单相桥式半控整流电路(组感负载,带续流二极管 反电动势)

1、中北大学电子技术课程设计说明书目录1 课程设计的目的与要求21.1 引言1.2 课程设计的目的221.3 课程设计要求 32 课程设计方案选择32.1 整流电路32.2 元器件的选择32.2.1 晶闸管 42.2.2 可关断晶闸管 53 元器件和电路参数计算63.1 晶闸管的基本特性63.1.1静态特性 63.1.2动态特性 73.2 晶闸管基本参数83.2.1 晶闸管的主要参数 84单线桥式半控主电路的设计104.1电路的结构与工作原理104.1.1 电路结构104.1.2 工作原理104.2基本数量关系114.3建模124.4 仿真结果 144.5小结15参考文献 16第 1 页 共 页中

2、北大学电子技术课程设计说明书1 课程设计的目的与要求11 引言本方面有很大潜电力电子技术又称为功率电子技术，他是用于电能变换和功率控制的电子技术。电力电子技术是弱电控制强电的方法和手段，是当代高新技术发展的重要内容，也是支持电力系统技术革命发展的重要基础，并节能降耗、增产节约提高生产效能的重要技术手段。微电子技术、计算机技术以及大功率电力电子技术的快速发展，极大地推动了电工技术、电气工程和电力系统的技术发展和进步。电力电子器件是电力电子技术发展的基础。正是大功率晶闸管的发明，学科。而二十世纪九十年代各种全控型大功率半导体器件的发明，进一步拓展到国民经济的各个部门，包括钢铁、冶金、化工、电力、石

3、油、汽车、运输以及人们的日常生活。功率范围大到几千兆瓦的高压直流输电，小到一瓦的手机充电器，电力电子技术随处可见。传统的机械式开关操作设备相比有动态响应点，能够显著地改善电力系统的特性，节约运行成 力。快，控制方便，灵活的特在提高系统稳定、降低运行风险、1.2 课程设计的目的的深化和提高。因此，通过电力电子计术的课程设计达到以下几个目的：1）培养综合应用所学知识，并设计出具有电压可调功能的直流电源系统的能力；2）较全面地巩固和应用本课程中所学的基本理论和基本方法，并初步掌整流电路设计的基本方法。3）培养独立思考、独立收集资料、独立设计的能力；第 2 页 共 页中北大学电子技术课程设计说明书4）

4、培养分析、总结及撰写技术报告的能力。1.3 课程设计要求设计条件：1.电源电压：交流 100V/50Hz2.输出功率：500W3.触发角 304.反电势、阻感负载、带续流二极管 E=75V设计内容包括：1.整流变压器额定参数的计算2.晶闸管电流、电压额定参数选择3.触发电路的设计2 课程设计方案选择2.1 整流电路们所连接的负载性质不同就会有不同的特点。而负载性质又分为带电阻性负载、电阻-电感性负载和反电动势负载时的工作情况。单相桥式半控整流电路（电阻-电感性负载 反电动势）电路简图如下：LabR第 3 页 共 页中北大学电子技术课程设计说明书该电路在实际应用中需加设续流二极管 VDR际运行中

5、，若没有续流二极管，则当 突然增大至 180或触发脉冲丢失时，会发o Ud周期 U为正弦，另外半周期 U为零，其平均值保持恒定，相当于单相半波不可控dd整流电路时的波形，称为失控。例如当 VT导通时切断触发电路，则当 U变负时，21由于电感作用，负载电流由 VT和 VD续流，当 U又为正时，因 VT是导通的，U11222又经 VT和 VD向负载供电，出现失控现象。41有续流二极管 VD时，续流过程由VD完成，在续流阶段晶闸管关断，这就避RR压降管，少了一个压降管，有利于降低损耗。2.2 元器件的选择2.2.1 晶闸管晶管又称为晶体闸流管，可控硅整流（Silicon Controlled Rec

6、tifier-SCR;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。1）晶闸管的结构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。引出阳极A、阴极 K和门极（或称栅极）G三个联接端。内部结构:四层三个结如图 2.22）晶闸管的工作原理图PNPN）组成，形成三个结J（PNJ（NP1112211212J（PN PPN引入 AGK三个电极，如图1.2(左)所示。由于具132222有扩散工艺，具有三结四层结构的普通

7、晶闸管可以等效成如图（右）所示的两个晶闸管 T（P-NP）和（N-P-N）组成的等效电路。1111-222第 4 页 共 页中北大学电子技术课程设计说明书 图 3）晶闸管的门极触发条件（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（3（4晶闸管的驱动过程更多的是称为触发，产生注入门极的触发电流 的电路称为门极触发电路。也正是由于能过门极只能控制其开通，不能控制其关断，晶闸管才被称为半控型器件。只有门极触发是最精确、迅速而可靠的控制手段。2.2.2 可关断晶闸管第 5 页 共 页中北大学电子技术课程设计说明书可关断晶闸管简称 GTO可关断晶闸管的工作原理图 GTO

8、的导通机理与 SCR是完全一样的。 GTO GTO在关断机理上与 SCR3 元器件和电路参数计算3.1 晶闸管的基本特性3.1.1静态特性静态特性又称伏安特性，指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。（1） 阳极伏安特性Uakia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 与阳极电流 之间的关系曲线，如图 5-1所示。第 6 页 共 页中北大学电子技术课程设计说明书图 5.1 晶闸管阳极伏安特性正向阻断高阻区；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

9、导通状态。（2） 门极伏安特性晶闸管的门极与阴极间存在着一个 PN 结 J ，门极伏安特性就是指这个PN 结上3UgIg正向门极电压 与门极电流 间的关系。由于这个结的伏安特性很分散，无法找间的一片区域来代表所有元件的门极伏安特性，如图 5-2 阴影区域所示。图 5.2 晶闸管门极伏安特性3.1.2动态特性到应用，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。（1）开通特性 1-12 给出了晶闸管的开关特性。ITtdIT电流上升到稳定值 的 10%所需的时间称为延迟时间 ，而阳极电流从 10% 上升ITtr到 90% 所需的时间称为上升时间 ，延迟时间与上

10、升时间之和为晶闸管的开通时t t t间 = + ，普通晶闸管的延迟时间为 0.51.5 s，上升时间为 0.53 s。延gtdr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。第 7 页 共 页中北大学电子技术课程设计说明书（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，I也会出现反向恢复电流，反向电流达最大值 后，再朝反方向快速衰减接近于零，RM此时晶闸管恢复对反向电压的阻断能

11、力。3.2 晶闸管基本参数3.2.1 晶闸管的主要参数说明：、额定电压UTnUDRMU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RRM通常取和压。在选用管子时，额定电压应为正常工作峰值电压的3倍，以保证电路的工作安全。晶闸管的额定电压 U minUTn,URRMUTn2UTMUTM：工作电路中加在管子上的最大瞬时电压、额定电流IT(AV)IT(AV)的电路中，结温不超过额定结第 8 页 共 页中北大学电子技术课程设计说明书级即为晶闸管的额定电流。ITn：额定电流有效值，根据管子的I换算出，T(AV)IT(AV)I I三者之间的关系：、TMTnI 1/2 (Imsin ) ) Im/2

12、 0.5t 2d t I(3-2-1)(3-2-2)0 Imsin ) t II1/2 T(AV)TM03、 维持电流 IH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。4、 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。UT(AV)、通态平均管压降。指在规定的工作温度条件下，使晶闸管导通的正。I、门极触发电流 。在常温下，阳极电压为6V时，使晶闸管能完全导通所用g的门极电流，一般为毫安级。、 断态电压临界上升

13、率。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。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。、波形系数：有直流分量的电流波形，其有效值与平均值I 之比称为该波形的IdK波形系数，用 表示。fIK (3-2-3)Ifd额定状态下， 晶闸管的电流波形系数IK 1.57I2fT()第 9 页 共 页中北大学电子技术课程设计说明书4 单相桥式半控主电路的设计4.1 电路的结构与工作原理4.1.1 电路

14、结构IDVT1VT3IT3La+-U1U2VDUdbRID2ID4图8 4.1.2 工作原理当 U 正半周时，在wt= 时刻，触发晶闸管VT 使其导通，电流从电源U 正212端VT RVD U 负载向负载供电。142U 1V左右的压降，2出现失控现象。在 U 负半周 wt= 时刻，触发 VT 使其导通，则VT 承受反压而关断，231U 经 VT RVD U 端向负载供电。2322U 过零变正时，负载电流经续流二极管，使桥路直流输出只有1V左右的压降，迫2上过程。第 页 共 页中北大学电子技术课程设计说明书4.2 基本数量关系a.直流输出电压平均值1U 0.9U=83.97V2d2U EI dR

15、d aI I=0.645IddP=I R2b 电阻值：PR 0.16I2c.流经晶闸管和整流管的平均电流 I dTI IT2ddd.经晶闸管和整流管的电流有效值aI =IdTe.流经续流二极管的平均电流I dDI Iddf. 流经续流二极管的电流有效值I DId=30o第 页 共 页中北大学电子技术课程设计说明书4.3 建模在 MATLAB 新建一个 Model，命名为 bangkong2，同时模型建立如下图所示：在此电路中，输入电压的电压设置为 141.4V，频率设置为 50Hz，电阻阻值设置为 2.4 欧姆，电感设置为2H，脉冲输入的电压设置为1V，周期设置为（与 10%，触发角设置为 3

16、0因为两个晶闸管在对应时刻不断地周期性交替导通，关断，所以脉冲出发周琴应相差 180。a.交流电源参数第 页 共 页中北大学电子技术课程设计说明书b.同步脉冲信号发生器参数c.负载电阻的参数第 页 共 页中北大学电子技术课程设计说明书4.4 仿真结果图 4.4.1 负载电压图 4.4.2 流过负载的电流值图 4.4.3 触发脉冲图 4.4.4 晶闸管电压第 页 共 页中北大学电子技术课程设计说明书图 4.4.5 二极管电压值图 4.4.6 二极管电流值4.5 小结没有完全介绍的。要完成这次课程设计，关靠书本知识是远远不够的，所以我查阅设计做了很多帮助。解的基础上，才能做好课程设计，才能设计出性能良好的电路。整流电路中，基本响很大。设计过程中，我明白了整流电路，尤其是单相半控桥式整流电路的重要性以及整流电路设计方法的多样性。这次的课程设计是我设计时间最长的一次，也是收获最大的一次。虽然设计过程中遇到很多问题，尤其是保护电路的设计，因为课上没有讲到保护电路的内容，保护电路的理解不够全面，设计的时候是一头雾水，但还是在老师的帮助下，我一第 页 共 页中北大学电子技术课程设计说明书一解决了。另外通过这次课程设计，