晶闸管课程设计说明书

1、精品文档 课程设计说明书 电力电子技术课程设计 院 、 部： 电气与信息工程学院 学生姓名： 指导教师： 职称 副教授 专 业： 自动化专业 班 级： 自本1103班 完成时间： 2021年5月28日 摘要普通晶闸管是半控型电力电子器件。为了使晶闸管由阻断状态转入导通状态，晶闸管在承受正向阳极电压的同时，还需要在门极加上适当的触发电压。控制晶闸管导通的电路称为触发电路。触发电路常以所组成的主要元件名称进行分类，包括简单触发电路、单结晶体管触发电路、晶体管触发电路、集成电路触发器和计算机控制数字触发电路等。 控制GTR、GTO、功率MOSFET、IGBT等全控型器件的通断那么需要设置相应的驱动电

2、路。基极门极、栅极驱动电路是电力电子主电路和控制电路之间的接口。采用性能良好的驱动电路，可使电力电子器件工作在较理想的开关状态，缩短开关时间，减少开关损耗。另外，许多保护环节也设在驱动电路或通过驱动电路来实现。  触发电路与驱动电路是电力电子装置的重要组成局部。为了充分发挥电力电子器件的潜力、保证装置的正常运行，必须正确设计与选择触发电路与驱动电路。 关键词： 半控型；触发脉冲；触发信号；触发电路 ABSTRACT Ordinary thyristor - controlled power electronic devices. In order to make ththy

3、ristor by blocking state to the conduction state, thyristor under forward anode voltage at the same time, also need to add the appropriate gate trigger voltage. Control circuit of the thyristor is called the trigger circuit. The trigger circuit is often classified as main component name, including s

4、imple trigger circuit, trigger circuit of the unijunction transistor trigger circuit, transistor, integrated circuit trigger and computer control digital trigger circuit.Control of GTR, GTO, power MOSFET, IGBT full controlled devices off you need to set the corresponding driving circuits. Base (gate

5、, gate drive circuit between power) is the main circuit and control circuit of the electronic interface. The driving circuit with good performance, can make the power electronic devices work in the switch state of ideal, shorten the switching time, reduce the switching loss. In addition, many protec

6、tion link is located in the drive circuit or to achieve through the drive circuit.Trigger circuit and drive circuit is an important part of power electronic device. In order to ensure the normal operation and give full play to the potential of power electronic devices, device, must correct design an

7、d select trigger circuit and drive circuit.The trigger signal of the thyristor can be part of a positive half cycle of AC, DC is also available, can also be used short pulse. In order to reduce the gate loss, to ensure the accuracy of the trigger signal triggering time, often using pulse form. The t

8、hyristor trigger circuit of the basic requirements are as follows: Keywords： half control; trigger; trigger; trigger circuit.欢迎下载精品文档 目录 1 晶闸管11.1单向晶闸管11.2双向晶闸管32晶闸管触发电路4 2.1 单向晶闸管触发电路42.2 双向晶闸管触发电路62.3 触发电路工作原理72.4   锯齿波的形成、脉冲移相环节    82.5   同步环节  93 AT89

9、C2051的晶闸管触发电路设计113.1 触发电路的硬件设计113.2 AT89C2051简介113.3 晶闸管触发主电路123.4 触发电路的软件设计13 3.5 小结14参考文献15致谢16附录17欢迎下载精品文档1晶闸管1.1单向晶闸管1单向晶闸管的结构和符号1外形平面型、螺栓型和小型塑封型等几种。 2符号及内部结构三个电极：阳极A、阴极K、控制极G4层半导体：引出线为控制极；引出线为阳极；引出线为阴极3个PN结，文字符号：一般用SCR、KG、CT、VT表示。2单向晶闸管的工作原理：1实验演示： 正向阻断：AK加正向电压，G无电压不导通。 反向阻断：AK加反向电压，G无论是否加控制电压不

10、导通。 触发导通：AK加正向电压，G，K加正向电压导通。 导通后控制极失去控制作用：晶闸管一旦导通，降低或去掉控制极电压 仍导通。2工作特点： 单向晶闸管导通必须具备两个条件：一是晶闸管阳极与阴极间接正向电压；二是控制极与阴极之间也要接正向电压。 晶闸管一旦接通后，去掉控制极电压时，晶闸管仍然导通。 导通后的晶闸管假设要关断时，必须将阳极电压降低到一定程度。 晶闸管具有控制强电的作用，即利用弱电信号对控制极的作用，就可使晶闸管导通去控制强电系统。3单向晶闸管主要参数1额定正向平均电流在规定环境温度和散热条件下，允许通过阳极和阴极之间的电流平均值。2维持电流在规定环境温度、控制极断开的条件下，保

11、持晶闸管处于导通状态所需要的最小正向电流。3控制极触发电压和电流在规定环境温度及一定正向电压条件下，使晶闸管从关断到导通，控制极所需的最小电压和电流。4正向阻断峰值电压在控制极开路和晶闸管正向阻断的条件下，可以重复加在晶闸管两端的正向峰值电压。5反向阻断峰值电压在控制极断开时，可以重复加在晶闸管上的反向峰值电压。4晶闸管的型号及含义C31型号 T -5 / 500表示额定正向平均电流为5 A表示晶闸管元件表示N型硅材料表示三个电极表示额定电压为500 V 2简易检测a用万用表“R ´ 10挡，黑笔接阳极，红笔接阴极，指针应接近 ¥ 。b合上S，表针应指很小阻值，约为60 W

12、 200 W，说明晶闸管能触发导通。 c断开S，表针不回到零，说明晶闸管是正常的。1.2双向晶闸管1双向晶闸管的结构与符号1外形 2符号文字符号：TLC、SCR、CT及KG、KS等表示。3结构有三个电极，为主电极和，另一个电极G为控制极。2双向晶闸管的工作特点特性：主电极、无论加正向电压还是反向电压，其控制极G的触发信号无论是正向还是反向，它都能被“触发导通。主电极间电压是交流形式。3双向晶闸管的检测1用万用表“R ´ 1 k挡，黑笔接，红笔接，表针应不动或微动，调换两表笔，表针仍不动或微动为正常。2用万用表“R ´ 1挡，黑笔接，红笔接，将触发极与短接一下后离开，万用表应

13、保持几欧到几十欧的读数；调换两表笔，再次将触发极与短接一下后离开，万用表指示情况同上。3对功率放大或功率较小但质量较差的双向晶闸管，应将万用表黑表笔接电池负极。然后按2所述方法测量判断。2.晶闸管触发电路2.1单向晶闸管触发电路1单结晶体管的结构和型号1结构三个电极：发射极E、第二基极第一基极一个PN结。 2电路符号发射极箭头指向极，表示经PN结的电流只流向。3外形2单结晶体管的根本特性1等效电路：E与间电阻，随发射极电流而变，即上升，下降。：E与间的电阻，数值与IE无关。：两基极间电阻。=+。h ：称为分压比，与的比值，h 一般在0.3 0.8之间。2导通条件3单结晶体管触发电路1单结晶体管

14、触发脉冲形成电路2工作原理电源接通后，通过微调电阻和电阻向电容C充电，当单结晶体管满足导通条件，单结晶体管导通，C迅速放电，在电阻上形成一个很窄的正脉冲。经过一个周期后，单结晶体管截止，由通过微调电阻和电阻向电容C充电，重复上述过程。2.2双向晶闸管触发电路1双向二极管触发电路1触发电路：双向二极管。：双向晶闸管。：负载。2工作原理 交流电源处于正半周，对电容C充电，电压极性为上正下负。 电压增大到使双向二极管导通，可使双向晶闸管导通。 当交流电源过零的瞬间，双向晶闸管自行阻断。 交流电源处于负半周，对电容C充电，电压极性为下正上负。 电压增大到的转折电压，使双向二极管反相导通，可使双向晶闸管

15、 导通。 调节值，即可改变电容的充电常数，从而改变脉冲出现时刻，可改变晶闸管的导通角。2其他类型的触发电路1RC触发电路特点：简单、本钱低。2晶体管组合触发电路 为NPN型，只用C、E两极。 3氖管触发电路本钱低，氖管可作指示器 . 2.3触发电路工作原理晶闸管的触发条件  晶闸管需要在其阳极加上正向电压，并且还须在门极与阴极之间加上触发电压才能导通。触发电压给出的时刻决定了晶闸管导通的时刻，通过控制触发角的大小即控制触发脉冲起始相位来控制输出电压大小因为ud=2.34U2cos  (0<<90)。实验线路及原理   同步信号为锯齿

16、波的触发电路由V3、VD1、VD2、C1等元件组成同步检测环节，其作用是利用同步电压UT来控制锯齿波产生的时刻及锯齿波的宽度。由V1、V2等元件组成的恒流源电路，当V3截止时，恒流源对C2充电形成锯齿波；当V3导通时，电容C2通过R3、V3放电；调节电位器RP1可以调节恒流源的电流大小，改变对电容的充电时间，从而改变了锯齿波的斜率；控制电压Uct、偏移电压Ub和锯齿波电压在V5基极综合叠加，从而构成移相控制环节，RP2、RP3分别调节控制电压Uct和偏移电压Ub的大小；V6、V7构成脉冲形成放大环节，C5为强触发电容用于改善脉冲的前沿，由脉冲变压器输出触发脉冲，电路的各点典型波形如图3-7所示

17、。  本装置设有两路锯齿波同步移相触发电路，分别为I和II，它们在电路上完全一样，只是锯 齿波触发电路II输出的触发脉冲相位与I恰好互差180O ，供完成单相整流及逆变电路实验用。  电位器RP1、RP2及RP3均已安装在挂箱的面板上，同步变压器副边已在挂箱内部接好，所有的测试信号均在面板上引出。2.4  锯齿波的形成、脉冲移相环节         锯齿波形成电路由T1、T2、T3和C2等元件组成，其中T1、Dz、Rp2和R3为一 个理想电流源电路。T2截止时，理想电流源电流I1c对电

18、容C2充电。当T2导通时，由于R4阻值很小，所以C2迅速放电，使ub3电位迅速降到零。当T2周期性的导通和截止时， ub3便形成锯齿波，同样ue3也是一个锯齿波电压。 射极跟随器T3的作用是减小控制回路的电流对锯齿波电压ub3的影响。调节电位器Rp2，即改变C2的恒定充电电流I1c，可调节锯齿波斜率。       T4基极电位由锯齿波电压uh、控制电压uco、直流偏移电压up三者共同决定。如果uco=0，up为负值时，ub4点的波形由uh+up确定。当uco为正值时，ub4点的波形由uh+up+uco确定。Ub4电

19、压等于0.7V后，T4导通，T4经过M点时使电路输出脉冲。之后ub4一直被钳位在0.7V。M点是T4由截止  到导通的转折点，也是脉冲的前沿。因此当up为某一固定值时，改变M点的时间坐标，  即改变了脉冲产生的时刻，脉冲被移相。可见，加up的目的是为了确定控制电压uco=0时脉冲的初始相位。  2.3.2  脉冲形成环节  T4、T5组成脉冲形成环节，T7、T8组成脉冲放大电路。控制电压uco加在T4基极上。Uco=0时，T4截止，T5饱和导通，T7、T8处于截止状态，脉冲变压器TP二产次侧无脉冲输出。电容C3充电，充满后电

20、容两端电压接近2UC。当uco0.7V时，T4导通，A点电位由+15V下降到1.0V左右，由于C3两端的电压不能突变，T5基极电位迅速降至-30V，T5立即截止。T5集电极电压由-15V上升到钳们电压+2.1VD6、T7、T8三个PN结正向压降之和，T7、T8导通，脉冲变压器TP二次侧输出触发脉冲。与此同时，电容C3经+15V、R11、D4、T4放电和反向充电，使T%基极电位上升，直到ub5>-Uc,T5又重新导通，使T7、T8截止，输出脉冲终止。输出、脉冲前沿由T4导通时刻确定，脉冲宽度与反向充电回路时间常数R11C3有关。  2.5  同步环节 

21、;       同步就是要求触发脉冲的频率与主电路电源的频率相同且相位关系确定。锯齿波是 由开关管T2来控制的。T2由导通变截止期间产生锯齿波，T2截止状态持续的时间就是锯齿波的宽度，T2开关的频率就是锯齿波的频率。同步环节是由同步变压器TB和作同步开关用的晶体管T2组成。同步变压器和整流变压器接在同一电源上，用同步变压器的二次电压来控制它的通、断作用，这就保证了触发脉冲与主电路电源同步。        同步变压器TB二次电压uTB经二极管D1间接加在T2的基极上。当二次电压波形在负半周的下降段

22、时，D1导通，电容C1被迅速充电。因O点接地为零电位，R点为负电位，Q点电位与R点相近，故在这一阶段T2基极为反向偏置而截止。在负半周的上升段，+15V电源通过R1给电容C1反向充电，12uQ为电容反向充电波形，其上升速度比u TB波形慢，故D1截止。当Q点电位达1.4V时，T2导通，Q点电位被钳位在1.4V。直到TB二次电压的下一个负半周到来时，D1重新导通，C1迅速放电后又被充电，T2截止，如此周而复始。在一个正弦波周期内，T2包括截止与导通两个状态，对应锯齿波波形恰好是一个周期，与主电路电源频率和相位完全同步，到达同步的目的。  2.3.4  双窄

23、脉冲形成环节  产生双脉冲的方法有两种，一种是每个触发电路有每个周期内只产生一个脉冲，脉冲输出电路同时触发两个桥臂的晶闸管，这称为外双脉冲触发。另一种方案是每个触发电路在一个周期内连续出现个相隔60°的窄脉冲，脉冲输出电路只触发一个晶闸管，这称为内双脉冲触发。内双脉冲是目前应用最多的一种触发方式。  T5、T6构成或门。当T5、T6都导通时，T7、T8截止，没有脉冲输出。只要T5、T6有一个截止，都会使T7、T8导通，有脉冲输出。所以只要用适当的信号来控制T5或T6的截止，就可以主生符合要求的脉冲。其中，第一个脉冲由本相触发单元的uco对应的控制角所产生，使T4由

24、截止变为导通，T5瞬时截止，于是T8输出脉冲。相隔60°的第二个脉冲是由滞后60°相位的后一相触发单元主生，在其生成第一个脉冲时刻将其信号引至本相触发单元的基极，使T6瞬时截止，于是本相触发单元的T8管又导通，第二次输出一个脉冲，因现时得到间隔60°的双脉冲。其中D4和R17和作用主要是防止双脉冲信号互相干扰。 3. AT89C2051的晶闸管触发电路设计3.1 触发电路的硬件设计 硬件电路以ATMEL公司的AT89C2051单片机为核心，包括晶闸管过零检测电路、控制器投切命令电路、脉冲隔离放大电路等几局部组成，硬件框图如图1所示3.2 AT89C2051简介 A

25、T89C2051是美国ATMEL公司生产的低电压、高性能CMOS 8位单片机 片内含2 k bytes的可反复擦写的只读程序存储器(PEROM)和128 bytes的随机数据存储器(RAM)，两个16位定时，计数器，一个5向量两级中断结构。一个全双工串行通信口，内置一个精密比拟器片内振荡器及时钟电路，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，其软件、硬件与MCS一51完全兼容，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，这使得其开发调试都十分方便131。功能强大的AT89C2051单片机提供了高度灵活和低成本的解决方法，完全可以满足对晶闸管触发电路快速、准确的要求。AT89C20

26、51硬件结构如图2所示。 1)端口P1 P1口是一个8位双向砌口。引脚P12至Pl-7提供内部上拉电阻，P10和P11那么需外加上拉电阻。P10和P11还分别作为片内精密模拟比拟器的同相输入(AN10)和反相输入(AIN1) 2)端口P3 P3口的P30至P35、P37是带有内部上拉电阻的7个双向IO口。P36用于固定输入片内比拟器的输出信号并且它作为一通用1O引脚而不可访问3.3 晶闸管触发主电路 晶闸管触发主电路如图5所示。电路以AT89C2051单片机为核心采用8 M 晶振定时器工作方式。PI El用作触发晶闸管的脉冲输出，P3口用作晶闸管过零信号检测。其管脚具体连接见图5。其工作过程是

27、：当单片机通过投切命令电路接到电容器投人指令时，P10 ORDER管脚会呈高电平。此时检测电路检测晶闸管是否过零，当检测到晶闸管过零时，单片机INT0、INT1管脚会触发中断，单片机进人脉冲中断程序，产生触发脉冲在单片机P1口输出去驱动脉冲问。单片机输出的触发脉冲信号为高频调制脉冲，所以脉冲变压器采用高频变压器，体积小，不发热，易安装，二极管均采用快速二极管fl1。工作原理是：当单片机高频脉冲输出时，三极管立即进入导通状态，由于电容cq的瞬间短路作用，使得脉冲变压器的原边得到信号为+24 V的尖峰脉冲，它可以用作晶闸管的强触发脉冲，在C 的两端并上电阻R30减小了高频信号的阻抗，相当于微分，这

28、样提高了信号的上升速率，加快了导通速度，提高触发的可靠性。而后单片机输出的高频脉冲使得变压器副边得到持续的幅值较低的高频调制脉冲继续供应晶闸管触发脉冲，以提高电流断续时晶闸管工作的稳定性。同时也降低了触发电路的功耗回。3.4 触发电路的软件设计 软件设计采用中断效劳程序的方法。脉冲宽度和间隔采用软件延时方法来定时。程序设计简单，短小精悍，思路清晰。程序流程图如图6所示。电源模拟控制器投切信号。为观察方便，笔者在一个电容器上并联了指示灯，具体如图3.5 小结 本实验充分利用了AT89C52单片机的内部资源，采用了单片机实现导通角对电路输出电流的控制，使用单片机内部计数定时器而省去了一些外围器件，

29、由此使得结构简单。通过软件实现对晶闸管的控制智能化。该控制方案简单，使用元件少、实现容易、应用广泛，有很高的实用和推广价值。 参考文献【1】王兆安，黄俊主编电力电子技木【M】第四版北京：机械工业出版社，2004年1月【2】王云亮主编电力电子技术【M】北京：电子工业出版社，2004年8月【3】梁廷贵主编现代集成电路实用手册可控硅触发电路分册【M】北京：科学技术文献出版社，2002年2月致谢 课程设计是枯燥艰辛而又富有挑战的，在老师的谆谆诱导、同学的出谋划策及家长的支持鼓励，是我坚持完成设计的动力源泉。在此，我特别要感谢我的导师肖文英老师。从课程设计的选题、文献的采集、框架的设计、结构的布局到最终

30、的完成，从内容到格式，从标题到标点，她都费尽心血。没有老师的辛勤栽培、孜孜教诲，就没有我课程设计的顺利完成。  通过这一阶段的努力，我的课程设计终于完成了，这意味着本学期即将结束。在本学期，我在学习上和思想上都受益非浅，这除了自身的努力外，与各位老师、同学和朋友的关心、支持和鼓励是分不开的。本课程设计的完成也离不开其他各位老师、同学和朋友的关心与帮助。在此也要感谢老师提出的珍贵意见，感谢管理学院能源课题组为本论文提供的数据和建议，还要感谢同学们，在科研过程中给我以许多鼓励和帮助。回想整个过程，虽有不易，却让我除却急躁，经历了思考和启示，也更加深切地体会了专业知识的精髓和意义，因此倍感

31、珍惜。  附录1. 三相相桥式全控整流电路MATLAB仿真 1电阻性负载 电路结构与工作原理 三相相桥式全控整流电路阻性负载电路图如图4-1所示为典型三相桥式全控整流电路，共用了六个晶闸管，三只晶闸管接成共阳极，三只晶闸管接成共阴极，每一只晶闸管是一个桥臂，桥式整流电路的工作方式特点是整流元件必须成对以构成回路，负载为电阻性。（2） 工作原理 晶闸管按从1至6的顺序导通，为此将晶闸管按图示的顺序编号，即共阴极中与a,b,c三相电源相接的3个晶闸管分别为VT1，VT3，VT5，共阳极组中与a,b,c三相电源相接的3个晶闸管分别为VT4，VT6，VT2。编号如图1-1所示，晶闸管的导通顺

32、序为VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6。其工作特点是任何时刻都有不同组别的两只晶闸管同时导通，构成电流通路，为保证电路启动或电流断续后能正常导通，必须对不同组别应到导通的脉冲的一对晶闸管同时加触发脉冲，所以触发脉冲的宽度应大于60度的宽脉冲，每隔60度换相一次，换相过程在共阴极组和共阳极组轮流进行，但只在一组别中换相，共阴极T1，T3，T5的脉冲一次相差120度；同一组的上下两个桥臂的脉冲相差180度，当触发角是0度时，输出的电压一周期内的波形是6个线电压的包络线，所以输出脉动直流电压频率是电源频率的6倍，故该电路又称为6脉动整流电路。2. 建模仿真在Matlab新建一个Model

33、，命名为zuxingfuzai，同时模型建立如下列图所示：在此电路中，输入电压的电压设置为220V，频率设置为50Hz，电阻阻值设置为10欧姆，电感设为0，触发角分别设置为30°，60°，90°，120°，150°进行分析理论。 阻性负载的电路建模图 图4-3 整流器输入的三相相电压波形1) 时的阻性负载1参数设置1、同步脉冲信号发生器参数 图4-4 脉冲信号发生器参数设置2、负载上的参数设置 负载参数设置2波形仿真 30度阻性负载波形图晶闸管电压、负载电流和电压2)时的阻性负载1参数设置与30度相同2波形仿真 60度阻性负载波形图晶闸管电压、负载电流和电压时的阻性负载1参数设置与30度相同2波形仿真 90度阻性负载波形图晶闸管电