單相橋式半控整流電路電阻負載帶續(xù)流二極管反電動勢

1、1課程設計的目的與要求11 引言本方面有很大潛電力電子技術又稱為功率電子技術，他是用于電能變換和功率控制的電子技術。電力電子技術是弱電控制強電的方法和手段，是當代高新技術發(fā)展的重要容，也是支持電力系統(tǒng)技術革命發(fā)展的重要基礎，并節(jié)能降耗、增產(chǎn)節(jié)約提高生產(chǎn)效能的重要技術手段。微電子技術、計算機技術以與大功率電力電子技術的快速發(fā)展，極推動了電工技術、電氣工程和電力系統(tǒng)的技術發(fā)展和進步。電力電子器件是電力電子技術發(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從電子學中分離出來，發(fā)展成為電力電子技術這一專門的學科。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應用和

2、覆蓋的領域和圍。電力電子技術的應用領域已經(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、運輸以與人們的日常生活。功率圍大到幾千兆瓦的高壓直流輸電，小到一瓦的手機充電器，電力電子技術隨處可見。電力電子技術在電力系統(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)約運行成力。1.2 課程設計的目的“電力電子技術”課程設計是在教學與實驗基礎上，對課程所學理論知識的深化和提高。因此，通過電力電子計術的課程設計達到以下幾個目的：1）培養(yǎng)綜合應用所學知識，并設計出具有

3、電壓可調(diào)功能的直流電源系統(tǒng)的能力；2）較全面地鞏固和應用本課程中所學的基本理論和基本方法，并初步掌整流電路設計的基本方法。3）培養(yǎng)獨立思考、獨立收集資料、獨立設計的能力；4）培養(yǎng)分析、總結(jié)與撰寫技術報告的能力。1.3 課程設計要求設計條件：1.電源電壓：交流100V/50Hz 2.輸出功率：500W 3.觸發(fā)角 4.反電勢、電阻負載、帶續(xù)流二極管E=75V根據(jù)課程設計題目和設計條件，說明主電路的工作原理、計算選擇元器件參數(shù)。設計容包括：1.整流變壓器額定參數(shù)的計算 2.晶閘管電流、電壓額定參數(shù)選擇 3.觸發(fā)電路的設計2 課程設計方案選擇2.1整流電路單相相控整流電路可分為單相半波、單相全波和單

4、相橋式相控流電路，它們所連接的負載性質(zhì)不同就會有不同的特點。而負載性質(zhì)又分為帶電阻性負載、電阻-電感性負載和反電動勢負載時的工作情況。單相橋式半控整流電路（電阻負載 反電動勢）電路簡圖如下：該電路在實際應用中需加設續(xù)流二極管VDR，以避免可能發(fā)生的失控現(xiàn)象。實際運行中，若沒有續(xù)流二極管，則當突然增大至180o或觸發(fā)脈沖丟失時，會發(fā)生一個晶閘管持續(xù)導通兒兩個二極管輪流導通的情況，這使Ud成為正弦半波，即半軸期Ud為正弦，另外半周期Ud為零，其平均值保持恒定，相當于單相半波不可控整流電路時的波形，稱為失控。例如當VT1導通時切斷觸發(fā)電路，則當U2變負時，由于電感作用，負載電流由VT1和VD2續(xù)流，

5、當U2又為正時，因VT1是導通的，U2又經(jīng)VT1和 VD4向負載供電，出現(xiàn)失控現(xiàn)象。有續(xù)流二極管VDR時，續(xù)流過程由VDR完成，在續(xù)流階段晶閘管關斷，這就避免了某一個晶閘管持續(xù)導通從而導致失控的現(xiàn)象。同時續(xù)流期間導電回路只有一個壓降管，少了一個壓降管，有利于降低損耗。2.2元器件的選擇12.2.1晶閘管晶管又稱為晶體閘流管，可控硅整流（Silicon Controlled Rectifier-SCR），開辟了電力電子技術迅速發(fā)展和廣泛應用的嶄新時代; 20世紀80年代以來，開始被性能更好的全控型器件取代。能承受的電壓和電流容量最高，工作可靠，以被廣泛應用于相控整流、逆變、交流調(diào)壓、直流變換等領

6、域，成為功率低頻（200Hz以下）裝置中的主要器件。晶閘管往往專指晶閘管的一種基本類型-普通晶閘管。廣義上講，晶閘管還包括其許多類型的派生器件。 1）晶閘管的結(jié)構(gòu)晶閘管是大功率器件，工作時產(chǎn)生大量的熱，因此必須安裝散熱器。引出陽極A、陰極K和門極（或稱柵極）G三個聯(lián)接端。部結(jié)構(gòu):四層三個結(jié)如圖2.22）晶閘管的工作原理圖晶閘管由四層半導體（P1、N1、P2、N2）組成，形成三個結(jié)J1（P1N1）、J2（N1P2）、J3（P2N2），并分別從P1、P2、N2引入A、G、K三個電極，如圖1.2(左)所示。由于具有擴散工藝，具有三結(jié)四層結(jié)構(gòu)的普通晶閘管可以等效成如圖2.3（右）所示的兩個晶閘管T1（

7、P1-N1-P2）和（N1-P2-N2）組成的等效電路。圖2.2晶閘管的外形、部結(jié)構(gòu)、電氣圖形符號和模塊外形a)晶閘管外形 b)部結(jié)構(gòu) c)電氣圖形符號 d)模塊外形圖2.3 晶閘管的部結(jié)構(gòu)和等效電路3）晶閘管的門極觸發(fā)條件（1）: 晶閘管承受反向電壓時，不論門極是否有觸發(fā)電流，晶閘管都不會導通； （2）：晶閘管承受正向電壓時，僅在門極有觸發(fā)電流的情況下晶閘管才能導通；（3）：晶閘管一旦導通門極就失去控制作用；（4）：要使晶閘管關斷，只能使其電流小到零一下。晶閘管的驅(qū)動過程更多的是稱為觸發(fā)，產(chǎn)生注入門極的觸發(fā)電流的電路稱為門極觸發(fā)電路。也正是由于能過門極只能控制其開通，不能控制其關斷，晶閘管才

8、被稱為半控型器件。只有門極觸發(fā)是最精確、迅速而可靠的控制手段。2.2.2 可關斷晶閘管可關斷晶閘管簡稱GTO可關斷晶閘管的工作原理圖1.3 GTO的結(jié)構(gòu)、等效電路和圖形符號GTO的導通機理與SCR是完全一樣的。 GTO一旦導通之后，門極信號是可以撤除的，在制作時采用特殊的工藝使管子導通后處于臨界飽和，而不像普通晶閘管那樣處于深飽和狀態(tài)，這樣可以用門極負脈沖電流破壞臨界飽和狀態(tài)使其關斷。 GTO在關斷機理上與SCR是不同的。門極加負脈沖即從門極抽出電流（即抽出飽和導通時儲存的大量載流子），強烈正反饋使器件退出飽和而關斷。3 元器件和電路參數(shù)計算23.1晶閘管的基本特性3.1.1靜態(tài)特性靜態(tài)特性又

9、稱伏安特性，指的是器件端電壓與電流的關系。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Uak與陽極電流ia之間的關系曲線，如圖5-1所示。圖5.1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)與正向?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

10、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5-2陰影區(qū)域所示。圖5.2晶閘管門極伏安特性3.1.2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特性，即開通特性和關斷特性。（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1-12給出了晶閘管的開關特性。在晶閘管處在正向阻斷的條件下突加門極觸發(fā)電流，由于晶閘管部正反饋過程與外電路電感的影響，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

11、流從10%IT上升到90%IT所需的時間稱為上升時間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晶閘管的開關特性（2）關斷特性通常采用外加反壓的方法將已導通的晶閘管關斷。反壓可利用電源、負載和輔助換流電路來提供。要關斷已導通的晶閘管，通常給晶閘管加反向陽極電壓。晶閘管的關斷，就是要使各層區(qū)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

12、，也會出現(xiàn)反向恢復電流，反向電流達最大值IRM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。3.2晶閘管基本參數(shù)3.2.1晶閘管的主要參數(shù)說明：1、額定電壓UTn通常取UDRM和URRM中較小的，再取靠近標準的電壓等級作為晶閘管型的額定電壓。在選用管子時，額定電壓應為正常工作峰值電壓的23倍，以保證電路的工作安全。晶閘管的額定電壓 UTn =（23）UTM UTM ：工作電路中加在管子上的最大瞬時電壓 2、額定電流IT(AV)IT(AV)又稱為額定通態(tài)平均電流。其定義是在室溫40°和規(guī)定的冷卻條件下，元件在電阻性負載流過正弦半波、導通角不小于170°的

13、電路中，結(jié)溫不超過額定結(jié)溫時，所允許的最大通態(tài)平均電流值。將此電流按晶閘管標準電流取相近的電流等級即為晶閘管的額定電流。ITn ：額定電流有效值，根據(jù)管子的IT(AV) 換算出，IT(AV) 、ITMITn 三者之間的關系： (3-2-1) (3-2-2)3、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，結(jié)溫越高，維持電流越小，晶閘管越難關斷。4、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。5、通態(tài)平均管壓降 UT(AV) 。指在規(guī)定的工

14、作溫度條件下，使晶閘管導通的正弦波半個周期陽極與陰極電壓的平均值，一般在0.41.2V。6、門極觸發(fā)電流Ig。在常溫下，陽極電壓為6V時，使晶閘管能完全導通所用的門極電流，一般為毫安級。7、 斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt。在額定結(jié)溫和門極開路的情況下，不會導致晶閘管從斷態(tài)到通態(tài)轉(zhuǎn)換的最大正向電壓上升率。一般為每微秒幾十伏。8、 通態(tài)電流臨界上升率di/dt。在規(guī)定條件下，晶閘管能承受的最大通態(tài)電流上升率。若晶閘管導通時電流上升太快，則會在晶閘管剛開通時，有很大的電流集中在門極附近的小區(qū)域，從而造成局部過熱而損壞晶閘管。9、波形系數(shù)：有直流分量的電流波形，其有效值與平均值之比稱為該波形的波形系數(shù)

15、，用Kf表示。 (3-2-3) 額定狀態(tài)下， 晶閘管的電流波形系數(shù)4 單相橋式半控主電路的設計44.1電路的結(jié)構(gòu)與工作原理4.1.1電路結(jié)構(gòu)圖8 半控整流電阻負載加續(xù)流二極管原理圖4.1.2 工作原理當U2正半周時，在wt=時刻，觸發(fā)晶閘管VT1使其導通，電流從電源U2正端VT1RVD4U2負載向負載供電。U2過零變負時，負載電流經(jīng)續(xù)流二極管，使橋路直流輸出只有1V左右的壓降，迫使晶閘管與二極管串聯(lián)電路中的電流減小到維持電流以下，使晶閘管關斷，不會出現(xiàn)失控現(xiàn)象。在U2負半周wt=+時刻，觸發(fā)VT3使其導通，則VT1承受反壓而關斷，U2經(jīng)VT3RVD2U2端向負載供電。U2過零變正時，負載電流經(jīng)

16、續(xù)流二極管，使橋路直流輸出只有1V左右的壓降，迫使晶閘管與二極管串聯(lián)電路中的電流減小到維持電流以下，使晶閘管關斷，重復以上過程。4.2基本數(shù)量關系a.直流輸出電壓平均值=67.5V=0.46AP=I2Rb 電阻值：c.流經(jīng)晶閘管和整流管的平均電流d.經(jīng)晶閘管和整流管的電流有效值=0.46Ae.流經(jīng)續(xù)流二極管的平均電流f. 流經(jīng)續(xù)流二極管的電流有效值晶閘管承受的最大反向電壓：流過每個晶閘管的有效值：=60o4.3建模4在MATLAB新建一個Model，命名為bangkong2，同時模型建立如下圖所示：在此電路中，輸入電壓的電壓設置為141.4V，頻率設置為50Hz，電阻阻值設置為2.4歐姆，電感

17、設置為2H，脈沖輸入的電壓設置為1V，周期設置為0.02（與輸入電壓一致周期），占空比設置為10%，觸發(fā)角設置為60°因為兩個晶閘管在對應時刻不斷地周期性交替導通，關斷，所以脈沖出發(fā)周期應相差180°。a.交流電源參數(shù)b.同步脈沖信號發(fā)生器參數(shù)c.負載電阻的參數(shù)4.4 仿真結(jié)果負載電壓 圖1流過負載的電流 圖2觸發(fā)脈沖 圖3晶閘管電壓 圖4二極管電壓 圖5二極管電壓 圖64.5小結(jié)這次課程設計讓我明白了很多關于電力電子技術方面的知識，尤其是在課本中沒有完全介紹的。要完成這次課程設計，關靠書本知識是遠遠不夠的，所以我查閱了很多關于電力電子的書籍，并且也通過網(wǎng)絡查到了很多相關的

18、知識，為這次課程設計做了很多幫助。對于課程設計的容，首先要做的應是對設計容的理論理解，在理論充分理解的基礎上，才能做好課程設計，才能設計出性能良好的電路。整流電路中，基本元件的選擇是最關鍵的，開關器件和觸發(fā)電路選擇的好，對整流電路的性能指標影響很大。設計過程中，我明白了整流電路，尤其是單相半控橋式整流電路的重要性以與整流電路設計方法的多樣性。這次的課程設計是我設計時間最長的一次，也是收獲最大的一次。雖然設計過程中遇到很多問題，尤其是保護電路的設計，因為課上沒有講到保護電路的容，保護電路的理解不夠全面，設計的時候是一頭霧水，但還是在老師的幫助下，我一一解決了。另外通過這次課程設計，我對文檔的編排也有了一定的掌握，這對于以后的畢業(yè)設計與工作需要都有很大的幫助，在完成課程設計的同時我也在復習一遍電力電子這門課程，把以前一