單相橋式整流電路設(shè)計(jì)

1、電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書 一、設(shè)計(jì)課題一 單相橋式整流電路設(shè)計(jì) 二、設(shè)計(jì)要求 1、單相橋式相控整流得設(shè)計(jì)要求為： 負(fù)載為感性負(fù)載丄二600H, R二500歐姆、 2、技術(shù)要求： (1) 、電網(wǎng)供電電壓為單相220V; (2) 、 電網(wǎng)電壓波動(dòng)為+5%-10%; (3) 、 輸出電壓為0200V 在整個(gè)設(shè)計(jì)中要注意培養(yǎng)靈活運(yùn)用所學(xué)得電力電子技術(shù)知識(shí)與創(chuàng)造性得思 維方式以及創(chuàng)造能力要求具體電路方案得選擇必須有論證說明，要說明其有哪 些特點(diǎn)。主電路具體電路元器件得選擇應(yīng)有計(jì)算與說明。課程設(shè)計(jì)從確定方案 到整個(gè)系統(tǒng)得設(shè)計(jì)，必須在檢索、閱讀 及分析研究大量得相關(guān)文獻(xiàn)得基礎(chǔ)上, 經(jīng)過剖析、提煉，設(shè)計(jì)出所

2、要求得電路(或裝置)。課程設(shè)計(jì)中要不斷提出問題, 并給出這些問題得解決方法與自己得研究體會(huì)。 在整個(gè)設(shè)計(jì)中要注意培養(yǎng)獨(dú)立分析與獨(dú)立解決問題得能力 前言 隨著科學(xué)技術(shù)得日益發(fā)展，人們對(duì)電路得要求也越來越高，由于在生產(chǎn)實(shí)際 中需要大小可調(diào)得直流電源，而相控整流電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制方便、性能穩(wěn)定， 利用它可以方便地得到大中、小各種容量得直流電能，就是目前獲得直流電能得 主要方法，得到了廣泛應(yīng)用。但就是晶雜管相控整流電路中隨著觸發(fā)角a得增大， 電流中諧波分量相應(yīng)增大，因此功率因素很低。把逆變電路中得SPWM控制技術(shù)用 于整流電路，就構(gòu)成了 PWM整流電路。通過對(duì)PWM整流電路得適當(dāng)控制，可以使其 輸入電

3、流非常接近正弦波，且與輸入電壓同相位，功率因素近似為1O這種整流電 路稱為高功率因素整流器，它具有廣泛得應(yīng)用前景 第1章方案得選擇 單相橋式整流電路可分為單相橋式相控整流電路與單相橋式半控整流電路, 它們所連接得負(fù)載性質(zhì)不同就會(huì)有不同得特點(diǎn)。下面分析兩種單相橋式整流電路 在帶電感性負(fù)載得工作情況。 單相半控整流電路得優(yōu)點(diǎn)就是：線路簡(jiǎn)單、調(diào)整方便。弱點(diǎn)就是：輸出電壓脈 動(dòng)沖大，負(fù)載電流脈沖大（電阻性負(fù)載時(shí)），且整流變壓器二次繞組中存在直流分 量，使鐵心磁化，變壓器不能充分利用。而單相全控式整流電路具有輸出電流脈動(dòng) 小，功率因數(shù)高，變壓器二次電流為兩個(gè)等大反向得半波，沒有直流饌化問題，變 壓器利用

4、率高得優(yōu)點(diǎn)。 單相全控式整流電路其輸出平均電壓就是半波整流電路2倍，在相同得負(fù)載 下流過晶閘管得平均電流減小一半；且功率因數(shù)提高了 一半。 單相半波相控整流電路因其性能較差，實(shí)際中很少采用，在中小功率場(chǎng)合采 用更多得就是單相全控橋式整流電路。 根據(jù)以上得比較分析因此選擇得方案為單相全控橋式整流電路（負(fù)載為阻感 性負(fù)載）O 1、1元器件得選擇 1.1.1晶閘管得介紹 1）晶閘管得結(jié)構(gòu) 晶閘管就是大功率器件，工作時(shí)產(chǎn)生大量得熱，因此必須安裝散熱器。 晶閘管有螺栓型與平板型兩種封裝 引出陽極A、陰極K與門極（或稱柵極）G三個(gè)聯(lián)接端。 對(duì)于螺栓型封裝，通常螺栓就是其陽極，能與散熱器緊密聯(lián)接且安裝方便

5、平板型封裝得晶閘管可由兩個(gè)散熱器將其夾在中間 內(nèi)部結(jié)構(gòu)：四層三個(gè)結(jié)如圖1、1 2.晶閘管得工作原理圖 晶閘管由四層半導(dǎo)體（R、N、P2、NJ組成，形成三個(gè)結(jié)JMPN）、J2（N,P2）s J3 （P2N2）,并分別從巴、P2、2引入A、G、K三個(gè)電極，如圖1、2（左）所示。由于具 有擴(kuò)散工藝，具有三結(jié)四層結(jié)構(gòu)得普通晶閘管可以等效成如圖1、2（右）所示得兩 個(gè)晶閘管T. （P-N,-P2）與（N-P2-N2）組成得等效電路。 1.1.2可關(guān)斷晶閘管 可關(guān)斷晶閘管簡(jiǎn)稱GTO。 可關(guān)斷晶閘管得結(jié)構(gòu) GTO得內(nèi)部結(jié)構(gòu)與普通晶閘管相同，都就是PNPN四層結(jié)構(gòu)，外部引出陽極A、 陰極K與門極G如圖1、3o

6、與普通晶閘管不同，GTO就是一種多元胞得功率集成 器件，內(nèi)部包含十個(gè)甚至數(shù)百個(gè)共陽極得小GTO元胞，這些GTO元胞得陰極與門極 在器件內(nèi)部并聯(lián)在一起，使器件得功率可以到達(dá)相當(dāng)大得數(shù)值。 1）可關(guān)斷晶閘管得工作原理 GTO得字通機(jī)理與SCR就是完全一樣得。GTO 一旦導(dǎo)通之后，門極信號(hào)就是 可以撤除得，在制作時(shí)采用特殊得工藝使管子導(dǎo)通E處于臨界飽與，而不像普通 晶閘管那樣處于深飽與狀態(tài)，這樣可以用門極負(fù)脈沖電流碇壞臨界飽與狀態(tài)使其 關(guān)斷。GTO在關(guān)斷機(jī)理上與SCR就是不同得。門極加負(fù)脈沖即從門極抽出電流（即 抽出飽與導(dǎo)通時(shí)儲(chǔ)存得大量載流子），弓雖烈正反饋使器件退出飽與而關(guān)斷。 1.1.3晶閘管得

7、派生器件 在晶閘管得家族中，除了最常用得普通型晶閘管之外，根據(jù)不同得得實(shí)際需 要,術(shù)生出了一系列得派生器件，主要有快速晶閘管（FST）、雙向晶閘管（TRIAL）、 可關(guān)斷晶閘管（GTO）、逆導(dǎo)晶閘管、（RCT）與光控晶閘管。 可關(guān)斷晶閘管具有普通晶閘管得全部?jī)?yōu)點(diǎn)，如耐壓高，電流大等。同時(shí)它又就 是全控型器件，即在門極正脈沖電流觸發(fā)下導(dǎo)通，在負(fù)脈沖電流觸發(fā)下關(guān)斷。故我 們選擇可關(guān)斷晶閘管。 1、2整流電路 我們知道，單相整流器得電路形式就是各種各樣得，整流得結(jié)構(gòu)也就是比較 多得。因此在做設(shè)計(jì)之前我們主要考慮了以下幾種方案： 方案1 :單相橋式半控整流電路 對(duì)每個(gè)導(dǎo)電回路進(jìn)行控制，相對(duì)于全控橋而言

8、少了 一個(gè)控制器件，用二極管代替, 有利于降低損耗！如果不加續(xù)流二極管，當(dāng)a突然增大至180或出發(fā)脈沖丟失 時(shí)，由于電感儲(chǔ)能不經(jīng)變壓器二次繞組釋放，只就是消耗在負(fù)載電阻上，會(huì)發(fā)生一 個(gè)晶閘管導(dǎo)通而兩個(gè)二極管輪流導(dǎo)通得情況，這使ud成為正弦半波，即半周期ud 為正弦，另外半周期為ud為零，其平均值保持穩(wěn)定，相當(dāng)于單相半波不可控整流 電路時(shí)得波形，即為失控。所以必須加續(xù)流二極管，以免發(fā)生失控現(xiàn)象。 方案2:單相橋式全控整流電路 電路簡(jiǎn)圖如下：圖1、5 此電路對(duì)每個(gè)導(dǎo)電回路進(jìn)行控制，無須用續(xù)流二極管，也不會(huì)失控現(xiàn)象，負(fù)載 形式多樣，整流效果好，波形平穩(wěn)，應(yīng)用廣泛。變壓器二次繞組中，正負(fù)兩個(gè)半周電 流

9、方向相反且波形對(duì)稱，平均值為零，即直流分量為零，不存在變壓器直流離化問 題，變壓器得利用率也高。 綜上所述，針對(duì)她們得優(yōu)缺點(diǎn)，我們采用方案二，即單相橋式全控整流電 路。 第2章輔助電路得設(shè)計(jì) 2、1驅(qū)動(dòng)電路得設(shè)計(jì) 2.1.1觸發(fā)電路得論證與選擇 1) 單結(jié)晶體管得工作原理 單結(jié)晶體管原理單結(jié)晶體管(簡(jiǎn)稱UJT)又稱基極二極管，它就是一種只有PN 結(jié)與兩個(gè)電阻接觸電極得半導(dǎo)體器件，它得基片為條狀得高阻N型硅片，兩端分 別用歐姆接觸引出兩個(gè)基極b與b?。在硅片中間略偏b2 一側(cè)用合金法制作一個(gè)P 區(qū)作為發(fā)射極e。其結(jié)構(gòu)，符號(hào)與等效電如圖2、1所示。 2) 單結(jié)晶體管得特性 從圖一可以瞧出，兩基極b

10、與b2之間得電阻稱為基極電阻。 Rbb=rb1+rb2 式中：Rb第一基極與發(fā)射結(jié)之間得電阻，其數(shù)值隨發(fā)射極電流ie而變 化，凸2為第二基極與發(fā)射結(jié)之間得電阻，其數(shù)值與ie無關(guān)；發(fā)射結(jié)就是PN結(jié)，與二 極管等效。 若在兩而三刀基極b2,b間加上正電壓Vbb,則A點(diǎn)電壓為： VA=rbi/ (rbi+rb2) vbb= (rbi/rbb) vbb= r VbD 式中：耳稱為分壓比，其值一般在0、30、85之間，如果發(fā)射極電壓Ve 由零逐漸増加，就可測(cè)得單結(jié)晶體管得伏安特性，見圖2、2: (1)當(dāng)乂 “示時(shí)，這種負(fù)載稱為大電感負(fù)載。此時(shí)大電感阻止負(fù)載中電流 得變化，負(fù)載電流連續(xù)，可瞧作一條水平直線

11、。各電量得波形圖如圖3、1所示。 在電源電壓th正半周期間，晶閘管、T2承受正向電壓，若在二a時(shí)觸 發(fā)，T,、T2導(dǎo)通，電流經(jīng)Tt、負(fù)載、T2與二次形成回路，但由于大電感得存在，5 過零變負(fù)時(shí)，電感上得感應(yīng)電動(dòng)妙使、丁2繼續(xù)導(dǎo)通，直到T3. T4被觸發(fā)時(shí),、 T2承受反向電壓而截止。輸出電壓得波形出現(xiàn)了負(fù)值部分。 在電源電壓比負(fù)半周期間，晶閘管T3、Ta承受正向電壓，在cot= a + n時(shí)觸 發(fā)，Ts、T4導(dǎo)通,、T2反向則制，負(fù)載電流從、T2中換流至丁3、匚中。在3 t二2n時(shí)，電壓匕過零,Ts、因電感中得感應(yīng)電動(dòng)勞一直導(dǎo)通，直到下個(gè)周期、 T2導(dǎo)通時(shí),T3、因加反向電壓才截止。 值得注意

12、得就是，只有當(dāng)a /T(AV又稱為額定通態(tài)平均電流。其定狡就是在室溫40與規(guī)定得冷卻條件 下，元件在電阻性負(fù)載流過正弦半波、導(dǎo)通角不小于170得電路中，結(jié)溫不超過 額定結(jié)溫時(shí)，所允許得最大通態(tài)平均電流值。將此電流按晶閘管標(biāo)準(zhǔn)電流取相近 得電流等級(jí)即為晶閘管得額定電流。 要注意得就是若晶閘管得導(dǎo)通時(shí)間遠(yuǎn)小于正弦波得半個(gè)周期，即使正向電流 值沒超過額定值,但峰值電流將非常大，可能會(huì)超過管子所能提供得極限，使管子 由于過熱而損壞。 在實(shí)際使用時(shí)不論流過管子得電流波形如何、導(dǎo)通角多大，只要其最大電流 有效值人W人，散熱冷卻符合規(guī)定，則晶閘管得發(fā)熱、溫升就能限制在允許得 范圍。 /； :額定電流有效值，

13、根據(jù)管子得/1W)換算出， /t(AV)、/ /in三者之間得關(guān)系： (3. 4. 2) (3. 4. 3) 波形系數(shù)：有直流分量得電流波形，其有效值/與平均值/ d之比稱為該波形 得波形系數(shù)，用A；表示。 (3. 4. 2) 額定狀態(tài)下，晶閘管得電流波形系數(shù) (3. 4. 6) (= =冬=1.57 hi AV) 2 晶閘管承受最大電壓為U伽=、乞；2 = a/2x167V = 236V考慮到2倍裕量，取500V、 晶閘管得選擇原則： I、所選晶閘管電流有效值/“大于元件 在電路中可能流過得最大電流有 效值。 II、選擇時(shí)考慮（1、52）倍得安全余量。即 /m =、57 /訶=（1、52）人

14、 52）厶（3. 4. 7） 1.57 因?yàn)镮t二1/運(yùn)，則晶閘管得額定電流為耳,）二12、5A（輸出電流得有效 值為最小值，所以該額定電流也為最小值）考慮到2倍裕量，取25A、即晶閘管 得額定電流至少應(yīng)大于25A、 在本次設(shè)計(jì)中我選用4個(gè)KP20-4得晶閘管、 III、若散熱條件不符合規(guī)定要求時(shí)，則元件得額定電流應(yīng)降低使用。 通態(tài)平均管壓降剛。指在規(guī)定得工作溫度條件下，使晶閘管導(dǎo)通得正弦 波半個(gè)周期內(nèi)陽極與陰極電壓得平均值，一般在0、41、2Vo 維持電流/h o指在常溫門極開路時(shí)，晶閘管從較大得通態(tài)電流降到剛好能 保持通態(tài)所需要得最小通態(tài)電流。一般人值從幾十到幾百毫安，由晶閘管電 流容量大

15、小而定。 門極觸發(fā)電流4 o在常溫下，陽極電壓為6V時(shí)，使晶閘管能完全導(dǎo)通所需 得門極電流，一般為毫安級(jí)。 斷態(tài)電壓臨界上升率du/dto在額定結(jié)溫與門極開路得情況下，不會(huì)導(dǎo)致晶 閘管從斷態(tài)到通態(tài)轉(zhuǎn)換得最大正向電壓上升率。一般為每微秒幾十伏。 通態(tài)電流臨界上升率di/dto在規(guī)定條件下，晶閘管能承受得最大通態(tài)電流 上升率。若晶閘管導(dǎo)通時(shí)電流上升太快，則會(huì)在晶閘管剛開通時(shí)，有很大得電 流集中在門極附近得小區(qū)域內(nèi)，從而造成局部過熱而損壞晶閘管。 3.4.3變壓器得選取 根據(jù)參數(shù)計(jì)算可知：變壓器應(yīng)選變比為1、5,容量至少為22、5VA。 3、5性能指標(biāo)分析: 整流電路得性能常用兩個(gè)技術(shù)指標(biāo)來衡量：一

16、個(gè)就是反映轉(zhuǎn)換關(guān)系得用整 流輸出電壓得平均值表示；另一個(gè)就是反映輸出直流電壓平滑程度得，稱為纟丈波 系數(shù)。 1）整流輸出電壓平均值 2y2 7T Uy cosa=0.9S costz X (3. 5.1) 2）紋波系數(shù) 紋波系數(shù)K廠用來表示直流輸出電壓中相對(duì)紋波電壓得大小，即 設(shè)計(jì)總結(jié) 通過單相全控橋式整流電路得設(shè)計(jì)，使我加深了對(duì)整流電路得理解，讓我對(duì) 電力電子該課程產(chǎn)生了濃烈得興趣。 整流電路得設(shè)計(jì)方法多種多樣，且根據(jù)負(fù)載得不同，又可以設(shè)計(jì)出很多不同 得電路。其中單相全控橋式整流電路其負(fù)載我們用得多得主要就是電阻型、帶大 電感型，接反電動(dòng)妙型。它們各自有自己得優(yōu)點(diǎn)。 對(duì)于一個(gè)電路得設(shè)計(jì)，首先應(yīng)該對(duì)它得理論知識(shí)很了解，這樣才能設(shè)計(jì)出性 能好得電路。整流電路中，開關(guān)器件得選擇與觸發(fā)電路得選擇就是最關(guān)鍵得，開關(guān) 器件與觸發(fā)電路選擇得好，對(duì)整流電路得性能指標(biāo)影響很大。 這次得課程設(shè)計(jì)就是我收獲最大得一次，雖然中途遇到了不少困難，但還就 是被我逐步解決了。通過這次課程設(shè)計(jì)我對(duì)于文檔得編排格式有了一定得掌握, 這對(duì)于以