一。电力电子技术是建立在电子学、电工原理和自动控制三大学科上的新兴学科。因它本身是大功率的电技术，又大多是为应用强电的工业服务的，故常将它归属于电工类。电力电子技术的内容主要包括电力电子器件、电力电子电路和电力电子装置及其系统。电力电子器件以半导体为基本材料，最常用的材料为单晶硅；它的理论基础为半导体物理学；它的工艺技术为半导体器件工艺。近代新型电力电子器件中大量应用了微电子学的技术。电力电子电路吸收了电子学的理论基础，根据器件

2、的特点和电能转换的要求，又开发出许多电能转换电路。这些电路中还包括各种控制、触发、保护、显示、信息处理、继电接触等二次回路及外围电路。利用这些电路，根据应用对象的不同，组成了各种用途的整机，称为电力电子装置。这些装置常与负载、配套设备等组成一个系统。电子学、电工学、自动控制、信号检测处理等技术常在这些装置及其系统中大量应用。整流电路(Rectifier)是电力电子技术中最为重要的电路，应用十分广泛，对单相全波可控整流电路的相关参数和不同性质负载的子电路理论学习的重要一环，在对单相全波可控整流电路工作原理理解的基础上，设计单相全波可控整流电路带负载时的电路原理图，并建立基于PSIM的仿真模型，对

3、工程实践中的实际应用具有预测和指导作用。关键词：电力电子单相全波可控整流电路目 录摘 要11设计任务书11.1 设计目的：11.2 设计要求：11.3 设计内容：11.4 设计题目：11.4.1 设计要求：11.4.2 方案的选择22.设计内容32.1 触发电路的设计32.1.1晶闸管的介绍32.2.2 晶闸管的基本特性42.2.3 晶闸管的主要参数52.2.4 晶闸管的触发条件62.2.5 晶闸管的分类63.电路总设计73.1 单相全波可控整流电路：73.2 参数计算74. 设计总结12参 考 文 献131设计任务书1.1 设计目的： 电力电子技术课程设计是配合交流电路理论教学，为自动化和电

4、气工程及自动化专业开设的专业基础技术技能设计，是自动化和电气工程及自动化专业学生在整个学习过程中一项综合性实践环节，是走向工作岗位、从事专业技术之前的一项综合性技能训练，对学生的职业能力培养和实践技能训练具有相当重要的意义。主要目的在于：1：进一步掌握晶闸管相控整流电路的组成、结构、工作原理； 2：重点理解移相电路的功能、结构、工作原理； 3：理解同步变压器的功能。 1.2 设计要求：1：根据课题正确选择电路形式； 2：绘制完整电气原理图（包括主要电气控制部分）； 3：详细介绍整体电路和各功能部件工作原理并计算各元、器件值；4：编制使用说明书，介绍适用范围和使用注意事项；说明：负载形式及参数可

5、自行选择 1.3 设计内容：1：主电路方案论证 2：电路方框图 3：整流电路方框图 4：电路方案说明 1.4 设计题目：单相全波整流电路的设计 1.4.1 设计要求：（1） 根据课题正确选择电路形式； （2） 绘制完整电气原理图（包括主要电气控制部分）； （3） 详细介绍整体电路和各功能部件工作原理并计算各元、器件值； （4）编制使用说明书，介绍适用范围和使用注意事项； 说明：负载形式及参数可自行选择（例如：输入的为市电，即相电压为220V，输出电 压在0200V可调，负载RL=5.）1.4.2 方案的选择单相全波整流电路可分为单相桥式半控整流电路和单相桥式全控整流电路，它们所连接的负载性质不

6、同就会有不同的特点。下面分析两种单相桥式整流电路在带电感性负载的工作情况。单相全波整流电路的优点是：线路简单、调整方便。弱点是：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的半波，没有直流磁化问题，变压器利用率高的优点。 单相全波整流电路其输出平均电压是半波整流电路2倍，在相同的负载下流过晶闸管的平均电流减小一半；且功率因数提高了一半。单相全波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的是单相全控桥式整流电路2.设计内容2.

7、1 触发电路的设计2.1.1晶闸管的介绍晶管又称为晶体闸流管，可控硅整流（Silicon Controlled Rectifier-SCR），开辟了电力电子技术迅速发展和广泛应用的崭新时代; 20世纪80年代以来，开始被性能更好的全控型器件取代。能承受的电压和电流容量最高，工作可靠，以被广泛应用于相控整流、逆变、交流调压、直流变换等领域，成为功率低频（200Hz以下）装置中的主要器件。晶闸管往往专指晶闸管的一种基本类型-普通晶闸管。广义上讲，晶闸管还包括其许多类型的派生器件 晶闸管是大功率器件，工作时产生大量的热，因此必须安装散热器。 外行:螺栓型和平板型两种封装 引出阳极A、阴极K和门极（或

8、称栅极）G三个联接端。 对于螺栓型封装，通常螺栓是其阳极，能与散热器紧密联接且安装方便平板型封装的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2.1.1.1图2-1 晶闸管的外形、内部结构、电气图形符号和模块外形 a)晶闸管外形 b)内部结构 c)电气图形符号 d)模块外形晶闸管为什么会有以上导通和关断的特性，这与晶闸管内部发生的物理过程有关。晶闸管是一个具有P1N1P2N2四层半导体的器件，内部形成有三个PN结J1、J2、J3，晶闸管 正向阳极电压时，其中J1、J3承受反向阻断电压，J2承受正向阻断电压。 2.2.2 晶闸管的基本特性（1） 静态特性 静态特性又称伏安特性，指

9、的是器件端电压与电流的关系。这里介绍阳极伏安特性和门极伏安特性。 阳极伏安特性 晶闸管的阳极伏安特性表示晶闸管阳极与阴极之间的电压Uak与阳极电流ia之间的关系曲线，如下图所示。图2-2正向阻断高阻区；负阻区；正向导通低阻区；反向阻断高阻区 阳极伏安特性可以划分为两个区域：第象限为正向特性区，第象限为反向特性区。第象限的正向特性又可分为正向阻断状态及正向导通状态。 晶闸管常应用于低频的相控电力电子电路时，有时也在高频电力电子电路中得到应用，如逆变器等。在高频电路应用时，需要严格地考虑晶闸管的开关特性，即开通特性和关断特性。 （2）开通特性 晶闸管由截止转为导通的过程为开通过程。图1-12给出了

10、晶闸管的开关特性。在晶闸管处在正向阻断的条件下突加门极触发电流，由于晶闸管内部正反馈过程及外电路电感的影响，阳极电流的增长需要一定的时间。从突加门极电流时刻到阳极电流上升到稳定值IT-的10%所需的时间称为延迟时间td，而阳极电流从10%IT上升到90%IT所需的时间称为上升时间tr，延迟时间与上升时间之和为晶闸管的开通时间 tgt=td+tr，普通晶闸管的延迟时间为0.51.5s，上升时间为0.53s。延迟时间随门极电流的增大而减少，延迟时间和上升时间随阳极电压上升而下降。 （2）关断特性 通常采用外加反压的方法将已导通的晶闸管关断。反压可利用电源、负载和辅助换流电路来提供。 要关断已导通的

11、晶闸管，通常给晶闸管加反向阳极电压。晶闸管的关断，就是要使各层区内载流子消失，使元件对正向阳极电压恢复阻断能力。突加反向阳极电压后，由于外电路电感的存在，晶闸管阳极电流的下降会有一个过程，当阳极电流过零，也会出现反向恢复电流，反向电流达最大值IRM后，再朝反方向快速衰减接近于零，此时晶闸管恢复对反向电压的阻断能力。2.2.3 晶闸管的主要参数要正确使用一个晶闸管，除了了解晶闸管的静态、动态特性外，还必须定量地掌握晶闸管的一些主要参数。现对经常使用的几个晶闸管的参数作一介绍。 电压参数 （1） 断态重复峰值电压UDRM 门极开路，元件额定结温时，从晶闸管阳极伏安特性正向阻断高阻区（图1-10中的

12、曲线）漏电流急剧增长的拐弯处所决定的电压称断态不重复峰值电压UDSM，“不重复”表明这个电压不可长期重复施加。取断态不重复峰值电压的90定义为断态重复峰值电压UDRM，“重复”表示这个电压可以以每秒50次，每次持续时间不大于10ms的重复方式施加于元件上。 （2） 反向重复峰值电压URRM 门极开路，元件额定结温时，从晶闸管阳极伏安特性反向阻断高阻区（图1-10中曲线）反向漏电流急剧增长的拐弯处所决定的的电压称为反向不重复峰值电压URSM，这个电压是不能长期重复施加的。取反向不重复峰值电压的90定义为反向重复峰值电压URRM，这个电压允许重复施加。 （3） 晶闸管的额定电压UR 取UDRM和U

13、RRM中较小的一个，并整化至等于或小于该值的规定电压等级上。电压等级不是任意决定的，额定电压在1000以下是每100一个电压等级，1000至3000则是每200一个电压等级。 由于晶闸管工作中可能会遭受到一些意想不到的瞬时过电压，为了确保管子安全运行，在选用晶闸管时应使其额定电压为正常工作电压峰值UM的23倍，以作安全余量。 UR=(23)UM （1-4） （4） 通态平均电压UT（AV） 指在晶闸管通过单相工频正弦半波电流，额定结温、额定平均电流下，晶闸管阳极与阴极间电压的平均值，也称之为管压降。在晶闸管型号中，常按通态平均电压的数值进行分组，以大写英文字母AI表示。通态平均电压影响元件的损

14、耗与发热，应该选用管压降小的元件来使用。 电流参数 （1） 通态平均电流IT（AV） 在环境温度为40、规定的冷却条件下，晶闸管元件在电阻性负载的单相、工频、正弦半波、导通角不小于170°的电路中，当结温稳定在额定值125时所允许的通态时的最大平均电流称为额定通态平均电流IT（AV）。选用晶闸管时应根据有效电流相等的原则来确定晶闸管的额定电流。由于晶闸管的过载能力小，为保证安全可靠工作，所选用晶闸管的额定电流IT（AV）应使其对应有效值电流为实际流过电流有效值的1.52倍。按晶闸管额定电流的定义，一个额定电流为100A的晶闸管，其允许通过的电流有效值为157A。 （2） 维持电流IH

15、 维持电流是指晶闸管维持导通所必需的最小电流，一般为几十到几百毫安。维持电流与结温有关，结温越高，维持电流越小，晶闸管越难关断。 （3） 掣住电流IL 晶闸管刚从阻断状态转变为导通状态并撤除门极触发信号，此时要维持元件导通所需的最小阳极电流称为掣住电流。一般掣住电流比维持电流大（24）倍。 2.2.4 晶闸管的触发条件 （1）：晶闸管承受反向电压时，不论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通； （2）：晶闸管承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情况下晶闸管都才能导通； （3）：晶闸管一旦导通门极旧失去控制作用； （4）：要使晶闸管关断，只能使其电流小到零一下. 2.2.5 晶闸管的分类晶闸管分为

16、：快速晶闸管，逆导晶闸管，双向晶闸管，光控晶闸管，门极可关断晶闸管（GTO），电力晶闸管（GTR），功率场效应晶闸管（MOSFET），绝缘珊双极晶闸管（IGBT），MOS控制晶闸管，集成门极换向晶闸管.静电感应晶体管。3.电路总设计3.1 单相全波可控整流电路：电路简图如下：此电路变压器是带中心抽头的，结构比较复杂，只要用2个可控器件，单相全波只用2个晶闸管，比单相全控桥少2个，因此少了一个管压降，相应地，门极驱动电路也少2个，但是晶闸管承受的最大电压是单相全控桥的2倍。不存在直流磁化的问题，适用于输出低压的场合作用。工作原理（1） 当输入电压为正半周时，V1导通，V2截止，电流从上流入电阻。

17、（2） 当输入电压为负半周时，V2导通，V1截止，电流从上流入电阻3.2 参数计算（1） 整电压平均值为变压器二次绕组两个部分各自交流电压有效值。时，；时，。可见角的移相范围为。（2） 向负载输出的直流电流平均值（3） 二极管的平均电流 晶闸管VT1和VT2轮流导电，流过晶闸管的电流平均值只有输出直流电流平均值的一半，即（4） 二极管的反向最高电压（5） 为选择晶闸管、变压器容量、导线截面积等定额，需考虑发热问题，为此需计算电流有效值。流过晶闸管的有效值为：变压器二次电流有效值与输出电流有效值相等，为由以上两式可知不考虑变压器的损耗时，要求变压器的容量为优点：电源利用率高缺点：对变压器、二极管

18、的要求较高。电路应用：电脑音箱电源电路、小黑白电视机电源电路。参数选择及设计条件：1. 电源电压：直流U2=220V2. 电阻=10003. f=50HZ4. 输出功率：S=5. 计算内容： T=1/f=1/50=0.02s =100当=30 时 =184.7vId=0.185A当时 =99v Id=0.099A当时 =49.5v Id=0.0495A触发角为30度（小于90度）（2） 触发角为90度（等于90度）（3）触发角为120度（大于90度）4. 设计总结通过单相全波整流电路的设计，使我加深了对整流电路的理解，让我对电力电子该课程产生了浓烈的兴趣。 整流电路的设计方法多种多样，且根据负载的不同，又可以设计出很多不同的电路。同时提高了自己完成课程设