論文單相橋式全控整流電路的設計

1、單相橋式全控整流電路的設計摘 要電力電子學主要研究各種電力電子器件，以及由這些電力電子器件所構(gòu)成的各式各樣的電路或裝置，以完成對電能的變換和控制。它既是電子學在強電(高電壓、大電流)或電工領(lǐng)域的一個分支，又是電工學在弱電(低電壓、小電流)或電子領(lǐng)域的一個分支，或者說是強弱電相結(jié)合的新科學。電力電子學是橫跨“電子”、“電力”和“控制”三個領(lǐng)域的一個新興工程技術(shù)學科。隨著科學技術(shù)的日益發(fā)展,人們對電路的要求也越來越高,由于在生產(chǎn)實際中需要大小可調(diào)的直流電源,而相控整流電路結(jié)構(gòu)簡單、控制方便、性能穩(wěn)定,利用它可以方便地得到大中、小各種容量的直流電能,是目前獲得直流電能的主要方法,得到了廣泛應用。在電

2、能的生產(chǎn)和傳輸上，目前是以交流電為主。電力網(wǎng)供給用戶的是交流電，而在許多場合，例如電解、蓄電池的充電、直流電動機等，需要用直流電。要得到直流電，除了直流發(fā)電機外，最普遍應用的是利用各種半導體元件產(chǎn)生直流電。這個方法中，整流是最基礎(chǔ)的一步。整流，即利用具有單向?qū)щ娞匦缘钠骷逊较蚝痛笮〗蛔兊碾娏髯儞Q為直流電。整流的基礎(chǔ)是整流電路。由于電力電子技術(shù)是將電子技術(shù)和控制技術(shù)引入傳統(tǒng)的電力技術(shù)領(lǐng)域，利用半導體電力開關(guān)器件組成各種電力變換電路實現(xiàn)電能和變換和控制，而構(gòu)成的一門完整的學科。整流電路應用非常廣泛，而單相全控橋式晶閘管整流電路又有利于夯實基礎(chǔ)，故我們將單結(jié)晶體管觸發(fā)的單相晶閘管全控整流電路這一

3、課題作為這一課程的課程設計的課題。關(guān)鍵詞：單相，橋式，全控目 錄摘 要11. 工作原理11.1 IGBT的簡介11.1.1 IGBT的概述11.1.2 IGBT的基本特性11.1.3 IGBT的參數(shù)特點21.2 單相橋式全控整流電路的基本原理31.2.1 電路組成31.2.2 工作原理32. 電路總體設計52.1 總電路圖52.2 確定各器件參數(shù)52.2.1 參數(shù)關(guān)系52.2.2 參數(shù)的計算62.3 晶閘管的選擇73. 觸發(fā)電路的設計84. 工作過程及參數(shù)設定94.1工作過程94.2 參數(shù)設定和仿真圖94.2.1 觸發(fā)角為94.2.2 觸發(fā)角為115. 心得體會12參 考 文 獻13單相橋式全

4、控整流電路的設計11. 工作原理1.1 IGBT的簡介1.1.1 IGBT的概述IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，絕緣柵雙極型功率管，是由BJT(雙極型三極管)和MOS(絕緣柵型場效應管)組成的復合全控型電壓驅(qū)動式電力電子器件, 兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導通壓降兩方面的優(yōu)點。GTR飽和壓降低，載流密度大，但驅(qū)動電流較大;MOSFET驅(qū)動功率很小，開關(guān)速度快，但導通壓降大，載流密度小。IGBT綜合了以上兩種器件的優(yōu)點，驅(qū)動功率小而飽和壓降低。非常適合應用于直流電壓為600V及以上的變流系統(tǒng)如交流電機、變頻器、開關(guān)電源、照明電路、牽引傳

5、動等領(lǐng)域.正式商用的IGBT器件的電壓和電流容量還很有限，遠遠不能滿足電力電子應用技術(shù)發(fā)展的需求；高壓領(lǐng)域的許多應用中，要求器件的電壓等級達到10KV以上，目前只能通過IGBT高壓串聯(lián)等技術(shù)來實現(xiàn)高壓應用。國外的一些廠家如瑞士ABB公司采用軟穿通原則研制出了8KV的IGBT器件，德國的EUPEC生產(chǎn)的6500V/600A高壓大功率IGBT器件已經(jīng)獲得實際應用，日本東芝也已涉足該領(lǐng)域。與此同時，各大半導體生產(chǎn)廠商不斷開發(fā)IGBT的高耐壓、大電流、高速、低飽和壓降、高可靠性、低成本技術(shù)，主要采用1m以下制作工藝，研制開發(fā)取得一些新進展。圖1-1 IGBT等效電路和電氣圖形符號1.1.2 IGBT的

6、基本特性IGBT的基本特性分為動態(tài)特性和靜態(tài)特性。單相橋式全控整流電路的設計3IGBT 的靜態(tài)特性主要有伏安特性、轉(zhuǎn)移特性和開關(guān)特性。 IGBT 的伏安特性是指以柵源電壓為參變量時，漏極電流與柵極電壓之間的關(guān)系曲線。輸出漏極電流比受柵源電壓 的控制，越高，Id 越大。它與GTR 的輸出特性相似也可分為飽和區(qū)1 、放大區(qū)2 和擊穿特性3 部分。在截止狀態(tài)下的IGBT ，正向電壓由J2 結(jié)承擔，反向電壓由J1結(jié)承擔。如果無N+ 緩沖區(qū)，則正反向阻斷電壓可以做到同樣水平，加入N+緩沖區(qū)后，反向關(guān)斷電壓只能達到幾十伏水平，因此限制了IGBT 的某些應用范圍。 IGBT 的轉(zhuǎn)移特性是指輸出漏極電流Id

7、與柵源電壓之間的關(guān)系曲線。它與MOSFET 的轉(zhuǎn)移特性相同，當柵源電壓小于開啟電壓時，IGBT 處于關(guān)斷狀態(tài)。在IGBT 導通后的大部分漏極電流范圍內(nèi)， Id 與呈線性關(guān)系。最高柵源電壓受最大漏極電流限制，其最佳值一般取為15V左右。 IGBT 的開關(guān)特性是指漏極電流與漏源電壓之間的關(guān)系。IGBT 處于導通態(tài)時，由于它的PNP 晶體管為寬基區(qū)晶體管，所以其值極低。盡管等效電路為達林頓結(jié)構(gòu)，但流過MOSFET 的電流成為IGBT 總電流的主要部分。IGBT動態(tài)特性在開通過程中，大部分時間是作為MOSFET 來運行的，只是在漏源電壓下降過程后期，PNP晶體管由放大區(qū)至飽和，又增加了一段延遲時間。t

8、(on)為開通延遲時間，為電流上升時間。實際應用中常給出的漏極電流開通時間t(on)即為t(on)之和。漏源電壓的下降時間由tfe1 和tfe2 組成。 IGBT的觸發(fā)和關(guān)斷要求給其柵極和基極之間加上正向電壓和負向電壓，柵極電壓可由不同的驅(qū)動電路產(chǎn)生。當選擇這些驅(qū)動電路時，必須基于以下的參數(shù)來進行：器件關(guān)斷偏置的要求、柵極電荷的要求、耐固性要求和電源的情況。因為IGBT柵極- 發(fā)射極阻抗大，故可使用MOSFET驅(qū)動技術(shù)進行觸發(fā)，不過由于IGBT的輸入電容較MOSFET為大，故IGBT的關(guān)斷偏壓應該比許多MOSFET驅(qū)動電路提供的偏壓更高。 IGBT在關(guān)斷過程中，漏極電流的波形變?yōu)閮啥?。因為MO

9、SFET關(guān)斷后，PNP晶體管的存儲電荷難以迅速消除，造成漏極電流較長的尾部時間，td(off)為關(guān)斷延遲時間,為電壓的上升時間。IGBT的開關(guān)速度低于MOSFET，但明顯高于GTR。IGBT在關(guān)斷時不需要負柵壓來減少關(guān)斷時間，但關(guān)斷時間隨柵極和發(fā)射極并聯(lián)電阻的增加而增加。IGBT的開啟電壓約34V，和MOSFET相當。IGBT導通時的飽和壓降比MOSFET低而和GTR接近，飽和壓降隨柵極電壓的增加而降低。1.1.3 IGBT的參數(shù)特點（1）開關(guān)速度高，開關(guān)損耗小。在電壓1000V以上時，開關(guān)損耗只有GTR的1/10，與電力MOSFET相當 。（2）相同電壓和電流定額時，安全工作區(qū)比GTR大，且

10、具有耐脈沖電流沖擊能力 。單相橋式全控整流電路的設計15（3）通態(tài)壓降比VDMOSFET低，特別是在電流較大的區(qū)域。（4）輸入阻抗高，輸入特性與MOSFET類似 。（5）與MOSFET和GTR相比，耐壓和通流能力還可以進一步提高，同時保持開關(guān)頻率高的特點。1.2 單相橋式全控整流電路的基本原理1.2.1 電路組成該電路為單相橋式全控整流電路，由變壓器四個晶閘管電感及電阻組成，如圖1-2所示。圖1-2 單相橋式全控整流電路圖帶阻感負載1.2.2 工作原理第一階段：在U2正半波的（0）區(qū)間： 晶閘管VT1、VT4承受正壓，但無觸發(fā)脈沖，處于關(guān)斷狀態(tài)。假設電路已工作在穩(wěn)定狀態(tài)，則在0區(qū)間由于電感釋放

11、能量，晶閘管VT2、VT3維持導通。第二階段：在U2正半波的時刻及以后：在處觸發(fā)晶閘管VT1、VT4使其導通，電流沿aVT1LRVT4bTr的二次繞組a流通，此時負載上有輸出電壓（）和電流。電源電壓反向加到晶閘管VT2、VT3上，使其承受反壓而處于關(guān)斷狀態(tài)。第三階段：在U2負半波的（+）區(qū)間：當時，電源電壓自然過零，感應電勢使晶閘管VT1、VT4繼續(xù)導通。在電壓負半波，晶閘管VT2、VT3承受正壓，因無觸發(fā)脈沖，VT2、VT3處于關(guān)斷狀態(tài)。第四階段：在U2負半波的=+時刻及以后：在=+處觸發(fā)晶閘管VT2、VT3使其導通，電流沿bVT3LRVT2aTr的二次繞組b流通，電源電壓沿正半周期的方向施

12、加到負載上，負載上有輸出電壓（）和電流。此時電源電壓反向加到VT1、VT4上，使其承受反壓而變?yōu)殛P(guān)斷狀態(tài)。晶閘管VT2、VT3一直要導通到下一周期wt=2+處再次觸發(fā)晶閘管VT1、VT4為止。90º輸出電壓波形正負面積相同，平均值為零，所以移相范圍是090º?？刂平窃?90º之間變化時，晶閘管導通角=，導通角與控制角無關(guān)。1.2.3 電路分析 在U2正半周期，觸發(fā)角處給晶閘管VT1和VT4加觸發(fā)脈沖使其開通,Ud=U2。負載中有電感存在是負載電流不能突變，電感對負載電流起平波作用，假設負載電感很大，負載電流連續(xù)，且波形近似為一水平線。U2過零變負時，由于電感的作用

13、晶閘管VT1和VT4中仍流過電流id，并不關(guān)斷。 至wt=+時刻，給VT2和VT3加觸發(fā)脈沖，VT2和VT3承受正向電壓導通。U2通過VT2和VT3分別向VT1和VT4施加反壓使VT1和VT4關(guān)斷，流過VT1和VT4的電流迅速轉(zhuǎn)移到VT2和VT3上，此過程稱為換相，亦稱換流。 圖1-3 單相橋式全控整流電路帶阻感負載電路波形2. 電路總體設計2.1 總電路圖 圖2-1 單相橋式全控整流電路的設計2.2 確定各器件參數(shù)2.2.1 參數(shù)關(guān)系(1) 輸出電壓平均值和輸出電流平均值(2) 晶閘管的電流平均值和有效值(3) 輸出電流有效值I和變壓器二次電流有效值(4) 晶閘管所承受的最大正向電壓和反向電

14、壓均為：2.2.2 參數(shù)的計算(1). 在阻感負載下電流連續(xù)，整流輸出電壓的平均值為(2). 變壓器二次側(cè)輸出電壓為(3). 整流輸出電流平均值為(4). 變壓器二次側(cè)電流為(5). 電阻為(6). 晶閘管承受的最大反向電壓為(7). 晶閘管的額定電壓為(8). 流過晶閘管電流有效值為(9). 晶閘管的額定電流為(10). U1=220V U2=100V變壓器變比為K=U1/U2=220/100=2.22.3 晶閘管的選擇(1) 額定電壓通常取和中較小的，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。(2) 額定電流(A

15、V) (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。在實際使用時不論流過管子的電流波形如何、導通角多大，只要其最大電流有效值不大于額定電流的有效值,散熱冷卻符合規(guī)定，則晶閘管的發(fā)熱、溫升就能限制在允許的范圍。在實際使用時不論流過管子的電流波形如何、導通角多大，只要其最大電流有效值不大于額定電流的有效值,散熱冷卻符合規(guī)定，則晶閘管的發(fā)熱、溫升就能限制在允許的范圍。晶閘管的額定電壓

16、和晶閘管的額定電流為3. 觸發(fā)電路的設計觸發(fā)電路對其產(chǎn)生的觸發(fā)脈沖要求：(1) 觸發(fā)信號可為直流、交流或脈沖電壓。 (2) 觸發(fā)信號應有足夠的功率。(3) 觸發(fā)脈沖應有一定的寬度，脈沖的前沿盡可能陡，以使元件在觸發(fā)導通后，陽極電流能迅速上升超過掣住電流而維持導通。(4) 觸發(fā)脈沖必須與晶閘管的陽極電壓同步，脈沖移相范圍必須滿足電路要求。 (5) 觸發(fā)脈沖與主電路電源必須同步。為了使晶閘管在每一個周期都以相同的控制角被觸發(fā)導通，觸發(fā)脈沖必須與電源同步，兩者的頻率應該相同，而且要有固定的相位關(guān)系，以使每一周期都能在同樣的相位上觸發(fā)。4. 工作過程及參數(shù)設定4.1工作過程假設電路已工作于穩(wěn)態(tài)，的平均

17、值不變。在的正半周期，觸發(fā)角處給晶閘管和加觸發(fā)脈沖使其開通，等于。負載中有電感存在使負載電流不能突變，電感對負載電流起平波作用，假設負載電感很大，負載電流連續(xù)且波形近似為一水平線，過零變負時，由于電感的作用晶閘管、中仍過電流，并不關(guān)斷。至時刻，給和加觸發(fā)脈沖，因和本已承受正電壓，故兩管導通。和導通后，通過和分別向和施加反壓使和關(guān)斷，流過和的電流迅速轉(zhuǎn)移到和上，此過程稱為換向，亦稱換流。至下一周期重復上述過程，如此循環(huán)下去。4.2 參數(shù)設定和仿真圖4.2.1 觸發(fā)角為圖4-1 觸發(fā)角設計圖4-2 脈沖波形圖 圖4-3 電壓及電流波形4.2.2 觸發(fā)角為圖4-4 觸發(fā)角設計圖4-5 脈沖波形圖 圖4-6 電壓及電流波形5. 心得體會通過這次對單相橋式全控整流電路的課程設計，讓我對整流電路有了更加清晰的認識，同時我也學會了用一些基本元部件進行建模的基本方法，加深了對課本知識的進一步理解。這次課程設計應用到PSIM軟件，設計時借助PSIM軟件進行系統(tǒng)模型仿真，用該