单相桥式整流电路课程设计27446

1、 电力电子技术课程设计手册单相桥式整流电路设计目录1. 设计任务说明 3.2. 选项选择. 42.1 设备介绍 42.2 整流电路对比 63. 辅助电路设计 93.1 驱动电路设计 93.2 保护电路设计 133.3 过压保护 143.4 电流上升率和电压上升率抑制保护 15四、主电路设计 164.1 主电路原理及说明 164.2 感性负载可控整流电路 164.3 主电路设计 174.5主要部件说明 184.5 性能指标分析 204.6 零件清单 215. 设计总结. 226. 参考文献. 23一、单相桥式整流电路设计说明一、设计任务及要求： （一）设计任务： 1、对比设计方案，选择设计方案；

2、 2、完成单元电路的设计和主要元器件的描述； 3.完成主电路原理分析，各主要元器件的选型； 4、驱动电路和保护电路的设计； （2）设计要求： 1、单相桥式相控整流器的设计要求是： 1）。负载为感性负载，L=700mH，R=500欧。二、技术要求： （1）。电网供电电压为220V单相； (2)。电网电压波动+5%-10%； (3) 输出电压为0100V。2. 方案的选择单相桥式整流电路可分为单相桥式全控整流电路和单相桥式半控整流电路，根据电路的性质不同有不同的特点。它们连接到的负载。下面分析两个带感性负载的单相桥式整流电路的工作情况。单相半控整流电路的优点是：电路简单，调整方便。缺点是：输出电压

3、脉冲大，负载电流脉冲大（阻性负载时），整流变压器次级绕组中有直流分量，使铁心磁化，变压器不能充分利用。单相全控整流电路具有输出电流脉冲小、功率因数高、变压器二次电流两个相等的相反半波、无直流磁化问题、变压器利用率高等优点。单相全控整流电路的平均输出电压是半波整流电路的两倍，相同负载下流过晶闸管的平均电流减少一半；功率因数增加一半。单相半波可控整流电路由于性能较差，在实际应用中很少使用，更多的单相全控桥式整流电路用于中小功率应用。根据以上对比分析，选择的方案是单相全控桥式整流电路（负载为阻性和感性负载）。2.1。组件的选择2.1.1 晶闸管介绍晶体管又称晶闸管、可控硅（Silicon Contr

4、olled Rectifier-SCR），开创了电力电子技术快速发展和广泛应用的新纪元；由控制装置代替。能承受最高电压和电流容量，工作可靠。广泛应用于相控整流、逆变、交流稳压、直流变换等领域，已成为电力低频（200Hz以下）器件中的主要器件。晶闸管常指晶闸管的一种基本类型普通晶闸管。从广义上讲，晶闸管还包括其多种类型的衍生物2.1.1.1 晶闸管的结构晶闸管是大功率器件，工作时会产生大量热量，因此必须安装散热器。概要：螺栓型和扁平型封装。电气图形符号：引出阳极A、阴极K和栅极（或栅极）G三个接线端子。模块形状：对于螺栓式封装，螺栓通常是它的阳极，可以与散热器紧密连接，易于安装。扁平型封装的晶闸

5、管可以被两个散热片夹在中间。外部结构：四层三结如图2-1所示。图2-1晶闸管外形、零件结构、电气图形符号及模块外形a) 晶闸管外形 b) 部件结构 c) 电气图形符号 d) 模块外形2.1.1.2 晶闸管工作原理图晶闸管由四层半导体（P 1 、N 1 、P 2 、N 2 ）组成，形成三个结J 1 （P 1 N 1 ）、J 2 （N 1 P 2 ）、J 3 （P 2 N 2 ) ，分别从P 1 、P 2和N 2引入三个电极A、G和K ，如图2-2（左）所示。由于扩散过程，一个三结四层结构的普通晶闸管可以等效为两个晶闸管T 1 (P 1 -N 1- P 2 )和(N 1 -P )，如图2-2(右)

6、 2 - N 2 ) 形成等效电路。图 2-2 晶闸管的部分结构及等效电路注入栅极的IG称为栅极触发电路。正是由于门只能控制导通，不能控制关断，晶闸管才被称为半控器件。其他几种可能的开启情况：1）阳极电压上升到一个比较高的值引起雪崩效应；2）阳极电压上升率du/dt过高；3）结温较高；4）光直接照射硅片，即光触发：只有光控晶闸管的门极触发是最准确、最快速、最可靠的控制方式。2.1.2 关断晶闸管关断晶闸管简称为GTO。它具有普通晶闸管的所有优点，如高耐压、大电流。同时，它是一个全控器件，即在正栅极脉冲电流触发时开启，在负脉冲电流触发时关闭。2.1.2.1 关断晶闸管的结构GTO的外部结构与普通

7、晶闸管相同。它是一个 PNPN 四层结构。如图 2-3 所示，阳极 A、阴极 K 和栅极 G 从外部引出。与普通晶闸管不同，GTO是一种多单元功率集成器件。小型GTO电池包含十个甚至上百个共阳极，这些GTO电池的阴极和栅极在器件部分并联，使器件的功率可以达到可观的数值。图2-3 GTO的结构、等效电路及图形符号2.1.2.2 关断晶闸管的工作原理GTO的传导机制与SCR的传导机制完全相同。 GTO一旦导通就可以去掉门极信号，并采用特殊工艺使管子在导通后处于临界饱和状态，而不是像普通晶闸管那样处于深度饱和状态，可以被负向破坏栅极脉冲电流。临界饱和条件将其关闭。 GTO 与 SCR 的关断机制不同

8、。当对栅极施加负脉冲时，从栅极汲取电流（即提取饱和导通时存储的大量载流子），强正反馈使器件退出饱和并关断。2.1.3 晶闸管的导数在晶闸管家族中，除了最常用的普通晶闸管外，根据不同的实际需要，还生产了一系列衍生器件，主要有快速晶闸管（FST）、双向可控硅（TRIAL）、关断晶闸管等。 (GTO)、反向导通晶闸管、(RCT)和光控晶闸管。2.2 整流电路我们知道，单相整流器的电路形式多种多样，整流器结构也很多。因此，在进行设计之前，我们主要考虑了以下几个选项：方案一：单相桥式半控整流电路电路图如下：图 2-4控制每个导电回路，比全控桥少一个控制器件，用二极管代替，有利于降低损耗！如果不加续流二极

9、管，当突然增大到180或启动脉冲丢失时，由于电感储能并没有通过变压器次级绕组释放，只消耗在负载电阻上，而一个晶闸管将被打开，两个二极管将被打开。在交变导通的情况下，这使得ud为半正弦波，即半周ud为正弦波，另一半周ud为零，其平均值保持稳定，相当于波形单相半波不可控整流电路，即失控。因此，必须增加一个续流二极管以避免失控。方案二：单相桥式全控整流电路电路图如下：图 2-5该电路在不使用续流二极管的情况下控制每个导电回路，并且不会失控。负载形式多样，整流效果好，波形稳定，应用广泛。在变压器次级绕组中，正负半周电流方向相反，波形对称，平均值为零，即直流分量为零。变压器不存在直流磁化问题，变压器的利

10、用率也很高。方案三：单相半波可控整流电路：电路图如下：图 2-6该电路只需要一个可控器件，电路比较简单，VT的a相移范围为180 。但输出脉冲较大，变压器二次侧电流中含有直流分量，导致变压器铁芯直流磁化。为了使变压器铁芯不饱和，需要增加铁芯的截面积，增加设备的容量。事实上，这种电路很少使用。方案四：单相全波可控整流电路：电路图如下：图 2-7该电路中的变压器有一个中心抽头，结构比较复杂。只要用两个可控器件，单相全波只用两个晶闸管，比单相全控桥少两个，所以管压降少一个，对应的还有也少了2个门极驱动电路，但是晶闸管能承受的最大电压是单相全控桥的2倍。不存在直流充磁问题，适用于输出电压低、电流脉冲大

11、的场合（阻性负载时），且整流变压器次级绕组中存在直流分量，使铁芯充磁，变压器不能充分利用。本发明的单相全控整流电路具有输出电流脉冲小、功率因数高、变压器二次电流两个相等相反的半波、无直流磁化问题、变压器利用率高等优点。相同负载下，流过晶闸管的扁平单相全控整流电路平均输出电压是半波整流电路的两倍，平均电流降低一半，功率因数提高一半.根据以上对比分析，选择的方案是单相全控桥式整流电路（负载为阻性和感性负载）。综上所述，鉴于它们的优缺点，我们采用第二种方案，即单相桥式全控整流电路。3、驱动电路的设计3.1 驱动电路设计3.1.1 触发电路的演示与选择3.1.1.1 单结晶体管的工作原理单结晶体管原理

12、单结晶体管（简称UJT）又称基极二极管，是一种只有一个PN结和两个电阻接触电极的半导体器件。其衬底为条状高阻N型硅片。端子分别引出具有欧姆接触的两个基极电极b 1和b 2 。在略微偏向b 2侧的硅晶片的中间，通过合金化制成P区作为发射极e。其结构、符号及等效电量见图3-1。图 3-13.1.1.2单结晶体管的特性由图3-1 可知，b 1和 b 2两个基极之间的电阻称为基极电阻。r b b = r b 1 + rb 2式中： rb 1 第一基极与发射结之间的电阻，其值随发射极电流i e而变化，rb 2为第二基极与发射结之间的电阻，其值与i e无关紧要；发射结是一个PN结，相当于一个二极管。双面三

13、极底座b 2和b 1之间加一个正电压v b b ，A点电压为：V A =rb 1 /(rb 1 +rb 2 )vb b =(rb 1 /rb b )vb b = v b b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V E从零开始逐渐增大，就可以测量出单结晶体管的伏安特性，如图3-2所示：图 3-2 单结晶体管的伏安特性( 1) 当V e Vb b时，发射结处于反偏，管子关断，发射极只有很小的漏电流I ceo 。(2) 当V e Vb b +VD VD 为二极管正向压降（约0.7V）时，PN结正向导通，I e明显增大，rb 1的阻值迅速减小，V e相应减小。电压随电流增大而

14、减小的特性称为负电阻特性。管子从截止区进入负阻区的临界P称为峰点，对应的发射极电压和电流分别称为峰点电压Ip和峰点电流Ip 。 I p是正向泄漏电流，它是开启单结晶体管所需的最小电流，显然 V p = Vbb 。随着发射极电流I e 的不断上升，V e继续下降。到达点 V 后，V e不再下降。该点V称为谷点，对应的发射极电压和电流称为谷电压V v和谷电流I v 。(4) V经过后，发射极和第一基极之间半导体的载流子达到饱和状态，所以当u c继续增大时，i e缓慢上升。显然，V v是为了维持单结晶体管的导通。的最小发射极电压，如果 V e 时，负载上的电流是不连续的；当电感L增加时，负载上电流不

15、连续的可能性会降低；当电感 L 很大，且 L d R d时，这种负载称为大感性负载。这时，大电感阻止了负载中电流的变化，负载电流是连续的，可视为一条水平直线。各电源的波形图如图4-1（右）所示。在电源电压u 2的正半周期间，晶闸管T 1和T 2承受正向电压。如果在t=时触发，则T 1和T 2导通，电流流过T 1 、负载、T 2和Tr两次。形成了一个回路，但由于大电感的存在，当u 2过零变为负时，电感上的感应电动势使T 1和T 2继续导通，直到T 3和T 4被触发，并且T 1和T 2发生逆反应。切断电压。输出电压的波形有负部分。在电源电压u 2的负半周期间，晶闸管T 3和T 4 承受正向电压，当

16、t= + 时触发， T 3和T 4导通，T 1和T 2被控制在相反方向，并且负载电流从换向在T 1和T 2到T 3和T 4 。当t=2时，电压u 2过零，由于电感中的感应电动势，T 3和T 4一直导通，直到下一个周期T 1和T 2导通，T 3和T 4 是由于施加的反向电压刚刚结束。值得注意的是负载电流只有在/2时负载电流是不连续的，输出电压的平均值接近于零，所以本电路控制角度 相移范围为 0/2。4.2 感性负载可控整流电路4.2.1单相全控桥式整流电路在生产实践中，除阻性负载外，最常见的负载是感性负载，如电机的励磁绕组、整流电路中串联的滤波电抗器等。为便于分析计算，电路图中将电阻和电感分别表

17、示出来。 当整流电路有感性负载时，整流器工作的物理过程和电压电流波形与阻性负载不同。因为电感对电流的变化有阻碍作用，即电感元件中的电流图4-1 单相全控桥式整流电路感性负载及其波形电路; (b) 电源电压； (c) 触发脉冲； (d) 输出电压； (e) 输出电流； (f) 晶闸管上的电流 V -1 、 V -4 ； (g) 晶闸管V -2 ，V -3 上的电流； (h) 变压器的二次电流； (i)晶闸管V -1 、V -4 上的电压不能突变。当电流变化时，电感会产生感应电动势，阻碍其变化。因此，电路电流的变化总是滞后于电压的变化负载电流连续时，整流电压的平均值可计算如下：由于电感量大，平滑效

18、果好，输出电流波形为水平线。两组晶闸管依次通电，在一个周期内各自通电180，与无关。变压器次级绕组中电流i 2的波形为正负对称方波。负载电流的平均值I d等于有效值I ，其形状因数为 1。在这种情况下： 当 =0时， U d =0.9 U 2 ； 当=90时， U d =0，相移范围为90。 晶闸管所能承受的最大正向和反向电压都是。流过每个晶闸管的电流的平均值和有效值为4.3 主电路设计4.3.1主电路示意图4.3.2 原理图分析该电路主要由电源、过流保护电路、整流电路和触发电路四部分组成。输入信号经变压器变换后通过过流保护电路，保证电路过载或短路时晶闸管和负载不会损坏。电路中还增加了防雷电路

19、。然后将经过变压保护的信号输入整流电路，整流电路中的晶闸管在触发信号的作用下工作，发挥整流电路的整流功能。在电路中，我们为过流保护选用的快速熔断器为过流保护，而过压保护采用RC电路。这部分的选择主要考虑电路的简单性，所以保护电路这部分是唯一的部分。电路的整流部分就是我们根据题目要求学习的单相桥式整流电路。该电路的结构和工作原理是利用晶闸管的开关特性来实现将交流转换为直流的功能。触发电路由设计问题决定，需要使用单结晶体管直接触发电路。单结晶体管直接触发电路的相移变化很大，而且由于是直接触发电路，其结构也比较简单。一方面，方便我们在设计电路中选择变压器型号。4.4 主要部件说明由于带感性负载主电路的单相桥式全控整流器的主要元件是晶闸管，因此在选择元件时主要考虑晶闸管的参数及其选择原则。4.4.1 晶闸管的主要参数如下：考虑到2倍的余量，晶闸管所能承受的最大电压为400V。那么晶闸管的额定电流=10A（输出电流的有效值为最小值，所以额定电流也是最小值）。考虑2倍余量，取20A。即晶闸管的额定电流至少应大于20A。在本设计中，我选择了 4 个 KP20-4 晶闸管。整流电