單相橋式可控整流電路的設計

1、一、引言電力電子技術(shù)又稱為功率電子技術(shù)，他是用于電能變換和功率控制的電子技術(shù)。電力電子技術(shù)是弱電控制強電的方法和手段，是當代高新技術(shù)發(fā)展的重要內(nèi)容，也是支持電力系統(tǒng)技術(shù)革命發(fā)展的重要基礎，并節(jié)能降耗、增產(chǎn)節(jié)約提高生產(chǎn)效能的重要技術(shù)手段。微電子技術(shù)、計算機技術(shù)以及大功率電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，極大地推動了電工技術(shù)、電氣工程和電力系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展和進步。 電力電子器件是電力電子技術(shù)發(fā)展的基礎。正是大功率晶閘管的發(fā)明，使得半導體變流技術(shù)從電子學中分離出來，發(fā)展成為電力電子技術(shù)這一專門的學科。而二十世紀九十年代各種全控型大功率半導體器件的發(fā)明，進一步拓展了電力電子技術(shù)應用和覆蓋的領域和范圍。電力電子技術(shù)

2、的應用領域已經(jīng)深入到國民經(jīng)濟的各個部門，包括鋼鐵、冶金、化工、電力、石油、汽車、運輸以及人們的日常生活。功率范圍大到幾千兆瓦的高壓直流輸電，小到一瓦的手機充電器，電力電子技術(shù)隨處可見。電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應用中也有了長足的發(fā)展，電力電子裝置與傳統(tǒng)的機械式開關(guān)操作設備相比有動態(tài)響應快，控制方便，靈活的特點，能夠顯著地改善電力系統(tǒng)的特性，在提高系統(tǒng)穩(wěn)定、降低運行風險、節(jié)約運行成本方面有很大潛力。1.1 電力電子技術(shù)的發(fā)展 晶閘管出現(xiàn)前的時期可稱為電力電子技術(shù)的史前期或黎明時期。晶閘管由于其優(yōu)越的電氣性能和控制性能，使之很快就取代了水銀整流器和旋轉(zhuǎn)變流機組。并且，其應用范圍也迅速擴大。電力電子

3、技術(shù)的概念和基礎就是由于晶閘管及晶閘管變流技術(shù)的發(fā)展而確立的。晶閘管是通過對門極的控制能夠使其導通而不能使其關(guān)斷的器件，屬于半控型器件。對晶閘管電路的控制方式主要是相位控制式，簡稱相控方式。晶閘管的關(guān)斷通常依靠電網(wǎng)電壓等外部條件來實現(xiàn)。這就使得晶閘管的應用受到了很大的局限。70年代后期，以門極可關(guān)斷晶閘管（GTO）、電力雙極型晶體管（BJT）和電力場效應晶體管（Power-MOSFET）為代表的全控型器件迅速發(fā)展。全控型器件的特點是，通過對門極（基極、柵極）的控制既可使其開通又可使其關(guān)斷。在80年代后期，以絕緣柵極雙極型晶體管（IGBT）為表的復合型器件異軍突起。它是MOSFET和BJT的復合

4、，綜合了兩者的優(yōu)點。與此相對，MOS控制晶閘管（MCT）和集成門極換流晶閘管（IGCT）復合了MOSFET和GTO。1.2 電力電子技術(shù)的應用電力電子技術(shù)是一門新興技術(shù)，它是由電力學、電子學和控制理論三個學科交叉而成的，在電氣自動化專業(yè)中已成為一門專業(yè)基礎性強且與生產(chǎn)緊密聯(lián)系的不可缺少的專業(yè)基礎課。本課程體現(xiàn)了弱電對強電的控制，又具有很強的實踐性。能夠理論聯(lián)系實際，在培養(yǎng)自動化專業(yè)人才中占有重要地位。它包括了晶閘管的結(jié)構(gòu)和分類、晶閘管的過電壓和過電流保護方法、可控整流電路、晶閘管有源逆變電路、晶閘管無源逆變電路、PWM控制技術(shù)、交流調(diào)壓、直流斬波以及變頻電路的工作原理。 在電力電子技

5、術(shù)中，可控整流電路是非常重要的內(nèi)容，整流電路是將交流電變?yōu)橹绷麟姷碾娐?，其應用非常廣泛。工業(yè)中大量應用的各種直流電動機的調(diào)速均采用電力電子裝置；電氣化鐵道（電氣機車、磁懸浮列車等）、電動汽車、飛機、船舶、電梯等交通運輸工具中也廣泛采用整流電力電子技術(shù)；各種電子裝置如通信設備中的程控交換機所用的直流電源、大型計算機所需的工作電源、微型計算機內(nèi)部的電源都可以利用整流電路構(gòu)成的直流電源供電，可以說有電源的地方就有電力電子技術(shù)的設備。1.3 電力電子技術(shù)課程中的整流電路整流電路按組成的器件不同，可分為不可控、半控與全控三種，利用晶閘管半導體器件構(gòu)成的主要有半控和全控整流電路；按電路接線方式可分為橋式和

6、零式整流電路；按交流輸入相數(shù)又可分為單相、多相（主要是三相）整流電路。正是因為整流電路有著如此廣泛的應用，因此整流電路的研究無論在是從經(jīng)濟角度，還是從科學研究角度上來講都是很有價值的。本設計正是結(jié)合了Matlab仿真軟件對單相半控橋式晶閘管整流電路進行分析。二、設計任務掌握晶閘管的使用，用晶閘管控制單相橋式全控整流電路（阻感性負載）并畫出整流電路中輸入輸出、各元器件的電壓、電流波形，理解單相橋式全控整流電路阻感負載的工作原理和基本計算。選擇觸發(fā)電路的結(jié)構(gòu)，考慮保護電路。三、設計方案選擇及論證3.1 方案的選擇我們知道，單相整流電路形式是各種各樣的，可分為單相橋式相控整流電路和單相橋式半控整流電

7、路，整流的結(jié)構(gòu)也是比較多的。因此在做設計之前我們主要考慮了以下幾種方案：方案一：單相橋式半控整流電路電路簡圖如下： 圖2-1 單相橋式半控整流電路對每個導電回路進行控制，相對于全控橋而言少了一個控制器件，用二極管代替，有利于降低損耗！如果不加續(xù)流二極管，當突然增大至180°或出發(fā)脈沖丟失時，由于電感儲能不經(jīng)變壓器二次繞組釋放，只是消耗在負載電阻上，會發(fā)生一個晶閘管導通而兩個二極管輪流導通的情況，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，相當于單相半波不可控整流電路時的波形，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。方案二：單相橋式全控整

8、流電路電路簡圖如下：圖2-2 單相橋式全控整流電路 此電路對每個導電回路進行控制，無須用續(xù)流二極管，也不會失控現(xiàn)象，負載形式多樣，整流效果好，波形平穩(wěn)，應用廣泛。變壓器二次繞組中，正負兩個半周電流方向相反且波形對稱，平均值為零，即直流分量為零，不存在變壓器直流磁化問題，變壓器的利用率也高。 方案三：單相半波可控整流電路：電路簡圖如下： 圖 2-3 單相半波可控整流電路 此電路只需要一個可控器件，電路比較簡單，VT的a 移相范圍為180°。但輸出脈動大，變壓器二次側(cè)電流中含直流分量，造成變壓器鐵芯直流磁化。為使變壓器鐵心不飽和，需增大鐵心截面積，增大了設備的容量。實際上很少應用此種電路

9、。 方案四：單相全波可控整流電路：電路簡圖如下：圖 2-4 單相全波可控整流電路此電路變壓器是帶中心抽頭的，結(jié)構(gòu)比較復雜，只要用2個可控器件，單相全波只用2個晶閘管，比單相全控橋少2個，因此少了一個管壓降，相應地，門極驅(qū)動電路也少2個，但是晶閘管承受的最大電壓是單相全控橋的2倍。不存在直流磁化的問題，適用于輸出低壓的場合作電流脈沖大（電阻性負載時），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小，功率因數(shù)高，變壓器二次電流為兩個等大反向的半波，沒有直流磁化問題，變壓器利用率高的優(yōu)點。相同的負載下流過晶閘管的平單相全控式整流電路其輸出平

10、均電壓是半波整流電路2倍，在均電流減小一半；且功率因數(shù)提高了一半。 綜上所述，針對他們的優(yōu)缺點，我們采用方案二，即單相橋式全控整流電路。 四、總體電路設計4.1 系統(tǒng)流程框圖根據(jù)方案選擇與設計任務要求，畫出系統(tǒng)電路的流程框圖如圖2-5所示。整流電路主要由驅(qū)動電路、保護電路和整流主電路組成。根據(jù)設計任務，在此設計中采用單相橋式全控整流電路帶阻感性負載。輸入過電流保護整流主電路過電壓保護驅(qū)動觸發(fā)電路輸出圖2-5 系統(tǒng)流程框圖4.2 主電路的設計圖2-6 主電路原理圖圖2-7 主電路工作波形圖 電路如圖2-6和圖2-7所示。為便于討論，假設電路已工作于穩(wěn)態(tài)。(1) 工作原理 在電源電壓正半周期間，V

11、T1、VT2承受正向電壓，若在時觸發(fā)，VT1、VT2導通，電流經(jīng)VT1、負載、VT2和T二次側(cè)形成回路，但由于大電感的存在，過零變負時，電感上的感應電動勢使VT1、VT2繼續(xù)導通，直到VT3、VT4被觸發(fā)導通時，VT1、VT2承受反相電壓而截止。輸出電壓的波形出現(xiàn)了負值部分。在電源電壓負半周期間，晶閘管VT3、VT4承受正向電壓，在時觸發(fā)，VT3、VT4導通，VT1、VT2受反相電壓截止，負載電流從VT1、VT2中換流至VT3、VT4中在時，電壓過零，VT3、VT4因電感中的感應電動勢一直導通，直到下個周期VT1、VT2導通時，VT3、VT4因加反向電壓才截止。值得注意的是，只有當時，負載電流

12、才連續(xù)，當時，負載電流不連續(xù)，而且輸出電壓的平均值均接近零，因此這種電路控制角的移相范圍是。4.3 整流電路參數(shù)計算1.在阻感負載下電流連續(xù)，整流輸出電壓的平均值為 (2-1)由設計任務有電感，電阻，則輸出電壓平均值的最大值可由下式可求得。 (2-2)可見，當在范圍內(nèi)變化時，整流器可在范圍內(nèi)取值。2.整流輸出電壓有效值為 (2-3)3.整流輸出電流平均值為： (2-4)4.在一個周期內(nèi)每組晶閘管各導通180°，兩組輪流導通，整流變壓器二次電流是正、負對稱的方波，電流的平均值和有效值相等，其波形系數(shù)為1。流過每個晶閘管的電流平均值與有效值分別為： (2-5) (2-6)5、晶閘管在導通

13、時管壓降=0,故其波形為與橫軸重合的直線段；VT1和VT2加正向電壓但觸發(fā)脈沖沒到時，VT3、VT4已導通，把整個電壓加到VT1或VT2上，則每個元件承受的最大可能的正向電壓等于；VT1和VT2反向截止時漏電流為零，只要另一組晶閘管導通，也就把整個電壓加到VT1或VT2上，故兩個晶閘管承受的最大反向電壓也為。4.4 晶閘管元件的選擇1、晶閘管的額定電流選擇晶閘管額定電流的原則是必須使管子允許通過的額定電流有效值大于實際流過管子電流最大有效值 ，即 =1.57> 或 > (2-7)考慮（1.52）倍的裕量： (2-8)此外，還需注意以下幾點：當周圍環(huán)境溫度超過+40時，應降低元件的額

14、定電流值。當元件的冷卻條件低于標準要求時，也應降低元件的額定電流值。關(guān)鍵、重大設備，電流裕量可適當選大些。2、晶閘管的額定電壓晶閘管實際承受的最大峰值電壓乘以（23）倍的安全裕量，即可確定晶閘管的額定電壓：(23)(23)(622933) (2-9)取800V。由以上分析計算知選取晶閘管的型號為。3、晶閘管的具體參數(shù)額定通態(tài)平均電流（IT（AV）：1A;斷態(tài)重復峰值電壓（UDRM）:500V;反向重復峰值電壓（URRM）:1800V;斷態(tài)重復平均電流（IDR（AV）:6mA;反向重復平均電流（IRR（AV）:6mA;門極觸發(fā)電流（IGT）:60mA;門極觸發(fā)電壓（UGT）:1.8V;斷態(tài)電壓臨

15、界上升率（du/dt）:50V/uS維持電流（IH）：60mA;額定結(jié)溫（TjM）：110五、各功能模塊電路設計5.1 觸發(fā)電路簡介電力電子器件的驅(qū)動電路是電力電子主電路與控制電路之間的接口，是電力電子的重要環(huán)節(jié)，對整個裝置的性能有很大的影響。采用良好的性能的驅(qū)動電路?？梢允闺娏﹄娮悠骷ぷ髟诒容^理想的開關(guān)狀態(tài)，縮短開關(guān)時間，對裝置的運行效率，可靠性和安全性都有很大的意義。對于相控電路這樣使用晶閘管的場合，在晶閘管陽極加上正向電壓后，還必須在門極與陰極之間加上觸發(fā)電壓，晶閘管才能從截止轉(zhuǎn)變?yōu)閷?，習慣上稱為觸發(fā)控制。提供這個觸發(fā)電壓的電路稱為晶閘管的觸發(fā)電路。它決定每一個晶閘管的觸發(fā)導通時刻，

16、是晶閘管裝置中不可缺少的一個重要組成部分。晶閘管相控整流電路，通過控制觸發(fā)角的大小即控制觸發(fā)脈沖起始位來控制輸出電壓的大小，為保證相控電路的正常工作，很重要的一點是應保證觸發(fā)角的大小在正確的時刻向電路中的晶閘管施加有效的觸發(fā)脈沖。5.2 觸發(fā)電路設計要求晶閘管的型號很多，其應用電路種類也很多，不同的晶閘管型號，應用電路對觸發(fā)信號都會有不同的要求。但是，歸納起來，晶閘管觸發(fā)主要有移相觸發(fā)，過零觸發(fā)和脈沖列調(diào)制觸發(fā)等。不管是哪種觸發(fā)電路，對它產(chǎn)生的觸發(fā)脈沖都有如下要求：1、觸發(fā)信號為直流、交流或脈沖電壓，由于晶閘管導通后，門極觸發(fā)信號即失去了控制作用，為了減小門極的損耗，一般不采用直流或交流信號觸

17、發(fā)晶閘管，而廣泛采用脈沖觸發(fā)信號。2、觸發(fā)信號應有足夠的功率（觸發(fā)電壓和觸發(fā)電流）。觸發(fā)信號功率大小是晶閘管元件能否可靠觸發(fā)的一個關(guān)鍵指標。由于晶閘管元件門極參數(shù)的分散性很大，且隨溫度的變化也大，為使所有合格的元件均能可靠觸發(fā)，可參考元件出廠的試驗數(shù)據(jù)或產(chǎn)品目錄來設計觸發(fā)電路的輸出電壓、電流值，并有一定的裕量。 3、觸發(fā)脈沖應有一定的寬度，脈搏沖的前沿盡可能陡，以使元件在觸發(fā)信號導通后，陽極電流能迅速上升超過掣住電流而維持導通。普通晶閘管的導通時間約法為6，故觸發(fā)電路的寬度至少應有以上，對于電感性負載，由于 電感會抑制電流的上升，觸發(fā)脈沖的寬度應更大一些，通常為0.5至1，此外，某些具體電路對

18、觸發(fā)脈沖寬度會有一定的要求，如三相全控橋等電路的觸發(fā)脈沖寬度要大于60°或采用雙窄脈沖。為了快速而可靠地觸發(fā)大功率晶閘管，常在觸發(fā)脈沖的前沿疊加一個強觸發(fā)脈沖，強觸發(fā)脈沖的電流波形如圖2-8所示。強觸發(fā)電流的幅值可達到最大觸發(fā)電流的5倍。前沿約為幾。圖2-8 強觸發(fā)電流波形4、觸發(fā)脈沖必須與晶閘管的陽極電壓同步，脈沖稱相范圍必須滿足電路要求。為保證控制的規(guī)律性，要求晶閘管在每個陽極電壓周期都在相同控制角觸發(fā)導通，這就要求脈沖的頻率必須與陽極電壓同步。同時，不同的電路或者相同的電路在不同的負載、不同的用途時，要求的變化的范圍（移相范圍）亦即觸發(fā)脈沖前沿與陽極電壓的相位變化范圍不同，所用

19、觸發(fā)電路的脈沖移相范圍必須滿足實際的需要。5.3 集成觸發(fā)電路TCA7895.3.1 TCA785芯片介紹    TCA785是德國西門子(Siemens)公司于1988年前后開發(fā)的第三代晶閘管單片移相觸發(fā)集成電路，它是取代TCA780及TCA780D的更新?lián)Q代產(chǎn)品，其引腳排列與TCA780、TCA780D和國產(chǎn)的KJ785完全相同，因此可以互換。目前，它在國內(nèi)變流行業(yè)中已廣泛應用。與原有的KJ系列或KC系列晶閘管移相觸發(fā)電路相比，它對零點的識別更加可靠，輸出脈沖的齊整度更好，而移相范圍更寬，且由于它輸出脈沖的寬度可人為自由調(diào)節(jié)，所以適用范圍較廣。（1）引腳排列、

20、各引腳的功能及用法TCA785是雙列直插式16引腳大規(guī)模集成電路。它的引腳排列如圖2-9所示。圖2-9 TCA785的引腳排列各引腳的名稱、功能及用法如下：    引腳16(VS)：電源端。使用中直接接用戶為該集成電路工作提供的工作電源正端。    引腳1(OS)：接地端。應用中與直流電源VS、同步電壓VSYNC及移相控制信號V11的地端相連接。    引腳4(Q1)和2(Q2)：輸出脈沖1與2的非端。該兩端可輸出寬度變化的脈沖信號，其相位互差180°，兩路脈沖的寬度均受非脈沖寬度控制端引腳13

21、(L)的控制。它們的高電平最高幅值為電源電壓VS，允許最大負載電流為10mA。若該兩端輸出脈沖在系統(tǒng)中不用時，電路自身結(jié)構(gòu)允許其開路。    引腳14(Q1)和15(Q2)：輸出脈沖1和2端。該兩端也可輸出寬度變化的脈沖，相位同樣互差180°，脈沖寬度受它們的脈寬控制端引腳12(C12)的控制。兩路脈沖輸出高電平的最高幅值為5VS。    引腳13(L)：非輸出脈沖寬度控制端。該端允許施加電平的范圍為-0.5V5VS，當該端接地時，Q1、Q2為最寬脈沖輸出，而當該端接電源電壓VS時，Q1、Q2為最窄脈沖輸出。 &#

22、160;  引腳12(C12)：輸出Q1、Q2脈寬控制端。應用中，通過一電容接地，電容C12的電容量范圍為1504700pF，當C12在1501000pF范圍內(nèi)變化時，Q1、Q2輸出脈沖的寬度亦在變化，該兩端輸出窄脈沖的最窄寬度為100s，而輸出寬脈沖的最寬寬度為2000s。引腳11(V11)：輸出脈沖Q1、Q2或Q1、Q2移相控制直流電壓輸入端。應用中，通過輸入電阻接用戶控制電路輸出，當TCA785工作于50Hz，且自身工作電源電壓Vs為15V時，則該電阻的典型值為15k，移相控制電壓V11的有效范圍為0.2VVs-2V，當其在此范圍內(nèi)連續(xù)變化時，輸出脈沖Q1、Q2及Q1，Q2的相

23、位便在整個移相范圍內(nèi)變化，其觸發(fā)脈沖出現(xiàn)的時刻為：trr=(V11R9C10)/(VREFK)式中 R9、C10、VREF分別為連接到TCA785引腳9的電阻、引腳10的電容及引腳8輸出的基準電壓；K常數(shù)。    為降低干擾，應用中引腳11通過0.1F的電容接地，通過2.2F的電容接正電源。    引腳10(C10)：外接鋸齒波電容連接端。C10的實用范圍為500pF1F。該電容的最小充電電流為10A。最大充電電流為1mA，它的大小受連接于引腳9的電阻R9控制，C11兩端鋸齒波的最高峰值為VS-2V，其典型后沿下降時間為80s。

24、60;   引腳9(R9)：鋸齒波電阻連接端。該端的電阻R9決定著C10的充電電流，其充電電流可按下式計算：I10=VREFK/R9    連接于引腳9的電阻亦決定了引腳10鋸齒波電壓幅度的高低，鋸齒波幅值為： V10=VREFK/(R9C10) ，電阻R9的應用范圍為3300k。    引腳8(VREF)：TCA785自身輸出的高穩(wěn)定基準電壓端。負載能力為驅(qū)動10塊CMOS集成電路，隨著TCA785應用的工作電源電壓VS及其輸出脈沖頻率的不同，VREF的變化范圍為2.83.4V，當TCA785應用的工作電源電壓為

25、15V，輸出脈沖頻率為50Hz時，VREF的典型值為3.1V，如用戶電路中不需要應用VREF，則該端可以開路。    引腳7(QZ)和3(QV)：TCA785輸出的兩個邏輯脈沖信號端。其高電平脈沖幅值最大為VS-2V，高電平最大負載能力為10mA。QZ為窄脈沖信號，它的頻率為輸出脈沖Q2與Q1或Q1與Q2的兩倍，是Q1與Q2或Q1與Q2的或信號，QV為寬脈沖信號，它的寬度為移相控制角+180°，它與Q1、Q2或Q1、Q2同步，頻率與Q1、Q2或Q1、Q2相同，該兩邏輯脈沖信號可用來提供給用戶的控制電路作為同步信號或其它用途的信號，不用時可開路。 

26、;   引腳6(I)：脈沖信號禁止端。該端的作用是封鎖Q1、Q2及Q1、Q2的輸出脈沖，該端通常通過阻值10k的電阻接地或接正電源，允許施加的電壓范圍為-0.5VVS，當該端通過電阻接地，且該端電壓低于2.5V時，則封鎖功能起作用，輸出脈沖被封鎖。而該端通過電阻接正電源，且該端電壓高于4V時，則封鎖功能不起作用。該端允許低電平最大灌電流為0.2mA，高電平最大拉電流為0.8mA。引腳5(VSYNC)：同步電壓輸入端。應用中需對地端接兩個正反向并聯(lián)的限幅二極管，該端吸取的電流為20200A，隨著該端與同步電源之間所接的電阻阻值的不同，同步電壓可以取不同的值，當所接電阻為200

27、k時，同步電壓可直接取AC220V。（2）基本設計特點  TCA785的基本設計特點有：能可靠地對同步交流電源的過零點進行識別，因而可方便地用作過零觸發(fā)而構(gòu)成零點開關(guān)；它具有寬的應用范圍，可用來觸發(fā)普通晶閘管、快速晶閘管、雙向晶閘管及作為功率晶體管的控制脈沖，故可用于由這些電力電子器件組成的單管斬波、單相半波、半控橋、全控橋或三相半控、全控整流電路及單相或三相逆變系統(tǒng)或其它拓撲結(jié)構(gòu)電路的變流系統(tǒng)；它的輸入、輸出與CMOS及TTL電平兼容，具有較寬的應用電壓范圍和較大的負載驅(qū)動能力，每路可直接輸出250mA的驅(qū)動電流；其電路結(jié)構(gòu)決定了自身鋸齒波電壓的范圍較寬，對環(huán)境溫度的適應性較強，可

28、應用于較寬的環(huán)境溫度范圍(-25+85°C)和工作電源電壓范圍(-0.5+18V)。（3）極限參數(shù)電源電壓：+818V或±49V；移相電壓范圍：0.2VVS-2V;輸出脈沖最大寬度：180°；最高工作頻率：10500Hz；高電平脈沖負載電流：400mA；低電平允許最大灌電流：250mA；輸出脈沖高、低電平幅值分別為VS和0.3V；同步電壓隨限流電阻不同可為任意值；最高工作頻率：10500Hz；工作溫度范圍：軍品 -55+125，工業(yè)品 -25+85，民品 0+70。5.3.2 TCA785鋸齒波移相觸發(fā)電路由于TCA785自身的優(yōu)良性能，決定了它可以方便地用于主電

29、路為單個晶閘管或晶體管，單相半控橋、全控橋和三相半控橋、全控橋及其它主電路形式的電力電子設備中觸發(fā)晶閘管或晶體管，進而實現(xiàn)用戶需要的整流、調(diào)壓、交直流調(diào)速、及直流輸電等目的。西門子TCA785觸發(fā)電路，它對零點的識別可靠，輸出脈沖的齊整度好，移相范圍寬；同時它輸出脈沖的寬度可人為自由調(diào)節(jié)。西門子TCA785外圍電路如圖2-10 所示。圖2-10 TCA785鋸齒波移相觸發(fā)電路原理圖鋸齒波斜率由電位器RP1 調(diào)節(jié)，RP2 電位器調(diào)節(jié)晶閘管的觸發(fā)角。交流電源采用同步變壓器提供，同步變壓器與整流變壓器為同一輸入，根據(jù)TCA785能可靠地對同步交流電源的過零點進行識別，從而可保證觸發(fā)脈沖與晶閘管的陽極

30、電壓保持同步。同步變壓器的變比選為。5.4 保護電路設計在電力電子電路中，除了電力電子器件參數(shù)選擇合適、驅(qū)動電路設計良好外，采用合適的過電壓、過電流、du/dt保護和di/dt 保護也是必要的。5.4.1 過電壓保護以過電壓保護的部位來分，有交流側(cè)過壓保護、直流側(cè)過電壓保護和器件兩端的過電壓保護三種。（1）交流側(cè)過電壓保護可采用阻容保護或壓敏電阻保護。 阻容保護（即在變壓器二次側(cè)并聯(lián)電阻R和電容C進行保護）單相阻容保護的計算公式如下： (4-1) (4-2)S：變壓器每相平均計算容量（VA）；：變壓器副邊相電壓有效值（V）；%：變壓器激磁電流百分值；%：變壓器的短路電壓百分值。當變壓器的容量在

31、（10000）KVA里面取值時%=(410)在里面取值，%=(510）里面取值。電容C的單位為F，電阻的單位為。電容C的交流耐壓1.5U。U：正常工作時阻容兩端交流電壓有效值。根據(jù)公式算得電容值為4.8F,交流耐壓為165V，電阻值為12.86，在設計中我們?nèi)‰娙轂?F，電阻值為13。 壓敏電阻的計算=1.3××220=404.4V (4-3)流通量取5KA。選MY31-440/5型壓敏電阻（允許偏差+10）作交流側(cè)浪涌過電壓保護。（2）直流側(cè)過電壓保護直流側(cè)保護可采用與交流側(cè)保護相同保護相同的方法，可采用阻容保護和壓敏電阻保護。但采用阻容保護易影響系統(tǒng)的快速性，并且會造成

32、加大。因此，一般不采用阻容保護，而只用壓敏電阻作過電壓保護。(1.82)=(1.82.2)×198=356.4435.6V (4-4) 選MY31-440/5型壓敏電阻(允許偏差+10)作直流側(cè)過壓保護。（3）晶閘管兩端的過電壓保護 抑制晶閘管關(guān)斷過電壓一般采用在晶閘管兩端并聯(lián)阻容保護電路方法，可查下面的經(jīng)驗值表確定阻容參數(shù)值。表3-1 阻容保護的數(shù)值(一般根據(jù)經(jīng)驗選定)晶閘管額定電流/A1020501002005001000電容/F0.10.150.20.250.512電阻/1008040201052由于,由上表可知選取C=0.1µF，R=100。5.4.2 過電流保護快

33、速熔斷器的斷流時間短，保護性能較好，是目前應用最普遍的保護措施?？焖偃蹟嗥骺梢园惭b在直流側(cè)、交流側(cè)和直接與晶閘管串聯(lián)。 接阻感負載的單相全控橋電路，通過晶閘管的有效值A (4-5)選取RLS-1快速熔斷器，熔體額定電流1A。5.4.3 電流上升率di/dt的抑制 晶閘管初開通時電流集中在靠近門極的陰極表面較小的區(qū)域，局部電流密很大，然后以0.1mm/s的擴展速度將電流擴展到整個陰極面，若晶閘管開通時電流上升率di/dt過大，會導致PN結(jié)擊穿，必須限制晶閘管的電流上升率使其在合適的范圍內(nèi)。其有效辦法是在晶閘管的陽極回路串聯(lián)入電感。如圖3-1所示。圖3-1 串聯(lián)電感抑制回路5.4.4 電壓上升率d

34、u/dt的抑制 加在晶閘管上的正向電壓上升率du/dt也應有所限制,如果du/dt過大，由于晶閘管結(jié)電容的存在而產(chǎn)生較大的位移電流，該電流可以實際上起到觸發(fā)電流的作用，使晶閘管正向阻斷能力下降，嚴重時引起晶閘管誤導通。為抑制du/dt的作用，可以在晶閘管兩端并聯(lián)R-C阻容吸收回路。如圖3-2所示。圖3-2 并聯(lián)R-C阻容吸收回路六、總體電路6.1.阻感性負載1）工作原理:假設電路已經(jīng)工作在穩(wěn)定狀態(tài)， 圖4.1阻感性負載電路（a）工作波形（b）假設 ，負載電流連續(xù)，近似為一平直的直線。 （1）輸出電壓平均值Ud和輸出電流平均值Id（2）晶閘管的電流平均值IdT和有效值IT （3）輸出電流有效值I

35、和變壓器二次電流有效值I2（4）晶閘管所承受的最大正向電壓和反向電壓均為6.2元件選取-晶閘管（SCR）6.2.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)晶閘管是大功率的半導體器件，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6-1及圖6-2所示。           a） 螺栓型 b）平板型 c）符號圖6-1 晶閘管管芯及電路符號表示 管芯是晶閘管的本體部分，由半導體材料構(gòu)成，具有三個與外電路可以連接的電極：陽極，陰極和門極（或稱控制極），其電路圖中符號表示如圖1-6c）所示。散熱器則是為了將管芯在工作時由損

36、耗產(chǎn)生的熱量帶走而設置的冷卻器。按照晶閘管管芯與散熱器間的安裝方式，晶閘管可分為螺栓型與平板型兩種。螺栓型（圖1-6a）依靠螺栓將管芯與散熱器緊密連接在一起，并靠相互接觸的一個面?zhèn)鬟f熱量。a）自冷 b）風冷 c）水冷                        圖6-2 晶閘管的散熱器晶閘管管芯的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖6-3所示，是一個四層（P1N1P2N2）三端（A、K、G

37、）的功率半導體器件。它是在N型的硅基片（N1）的兩邊擴散型半導體雜質(zhì)層（P1、P2），形成了兩個PN結(jié)J1、J2。再在P2層內(nèi)擴散型半導體雜質(zhì)層N2又形成另一個PN結(jié)J3。然后在相應位置放置鉬片作電極，引出陽極A，陰極K及門極G，形成了一個四層三端的大功率電子元件。這個四層半導體器件由于三個PN結(jié)的存在，決定了它的可控導通特性。圖6-3 晶閘管管芯結(jié)構(gòu)原理圖 6.2.2 晶閘管的工作原理通過理論分析和實驗驗證表明：1） 只有當晶閘管同時承受正向陽極電壓和正向門極電壓時晶閘管才能導通，兩者不可缺一。2） 晶閘管一旦導通后門極將失去控制作用，門極電壓對管子隨后的導通或關(guān)斷均不起作用，故使晶閘管導通

38、的門極電壓不必是一個持續(xù)的直流電壓，只要是一個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載性質(zhì)有關(guān)。這個脈沖常稱之為觸發(fā)脈沖。3） 要使已導通的晶閘管關(guān)斷，必須使陽極電流降低到某一數(shù)值之下（約幾十毫安）。這可以通過增大負載電阻，降低陽極電壓至接近于零或施加反向陽極電壓來實現(xiàn)。這個能保持晶閘管導通的最小電流稱為維持電流，是晶閘管的一個重要參數(shù)。晶閘管為什么會有以上導通和關(guān)斷的特性，這與晶閘管內(nèi)部發(fā)生的物理過程有關(guān)。晶閘管是一個具有P1N1P2N2四層半導體的器件，內(nèi)部形成有三個PN結(jié)J1、J2、J3，晶閘管承受正向陽極電壓時，其中J1、J3承受反向阻斷電壓，J2承受正向阻斷

39、電壓。這三個PN結(jié)的功能可以看作是一個PNP型三極管VT1（P1N1P2）和一個NPN型三極管VT2（N1P2N2）構(gòu)成的復合作用，如圖6-4所示。圖6-4 晶閘管的等效復合三極管效應可以看出，兩個晶體管連接的特點是一個晶體管的集電極電流就是另一個晶體管的基極電流，當有足夠的門極電流Ig流入時，兩個相互復合的晶體管電路就會形成強烈的正反饋，導致兩個晶體管飽和導通，也即晶閘管的導通。如果晶閘管承受的是反向陽極電壓，由于等效晶體管VT1、VT2均處于反壓狀態(tài)，無論有無門極電流Ig，晶閘管都不能導通。6.2.3 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關(guān)系。這里介紹陽

40、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Uak與陽極電流ia之間的關(guān)系曲線，如圖6-5所示。圖6-5 晶閘管陽極伏安特性正向阻斷高阻區(qū)；負阻區(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為兩個區(qū)域：第象限為正向特性區(qū)，第象限為反向特性區(qū)。第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） 門極伏安特性晶閘管的門極與陰極間存在著一個PN結(jié)J3，門極伏安特性就是指這個PN結(jié)上正向門極電壓Ug與門極電流Ig間的關(guān)系。由于這個結(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

41、區(qū)域來代表所有元件的門極伏安特性，如圖6-6陰影區(qū)域所示。 圖6-6 晶閘管門極伏安特性2動態(tài)特性晶閘管常應用于低頻的相控電力電子電路時，有時也在高頻電力電子電路中得到應用，如逆變器等。在高頻電路應用時，需要嚴格地考慮晶閘管的開關(guān)特性，即開通特性和關(guān)斷特性。（1）開通特性晶閘管由截止轉(zhuǎn)為導通的過程為開通過程。圖6-7給出了晶閘管的開關(guān)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間。從突加門極電流時刻到陽極電流上升到穩(wěn)定值IT的10%所需的時間稱為延遲時間td，而陽極電流從10%IT上升到90%IT所需的時間稱為上升時

42、間tr，延遲時間與上升時間之和為晶閘管的開通時間 tgt=td+tr，普通晶閘管的延遲時間為0.51.5s，上升時間為0.53s。延遲時間隨門極電流的增大而減少，延遲時間和上升時間隨陽極電壓上升而下降。圖6-7 晶閘管的開關(guān)特性（2）關(guān)斷特性通常采用外加反壓的方法將已導通的晶閘管關(guān)斷。反壓可利用電源、負載和輔助換流電路來提供。要關(guān)斷已導通的晶閘管，通常給晶閘管加反向陽極電壓。晶閘管的關(guān)斷，就是要使各層區(qū)內(nèi)載流子消失，使元件對正向陽極電壓恢復阻斷能力。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有一個過程，當陽極電流過零，也會出現(xiàn)反向恢復電流，反向電流達最大值IRM

43、后，再朝反方向快速衰減接近于零，此時晶閘管恢復對反向電壓的阻斷能力。6.2.4 晶閘管的主要參數(shù)要正確使用一個晶閘管，除了了解晶閘管的靜態(tài)、動態(tài)特性外，還必須定量地掌握晶閘管的一些主要參數(shù)?，F(xiàn)對經(jīng)常使用的幾個晶閘管的參數(shù)作一介紹。1電壓參數(shù)（1） 斷態(tài)重復峰值電壓UDRM 門極開路，元件額定結(jié)溫時，從晶閘管陽極伏安特性正向阻斷高阻區(qū)（圖1-10中的曲線）漏電流急劇增長的拐彎處所決定的電壓稱斷態(tài)不重復峰值電壓UDSM，“不重復”表明這個電壓不可長期重復施加。取斷態(tài)不重復峰值電壓的90定義為斷態(tài)重復峰值電壓UDRM，“重復”表示這個電壓可以以每秒50次，每次持續(xù)時間不大于10ms的重復方式施加于元

44、件上。（2） 反向重復峰值電壓URRM 門極開路，元件額定結(jié)溫時，從晶閘管陽極伏安特性反向阻斷高阻區(qū)（圖1-10中曲線）反向漏電流急劇增長的拐彎處所決定的的電壓稱為反向不重復峰值電壓URSM，這個電壓是不能長期重復施加的。取反向不重復峰值電壓的90定義為反向重復峰值電壓URRM，這個電壓允許重復施加。（3） 晶閘管的額定電壓UR 取UDRM和URRM中較小的一個，并整化至等于或小于該值的規(guī)定電壓等級上。電壓等級不是任意決定的，額定電壓在1000以下是每100一個電壓等級，1000至3000則是每200一個電壓等級。由于晶閘管工作中可能會遭受到一些意想不到的瞬時過電壓，為了確保管子安全運行，在選

45、用晶閘管時應使其額定電壓為正常工作電壓峰值UM的23倍，以作安全余量。UR =（23）UM （1-4）（4） 通態(tài)平均電壓UT（AV）指在晶閘管通過單相工頻正弦半波電流，額定結(jié)溫、額定平均電流下，晶閘管陽極與陰極間電壓的平均值，也稱之為管壓降。在晶閘管型號中，常按通態(tài)平均電壓的數(shù)值進行分組，以大寫英文字母AI表示。通態(tài)平均電壓影響元件的損耗與發(fā)熱，應該選用管壓降小的元件來使用。2電流參數(shù)（1） 通態(tài)平均電流IT（AV） 在環(huán)境溫度為40、規(guī)定的冷卻條件下，晶閘管元件在電阻性負載的單相、工頻、正弦半波、導通角不小于170°的電路中，當結(jié)溫穩(wěn)定在額定值125時所允許的通態(tài)時的最大平均電流

46、稱為額定通態(tài)平均電流IT（AV）。選用晶閘管時應根據(jù)有效電流相等的原則來確定晶閘管的額定電流。由于晶閘管的過載能力小，為保證安全可靠工作，所選用晶閘管的額定電流IT（AV）應使其對應有效值電流為實際流過電流有效值的1.52倍。按晶閘管額定電流的定義，一個額定電流為100A的晶閘管，其允許通過的電流有效值為157A。晶閘管額定電流的選擇可按下式計算。 （1-5）（2） 維持電流IH 維持電流是指晶閘管維持導通所必需的最小電流，一般為幾十到幾百毫安。維持電流與結(jié)溫有關(guān)，結(jié)溫越高，維持電流越小，晶閘管越難關(guān)斷。（3） 掣住電流IL 晶閘管剛從阻斷狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閷顟B(tài)并撤除門極觸發(fā)信號，此時要維持元件導

47、通所需的最小陽極電流稱為掣住電流。一般掣住電流比維持電流大（24）倍。3晶閘管的型號普通型晶閘管型號可表示如下KP電流等級電壓等級/100通態(tài)平均電壓組別其中其中K代表閘流特性，P為普通型。如KP50015型號的晶閘管表示其通態(tài)平均電流（額定電流）IT（AV）為500A，正反向重復峰值電壓（額定電壓）UR為1500V，通態(tài)平均電壓組別以英文字母標出，小容量的元件可不標。6.3晶閘管的選型該電路為大電感負載，電流波形可看作連續(xù)且平直的。Ud=100V時，不計控制角余量按=0º計算由Ud=0.9U2得U2=111V 取150VU =（23）U=（23）U2=（23）150V=7351102 V取U為1000V當=1時，晶閘管額定電流= =0.64A考慮2倍裕量：取1.28A6.4 整流變壓器額定參數(shù)計算在很多情況下晶閘管整流裝置所要求的交流供電電壓與電網(wǎng)往往不能一致，同時又為了減少電網(wǎng)與整流裝置的相互干擾，使整流主電路與電網(wǎng)隔離，為此需要配置整流變壓器。整流變壓器根據(jù)主電路的型式、負載額定電壓和額定電流，算出整流變壓器二次相電壓U2、一次與二次額定電流以及容量。由于整流變壓器二次與一次電流都不是正弦波，因而存在著一定的諧波電流，引起漏抗增大，外特性