单相双半波晶闸管整流电路主电路设计

班班学JUL姓电力电子课程设计级： 号： 名： 指导教师： 目录TOC\o"1-5"\h\z摘要 01单相双半波晶闸管整流电路主电路设计 01.1晶闸管的介绍 01.1.1晶闸管的结构 11.1.2晶闸管的工作原理 11.1.3晶闸管的伏安特性 21・2总电路的设计 31.2.1总电路的原理框图 31.2.2主电路原理图 41.3相控触发电路设计 51.3.1相控触发电路工作原理 51.3.2相控触发芯片的选择 51・4保护电路设计 62电路参数和元件选择 错误!未定义书签。2.1主电路电路参数计算 72.2电路元件的选择 82.2.1整流元件的选择 82.2.2保护元件的选择 83MATLAB仿真 93.1MATLAB软件介绍 93.2系统建模和电路仿真 93.3系统仿真结果和分析 114设计总结 错误!未定义书签。参考文献 错误!未定义书签。摘要电力电子技术是一门新兴技术，它是由电力学、电子学与控制理论三个学科交叉而成的，在电气自动化专业中已成为一门专业基础性强且与生产紧密联系的不可缺少的专业基础课。本课程表达了弱电对强电的控制，又具有很强的实践性。它包括了晶闸管的结构与分类、晶闸管的过电压与过电流保护方法、可控整流电路、晶闸管有源逆变电路、晶闸管无源逆变电路、PWM控制技术、交流调压、直流斩波以与变频电路的工作原理。晶闸管出现前的时期可称为电力电子技术的史前期或黎明时期。晶闸管由于其优越的电气性能与控制性能，使之很快就取代了水银整流器与旋转变流机组。并且，其应用范围也迅速扩大。电力电子技术的概念与基础就是由于晶闸管与晶闸管变流技术的发展而确立的。晶闸管是通过对门极的控制能够使其导通而不能使其关断的器件，属于半控型器件。对晶闸管电路的控制方式主要是相位控制式，简称相控方式。晶闸管的关断通常依靠电网电压等外部条件来实现。整流电路按组成的器件不同，可分为不可控、半控与全控三种，利用晶闸管半导体器件构成的主要有半控与全控整流电路；按电路接线方式可分为桥式与零式整流电路；按交流输入相数又可分为单相、多相（主要是三相）整流电路。正是因为整流电路有着如此广泛的应用，因此整流电路的研究无论在是从经济角度，还是从科学研究角度上来讲都是很有价值的。本设计正是结合了Matlab仿真软件对单相双半波晶闸管整流电路在阻感负载下进行分析。关键词：晶闸管，整流电路，Matlab,仿真，阻感负载，相控方式单相双半波晶闸管整流电路的设计（阻感负载）1.单相双半波晶闸管整流电路主电路设计1.1晶闸管的介绍1.1.1晶闸管的结构晶闸管是一种4层功率半导体器件，具有3个PN结，其结构与电路符号如图1-1所示。其中，最外层的P区与N区分别引出两个电极，称为阳极A与阴极K，中间的P区引出控制极（或称门极）。图1-1晶闸管的结构与电气符号1.1.2晶闸管的工作原理晶闸管组成的实际电路如图1-2所示。图1-2组成的实际电路图为了说明晶闸管的工作原理，可将其看成NPN与PNP两个三极管相连，用三极管的符号来表示晶闸管的等效电路，如图1-3所示。图1-3晶闸管双晶体管模型其工作过程如图1-4所示。当晶闸管的阳极A与阴极K之间加正向电压UZ而控制极K不加电压时，中间的PN结处于反向偏置，管子不导通，处于关断状态。图1-4晶闸管工作原理当晶闸管的阳极A与阴极K之间加正向电压UA，且控制极G与阴极K之间也加正向电压UG时，外层靠下的PN结处于导通状态。若V2管的基极电流为IB2，则集电极电流Ic2为P2IB2,V1管的基极电流IB1等于Vz管的集电极电流，因而V2的集电极电流Icl为皿阳，该电流又作为V2管的基极电流，再一次进行上述的放大过程，形成正反馈。在很短的时间（一般几微秒）两只二极管均进入饱与状态，使晶闸管完全导通。当晶闸管完全导通后，控制极就失去了控制作用，管子依靠内部的正反馈始终维持导通状态。此对管子压降很小，一般为0.6〜1.2V,电源电压几乎全部加在负载电阻R上，晶闸管中有电流流过，可达几十至几千安。要想关断晶闸管，必须将阳极电流减小到不第1页能维持正反馈过程，当然也可以将阳极电源断开或者在晶闸管的阳极与阴极之间加一反向电压。综上所述，可得如下结论：1） 晶闸管与硅整流二极管相似，都具有反向阻断能力，但晶闸管还具有正向阻断能力，即晶闸管正向导通必须具有一定的条件：阳极加正向电压，同时控制极也加正向触发电压（实际工作中，控制极加正触发脉冲信号）。2） 晶闸管一旦导通，控制极即失去控制作用。要使晶闸管重新关断，必须做到以下两点之一：一是将阳极电流减小到小于维持电流IH；二是将阳极电压减小到零或使之反向。1.1.3晶闸管的伏安特性晶闸管的导通与截止这两个工作状态是由阳极电压、阳极电流与控制极电流决定的，而这几个量又是互相有联系的，在实际应用上常用实验曲线来表示它们之间的关系，这就是晶闸管的伏安特性曲线，其伏安特性曲线如图1-5所示，可分为正向特性与反向特性曲线两部分。图1-5晶闸管的伏安特性1）晶闸管的正向特性当U>O时对应的特性曲线为正向特性。由图1-5可知，晶闸管的正向特性分为关断状态OA段与导通状态BC段。当控制极电流IG=0时，逐渐增加阳极电压U，观察阳极电流I的变他情况。开始时，三个PN结只有一个导通，晶闸管处于关断状态，只有很小的正向漏电流。当电压增加到正向转折电压U=UBO时，晶闸管突然导通，进入伏安特性的BC段。此时晶闸管可通过较大的电流，而管压降很小。在晶闸管导通后，若减小正向电压，则正向电流就逐渐减小。当电流小到某一数值时，晶闸管又从导通状态转为阻断状态，这时所对应的最小电流称为维持电流IH。从图1-5的晶闸管的正向伏安特性曲线可见，当阳极正向电压高于转折电压时，元件将导通。但是这种导通方法很容易造成晶闸管的不可恢复性击穿而使元件损坏，在正常工作时是不采用的。晶闸管的正常导通受控制极电流IG的控制，为了正确使用晶闸管，必须了解其控制极特性。当控制极加正向电压时，控制极电路就有电流IG，晶闸管容易导通，其正向转折电压降低，特性曲线左移。控制极电流越大，正向转折电压越低。改变控制极电流IG，控制极电流越大(IGl>IG2>0)，转折电压UBO就越低。2)晶闸管的反向特性当U<O时对应的特性曲线为反向特性。当晶闸管加反向电压时，三个PN结中有两个是反向偏置，只有很小的反向漏电流IR。反向电压U增加到一定数值后，反向电流急剧增加，使晶闸管反向击穿，将这一电压值称为反向转折电压UBR。此时，晶闸管的工作状态与控制极是否加触发电压无关。但晶闸管一旦反向击穿就永久损坏，在实际应用中应避免出现这种状况。1.2总电路的设计1.2.1总电路的原理框图总电路原理图如1-6所示。图1-6总电路的原理框图该电路主要由四部分构成，分别为电源，过电保护电路，整流电路与触发电路构成。输入的信号经变压器变压后通过过电保护电路，保证电路出现过载或短路故障时，不至于伤害到晶闸管与负载。在电路中还加了防雷击的保护电路。然后将经变压与保护后的信号输入整流电路中。在电路中,过电保护部分我们分别选择的快速熔断器做过流

保护，而过压保护则采用RC电路。整流部分电路则是根据题目

的要求为单相双半波整流电路。该电路的结构与工作原理是利用

晶闸管的开关特性实现将交流变为直流的功能。单结晶体管直接

第3页触发电路的移相范围变化较大，而且由于是直接触发电路它的结构比较简单。方便我们对设计电路中变压器型号的选择。1.2.2主电路原理图单相双半波整流电路如图1-7所示。图1-7单相双半波整流电路单相双半波可控整流电路中，变压器T带抽头，在U2正半周，VT1工作，变压器二次绕组上半部分通过电流。U2负半周，VT2工作，变压器二次绕组下半部分流过反向电流。由上波形图知，单相双半波可控整流电路的Ud波形与单相全控桥的一样，交流输入端电流波形一样，变压器也不存在直流磁化的问题。当接其他负载时，也由相同的结论单相全控桥整流电路如图1-8所示。图1-8单相全控桥整流电路图因此，单相双半波与单相全控桥从直流输出端或从交流输入端看均是一致的。二者区别在于：单相双半波中变压器结构较复杂，材料的消耗多。单相双半波只用2个晶闸管，比单相全控桥少2个，相应的，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。单相双半波导电回路只含1个晶闸管，比单相桥少1个，因而也少了一次管压降。单相双半波整流电路阻感负载电路如图1-9所示。图1-9单相双半波整流电路阻感负载电路图在电源电压正半周期间，晶闸管VT1承受正相电压，VT2承受反相电压。若在3t=a时触发，VT1导通，电流经VT1、阻感负载、与丁二次侧中心抽头形成回路，但由于大电感的存在，电压过零变负时，电感上的感应电动势使VT1继续导通，直到VT2被触发时，VT1承受反向电压而截至。在电源电压负半周期间，晶闸管VT2承受正向电压，在3t=a+n时触发，VT2导通，VT1反向则截止，负载电流从VT1

中换流至VT2中。在3t=2兀时，电压过零，VT2因电感L中的

第4页感应电动势一直导通，直到下一个周期VT1导通时。只有当a<n/2时，负载电流才连续，当a>n/2时，负载电流不连续，而且输出电压的平均值接近于零，因此这种电路控制角的移相范围是0~兀/2。1.3相控触发电路设计1.3.1相控触发电路工作原理晶闸管触发主要有移相触发、过零触发与脉冲列调制触发等。触发电路对其产生的触发脉冲要求：1） 触发信号可为直流、交流或脉冲电压。2） 触发信号应有足够的功率（触发电压与触发电流）。3） 触发脉冲应有一定的宽度，脉冲的前沿尽可能陡，以使元件在触发导通后，阳极电流能迅速上升超过掣住电流而维持导通。4） 触发脉冲必须与晶闸管的阳极电压同步，脉冲移相范围必须满足电路要求。1.3.2相控触发芯片的选择相控触发电路芯片选择KJ004集成触发电路芯片构成的集成触发器KJ004可控硅移相电路可控硅移相触发电路适用于单相、三相全控桥式供电装置中，作可控硅的双路脉冲移相触发。器件输出两路相差180度的移相脉冲，可以方便地构成全控桥式触发器线路。电路具有输出负载能力大、移相性能好、正负半周脉冲相位均衡性好、移相范围宽、对同步电压要求低，有脉冲列调制输出端等功能与特点。触发器KJ004引脚图如图1-10所示。图1-10KJ004引脚图触发器KJ004管脚功能如表1-1所示。表1-1触发器KJ004管脚功能表功|输空锯齿卬。以旅空地同|综空微分|封锁|输|+Vcc能出波形成。）步输入合比较阻容调制出引线脚号12345678910111213141516单结晶体管触发电路由单结晶体管构成的触发电路具有简单、可靠、抗干扰能力强、温度补偿性能好，脉冲前沿徒等优点，在容量小的晶闸管装置中得到了广泛应用。他由自激震荡、同步电源、移相、脉冲形成等部分组成，相控触发电路如图1-11所示。图1-11相控触发电路图1.4保护电路设计1） 过电流保护电路设计当电力电子变流装置内部某些器件被击穿或短路，驱动、触发电路或控制电路发生故障，外部出现负载过载；直流侧短路，可逆传动系统产生逆变失败以与交流电源电压过高或过低均能引起装置或其他元件的电流超过正常工作电流，即出现过电流。因此，必须对电力电子装置进行适当的过电流保护。2） 过电压保护电路设计设备在运行过程中，会受到由交流供电电网进入的操作过电压与雷击过电压的侵袭。同时，设备自身运行中以与非正常运行中也有过电压出现，因此，必须对电力电子装置进行适当的过电压保护。过流、过压保护电路如图1-12所示。图1-12过流、过电压保护电路图

2.电路参数与元件选择2.1主电路电路参数计算1)在阻感负载下电流连续，整流输出电压的平均值为:― 1咋兀.二，. …、2\.：2― 八八U=—2.电路参数与元件选择2.1主电路电路参数计算1)在阻感负载下电流连续，整流输出电压的平均值为:― 1咋兀.二，. …、2\.：2― 八八U=—J*2Usin®td(wt)= Ucosa=0.9cosa以(2-1)U=0・9x50X1=45v(2-2)"可见，当a在0〜—/2范围内变化时，整流器可在0~45V范围内取值。2)整流输出电流平均值为：2)(2-3)3)4)在一个周期内每组晶闸管各导通180°，两组轮流导通，整流变压器二次电流是正、负对称的方波，电流的平均值i与有效值I相等，其波形系数为1。 d3)4)流过每个晶闸管的电流平均值与有效值」■分别为：I=11=5.56AdVT2d(2-4)PI=PI=一=11.11Ad1 c/-2七=7.86AIVT晶闸管在导通时管压降uT=0,故其波形为与横轴重合的直线段；VT1与VT2加正向电压但触发脉冲没到时，VT3、VT4已导通，把整个电压％加到VT1或VT2上，则每个元件承受的最大可能的正向电压等于二，斐；VT1与VT2反向截止时漏电流为零，只要另一组晶闸管导通，也就把整个电压〃2加到VT1或VT2上，故两个晶闸管承受的最大反向电压也为天Eu-。2.2电路元件的选择2.2.1整流元件的选择由于单相双半波整流带阻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与其选取原则。晶闸管的主要参数如下：1)额定电压Unvt断态重复峰值电压udrm是在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的峰值电压。反向重复峰值电压urrm是在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的反向峰值电压。通常取udrm与urrm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，应为正常工作时晶闸管所承受峰值电压的2〜3倍，以保证电路的工作安全。晶闸管的额定电压"叫上in、皿｝Unvt以2〜3笋23u(3-1)Unvt：工作电路中加在管子上的最大瞬时电压Unvt=(2--3)2j2U「(282.8-424.3)V2)额定电流INVT考虑安全裕量，2.2.2保护元件的选择变压器二次侧熔断器采用快速熔断器是电力电子装置中最有效、应用最广的一种过电流保护措施。在选择快熔时应考虑：电压等级应根据熔断后快熔实际承受的电压来确定。电流容量应按其在主电路中的接入方式与主电路联结形式确定。快熔一般与电力半导体器件串联连接，在小容量装置中也可串接于阀侧交流母线或直流母线中。快熔的12值应小于被保护器件的允许12值。为保证熔体在正常过载情况下不熔化，应考虑其时间电流特性。MATLAB仿真3.1MATLAB软件介绍本次系统仿真采用目前比较流行的控制系统仿真软件MATLAB，MATLAB是矩阵实验室(MatrixLaboratory)之意，主要用于方便矩阵的存取，其基本元素是无须定义维数的矩阵。MATLAB是用于算法开发、数据可视化、数据分析以与数值计算的高级技术计算语言与交互式环境，主要包括MATLAB与Simulink两大部分。Simulink是MATLAB最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真与综合分析的集成环境。在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。Simulink具有适应面广、结构与流程清晰与仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，并基于以上优点Simulink已被广泛应用于控制理论与数字信号处理的复杂仿真与设计。同时有大量的第三方软件与硬件可应用于或被要求应用于Simulinko3.2系统建模与电路仿真仿真电路如图3-1所示。图3-1仿真电路图

第9页电路仿真波形如下：1） 当a=30。时，仿真波形如图3-2所示。图3-2a=30。时，仿真波形图2） 当a=60。时，仿真波形如图3-3所示。图3-3a=60。时，仿真波形图3）当a=90。时，仿真波形如图3-4所示。图3-4a=90。时，仿真波形图3.3系统仿真结果与分析当建模与参数设置完成后，即可开始进行仿真。图3-2、图3-3、图3-4分别是单相双半波晶闸管整流电路仿真模型在分别为30°、60°、90°时的输出曲线。从仿真结果可以看出，它非常接近于理论分析的波形。设计总结通过单相双半波整流电路的设计，使我加深了对单相双半波晶闸管