單相半控橋式晶閘管整流電路設(shè)計(jì)(反電勢、電阻)培訓(xùn)講學(xué)

1、設(shè)計(jì)目的1、把從電力電子技術(shù)課程中所學(xué)到的理論和實(shí)踐知識(shí)，在課程設(shè)計(jì)實(shí)踐中全面 綜合 的加以運(yùn)用，使這些知識(shí)得到鞏固、提高，并使理論知識(shí)與實(shí)踐技能密切結(jié) 合起 來；2、初步樹立起正確的設(shè)計(jì)思想，掌握一般電力電子電路設(shè)計(jì)的基本方法和技能， 培養(yǎng)觀察、分析和解決問題及獨(dú)立設(shè)計(jì)的能力，訓(xùn)練設(shè)計(jì)構(gòu)思和創(chuàng)新能力；二、 設(shè)計(jì)任務(wù)1、通過查閱參考資料完成單相半控橋式晶閘管整流電路的設(shè)計(jì)任務(wù)；2、繪制電氣控制原理圖，包括主電路圖及觸發(fā)電路圖(或驅(qū)動(dòng)電路圖)，正確選 擇或設(shè)計(jì)元器件，訂列元器件目錄清單；1設(shè)計(jì)的主要參數(shù)及要求：設(shè)計(jì)條件：1、電源電壓：交流100V/50HZ 2、輸 出功率：500W3、移相范圍3

2、0o150o 4、負(fù)載為反電勢、電阻負(fù)載2.電路元件的選擇(1 )整流元件的選擇由于單相橋式半控反電動(dòng)勢、電阻負(fù)載電路主要器件是晶閘管，所以選取元件時(shí) 主要考慮晶閘管的參數(shù)及其選取原則。晶閘管的結(jié)構(gòu)晶閘管是大功率的半導(dǎo)體器件，從總體結(jié)構(gòu)上看，可區(qū)分為管芯及 散熱器兩大部分，分別如圖所示a）螺栓型b ）平板型c）電氣符號(hào)圖晶閘管管芯及電路符號(hào)表示晶閘管管芯的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖所示是一個(gè)四層（P- Ni p2- NI）三端（力K、G） 的功率半導(dǎo)體器件。它是在N型的硅基片（N）的兩邊擴(kuò)散P型半導(dǎo)體雜質(zhì)層（R、 PE ,形成了兩個(gè)PN結(jié)Ji、h。再在E層內(nèi)擴(kuò)散N型半導(dǎo)體雜質(zhì)層N又形成另一個(gè) PN結(jié)k。然后

3、在相應(yīng)位置放置鉗片作電極，引出陽極A,陰極K及門極G,形 成了一個(gè) 四層三端的大功率電子元件。這個(gè)四層半導(dǎo)體器件由于三個(gè)PN結(jié)的存在，決定了它 的可控導(dǎo)通特性。晶閘管的工作原理通過理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明：1）只有當(dāng)晶閘管同時(shí)承受正向陽極電壓和正向門極電壓時(shí)晶閘管才能導(dǎo)通， 兩 者不可缺一。2）晶閘管一旦導(dǎo)通后門極將失去控制作用，門極電壓對(duì)管子隨后的導(dǎo)通或尖斷 均不起作用，故使晶閘管導(dǎo)通的門極電壓不必是一個(gè)持續(xù)的直流電壓， 只要是一 個(gè)具有一定寬度的正向脈沖電壓即可，脈沖的寬度與晶閘管的開通特性及負(fù)載性質(zhì)有 尖。這個(gè)脈沖常稱之為觸發(fā)脈沖。3）要使已導(dǎo)通的晶閘管尖斷，必須使陽極電流降低到某一數(shù)值之

4、下（約幾十毫安）。這可以通過增大負(fù)載電阻，降低陽極電壓至接近于零或施加反向陽極電壓 來實(shí)現(xiàn)。這個(gè)能保持晶閘管導(dǎo)通的最小電流稱為維持電流，是晶閘管的一個(gè)重要參數(shù)。晶閘管為什么會(huì)有以上導(dǎo)通和尖斷的特性，這與晶閘管內(nèi)部發(fā)生的物理過程有尖。晶閘管是一個(gè)具有PiN Pa- N四層半導(dǎo)體的器件，內(nèi)部形成有三個(gè)PN結(jié)Ji、 h、J3，晶閘管承受正向陽極電壓時(shí)，其中Ji、J3承受反向阻斷電壓，h承受 正向阻斷 電壓。這三個(gè)PN結(jié)的功能可以看作是一個(gè)PNP型三極管VT （Pi- Ni-R)和一個(gè)NPh型三極管VT2(N P2- no構(gòu)成的復(fù)合作用如圖1-9所示圖晶閘管的等效復(fù)合三極管效應(yīng)可以看出，兩個(gè)晶體管連接

5、的特點(diǎn)是一個(gè)晶體管的集電極電流就是另一個(gè)晶體管的基 極電流，當(dāng)有足夠的門極電流Ig流入時(shí)，兩個(gè)相互復(fù)合的晶體管電路就會(huì) 形成強(qiáng)烈的 正反饋，導(dǎo)致兩個(gè)晶體管飽和導(dǎo)通，也即晶閘管的導(dǎo)通。產(chǎn)如果晶閘管承受的是反向陽極電壓，由于等效晶體管VT、VE均處于反壓狀態(tài)，無論有無門極電流Ig,晶閘管都不能導(dǎo)通。晶閘管的基本特性 1 靜態(tài)特性靜態(tài)特性又稱伏安特性，指的是器件端電壓與電流的尖系。這里介紹陽極伏安特性 和門極伏安特性。(1)陽極伏安特性晶閘管的陽極伏安特性表示晶閘管陽極與陰極之間的電壓仏“與陽極電流i圖6.5晶閘管陽極伏安特性正向阻斷高阻區(qū)；負(fù)阻區(qū)；正向?qū)ǖ妥鑵^(qū)；反向阻斷高阻區(qū)陽極伏安特性可以劃分

6、為兩個(gè)區(qū)域：第I象限為正向特性區(qū)，第川象限為反向特性 區(qū)。第I象限的正向特性又可分為正向阻斷狀態(tài)及正向?qū)顟B(tài)。(2)H極伏安特性晶閘管的門極與陰極間存在著一個(gè)PN結(jié)k，門極伏安特性就是指這個(gè)PN結(jié)上正向門 極電壓Ug與門極電流Ig間的尖系。由于這個(gè)結(jié)的伏安特性很分散，無法找 到一條典型 的代表曲線，只能用一條極限高阻門極特性和一條極限低阻門極特性之間的一片區(qū)域來代表所有元件的門極伏安特性，如圖 1-11陰影區(qū)域所示圖6.6晶閘管門極伏安特性2 動(dòng)態(tài)特性晶閘管常應(yīng)用于低頻的相控電力電子電路時(shí)，有時(shí)也在高頻電力電子電路中得到應(yīng) 用，如逆變器等。在高頻電路應(yīng)用時(shí)，需要嚴(yán)格地考慮晶閘管的開尖特性，即

7、開通特 性和尖斷特性。(1 )開通特f生晶閘管由截止轉(zhuǎn)為導(dǎo)通的過程為開通過程。圖1-12給出了晶閘管的開尖特性。在晶閘管處在正向阻斷的條件下突加門極觸發(fā)電流，由于晶閘管內(nèi)部正反饋過程及外電路電感的影響，陽極電流的增長需要一定的時(shí)間。從突加門極電流時(shí)刻到陽 極電流上升到穩(wěn)定值It的10%所需的時(shí)間稱為延遲時(shí)間td而陽極電流從10%T上升到 90%丁所需的時(shí)間稱為上升時(shí)間延遲時(shí)間與上升時(shí)間之和為晶閘管的幵通時(shí)間t gut d+t r，普通晶閘管的延遲時(shí)間為0.51.5卩s,上升時(shí)間為0.53卩s。延遲時(shí) 間隨門極電流的增大而減少，延遲時(shí)間和上升時(shí)間隨陽極電壓上升而下降。圖6.7品閘管的開關(guān)特性(2

8、)關(guān)斷特性通常采用外加反壓的方法將已導(dǎo)通的晶閘管尖斷。反壓可利用電源、負(fù)載和輔助換流 電路來提供。要尖斷已導(dǎo)通的晶閘管，通常給晶閘管加反向陽極電壓。晶閘管的尖斷，就是要使各 層區(qū)內(nèi)載流子消失，使元件對(duì)正向陽極電壓恢復(fù)阻斷能力。突加反向陽極電壓后， 由于外電路電感的存在，晶閘管陽極電流的下降會(huì)有一個(gè)過程，當(dāng)陽極電流過零，也會(huì)出現(xiàn)反向恢復(fù)電流，反向電流達(dá)最大值也后，再朝反方向快速衰減接近于零，此時(shí)晶閘管恢復(fù)對(duì)反向電壓的阻斷能力。(2)主電路原理圖波形圖:當(dāng)整流電路輸出接有反電勢負(fù)載時(shí)，只有當(dāng)電源電壓的瞬時(shí) 值大于 反電勢，同時(shí)又有觸發(fā)脈沖時(shí)，晶閘管才能導(dǎo)通，整流電路才有電流輸出，在晶閘管尖斷的時(shí)間

9、內(nèi)，負(fù)載上保留原有的反電勢。 負(fù)載兩端的電壓平均值比電阻性負(fù)載時(shí)高。(3 )參數(shù)計(jì)算本電路由于采用了 Matlab仿真，器件的參數(shù)采用默認(rèn)值，這里主 要計(jì)算電阻和脈沖信號(hào)源的延遲時(shí)間。本次設(shè)計(jì)的基本要求是：交流100V/50HZ；輸出功率：500W;調(diào)相 范圍30-150度。設(shè)置每個(gè)元件的仿真參數(shù)。最為尖鍵的是控制角a的調(diào)節(jié)是 通過脈 沖發(fā)生器的相位延遲來實(shí)現(xiàn)的，由于其單位是秒，而控制角的大小是通過度來衡量的，所以要進(jìn)行單位轉(zhuǎn)化，即把角度轉(zhuǎn)化為秒。交流電壓源的頻率取為50 Hz，因此每個(gè)周期的時(shí)間就是1/50 s，每一度角對(duì)應(yīng)的時(shí)間就是1/(50 X 360) s。在此設(shè)定 控制角為30, 則

10、脈沖發(fā)生器P1的延時(shí)應(yīng)設(shè)為30/(50 X 360) s。由于脈沖信號(hào)在每個(gè) 周期觸發(fā)兩次，所以其周期為0.01 s，所以脈沖發(fā)生器P2的延時(shí)設(shè)為30/(50 X 360)+0.01 s。由于沒有直接 可用 的電阻元件，只有RLC的幾種組合電路，所以采用串聯(lián)的RLC組合來等 效電阻。觸發(fā)角/(交流電壓源的頻率X360)觸發(fā)角+180/ (交流電壓源的頻率X360)三、MATLAB仿真參數(shù)設(shè)定晶閘管參數(shù)觸發(fā)脈沖器參數(shù)(觸發(fā)角30 )r駅 Source Block Parameters; Pulse (jeneratoreiseY二DendPulse typ& de+etnnin&3 Htha c

11、onputatiorLal *techiliqu& used.Tiiae-based is recomended for use vith 込 variable step solver, while Sajnple-based is xecoirunexided for use vith :a fixed step solver or within a discrete portion of a B.ode using a variable st ep solver.ParametersPulse type; Sample basedTime W: Use external signalAmplitude:1Period (niunber of samples):0.02Pulse width (number of samples):5Phase delay (number of samples):0.0017Lane elHelp(2