單相半控橋式晶閘管整流電路設(shè)計

1、第一章 緒論電力電子學，又稱功率電子學（Power Electronics）。它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

2、的主要方式，得到了廣泛應用。在電能的生產(chǎn)和傳輸上，目前是以交流電為主。電力網(wǎng)共給用戶的是交流電，而許多場合，例如點解，蓄電池的充電，直流電動機等，需要直流電。要得到直流電，除了直流發(fā)電機外，最普遍運用的是利用各種半導體元件產(chǎn)生直流電。這種方法中，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?，把方向和大小交變的電流變換為直流電。整流的基礎(chǔ)是整流電路。整流電路的形式是各種各樣的，整流的結(jié)構(gòu)也是比較多的。單相橋式半控整流電路，對每一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。所以本次課程設(shè)計我們將單結(jié)晶體管觸發(fā)的單相晶閘管半控整流電路作為設(shè)計課題。第

3、二章 方案的選擇2.1 元器件的選擇1.可關(guān)斷晶閘管的結(jié)構(gòu)GTO的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與普通晶閘管相同，都是PNPN四層結(jié)構(gòu)，外部引出陽極A、陰極K和門極G如圖2-1.和普通晶閘管不同，GTO是一種多元胞的功率集成器件，內(nèi)部包含十個甚至數(shù)百個共陽極的小GTO元胞，這些元胞的陰極和門及在器件內(nèi)部并聯(lián)在一起，是器件的功率可以達到相當大的數(shù)值。 (a) (b) (c) 圖2-1 GTO的結(jié)構(gòu)（a）、等效電路（B）和圖形符號（c）2 可關(guān)斷晶閘管的工作原理GTO 的導通機理與SCR是完全一樣得。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度飽

4、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(guān)斷。GTO在關(guān)斷機理上與SCR是相同的。門極加負脈沖即從門極抽出電流，強烈正反饋使器件退出飽和而關(guān)斷。3 可關(guān)斷晶閘管的特點可關(guān)斷晶體管具有普通晶閘管的全部優(yōu)點，如耐壓高，電流大等。同時它又是全控型器件，即在門極正脈沖電流觸發(fā)下導通，在負脈沖電流觸發(fā)下關(guān)斷。故在本次設(shè)計中我們選擇可關(guān)斷晶閘管。2.2 主電路結(jié)構(gòu)及工作原理 圖2-2單相半控橋式整流電路帶大電感負載接續(xù)流二極管時的波形(a)電路：(b)波形如圖2-2所示，當u2的正半周、控制角為時，觸發(fā)晶閘管V1，則V1和VD2因承受正向電壓而導通。當u2下降到零并開始變負時，由于電感的作用，

5、它將產(chǎn)生一感應電勢使V1繼續(xù)導通。但此時VD1已承受正向電壓正偏導通，而VD2反偏截止，負載電流id經(jīng)VD1 、 V1流通。此時整流橋輸出電壓為V1和VD1的正向壓降， 接近于零，所以整流輸出電壓ud沒有負半周，這種現(xiàn)象我們把它叫做自然續(xù)流。在這一點上， 半控橋和全控橋是不同的。u2的負半周具有與正半周相似的情況，控制角為時觸發(fā)V2， V2 、VD1導通， u2過零變正時經(jīng)VD2、 V2自然續(xù)流。 根據(jù)以上分析， 可求出輸出電壓平均值為其輸出電壓有效值為:2-1流過晶閘管的電流平均值和有效值分別為:2-22-32.3 參數(shù)的計算 本電路由于采用了Matlab仿真，器件的參數(shù)我們采用默認值，這里

6、主要計算電阻和脈沖信號源的延遲時間。本次設(shè)計的基本要求是：交流100V/50Hz; 輸出功率：500W; 調(diào)相范圍0180度。一般輸出電壓為50V就可以了，可設(shè)電阻為5歐，電感視為無限大，此次設(shè)為3H。設(shè)置每個元件的仿真參數(shù)。最為關(guān)鍵的是控制角的調(diào)節(jié)是通過脈沖發(fā)生器的相位延遲來實現(xiàn)的，由于其單位是秒，而控制角的大小是通過度來衡量的，所以要進行單位轉(zhuǎn)化，即把角度轉(zhuǎn)化為秒，轉(zhuǎn)化時兩個脈沖發(fā)生器的延時時間可分別按公式2-4，2-5來轉(zhuǎn)化。交流電壓源的頻率取為50 Hz，因此每個周期的時間就是1/50 s，每一度角對應的時間就是1/(50×360) s。在此設(shè)定控制角為30°，則脈

7、沖發(fā)生器P1的延時應設(shè)為30/(50×360) s。由于脈沖信號在每個周期觸發(fā)兩次，所以其周期為0.01 s，所以脈沖發(fā)生器P2的延時設(shè)為30/(50× 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，選擇其中的RL項來等效阻感性負載，可將其電感參數(shù)設(shè)為3H。同理，利用二極管與電阻的并聯(lián)元件將其中的電阻設(shè)為無窮大，起到二極管的作用。觸發(fā)角/（交流電壓源的頻率×360） 2-4 觸發(fā)角+180/（交流電壓源的頻率×360） 2-5第三章 輔助電路的設(shè)計3.1 驅(qū)動電路的選擇方案一采用專用

8、集成芯片產(chǎn)生驅(qū)動信號。專用集成芯片對于整個系統(tǒng)來說非常好，集成度高，不易產(chǎn)生各種干擾，產(chǎn)生的驅(qū)動信號精確度高，更利于系統(tǒng)的準確度，簡單、省事，易于實現(xiàn)。但是，專用集成芯片的價格比較昂貴且不易購買，對于以鍛煉個人能力設(shè)計此次課程設(shè)計顯然達不到目的。 方案二采用LM339、ICL8083等構(gòu)成的驅(qū)動電路雖然效果不是很好，但是它完全是硬件驅(qū)動，能更好的鍛煉人的知識運用與開發(fā)能力。兩個方案相比較而言我選擇方案二。3.2 驅(qū)動電路設(shè)計 晶閘管門極觸發(fā)信號由觸發(fā)電路提供，由于晶閘管電路種類很多，如整流、逆變、交流調(diào)壓、變頻等，所帶負載的性質(zhì)也不相同，如電阻性負載、電阻電感性負載、反電勢負載等。僅管不同的情

9、況對觸發(fā)電路的要求也不同，但其基本要求卻是相同的，具體如下:(a) 觸發(fā)信號應有足夠的功率。這些指標在產(chǎn)品樣本中均已標明，由于晶閘管元件門極參數(shù)分散性大且觸發(fā)電壓、電流值受溫度影響會發(fā)生變化。例如元件溫度為1000c時觸發(fā)電流、電壓值比在室溫時低23倍。元件溫度為-400c時，觸發(fā)電流、電壓值比在室溫時高23倍。為了使元件在各種工作條件下都能可靠地觸發(fā)可參考元件出廠的試驗數(shù)據(jù)或產(chǎn)品目錄。設(shè)計觸發(fā)電路的輸出電壓、電流值并留有一定的裕量。一般可取兩倍左右的觸發(fā)電流裕量而觸發(fā)電壓按觸發(fā)電流大小來決定，但應注意不要超過晶閘管門極允許的峰值功率和平均功率極限值。(b) 觸發(fā)脈沖信號應有一定的寬度普通晶閘

10、管的導通時間一般為6s，故觸發(fā)脈沖的寬度至少應有6 s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0.5ms1ms，否則在脈沖終止時主電路電流還未上升到晶閘管的掣住電流時，此時將使晶閘管無法導通而重新恢復關(guān)斷狀態(tài)。單結(jié)晶體管原理單結(jié)晶體管，簡稱UJT又稱基極二極管。它是一種只有PN結(jié)和兩個電阻接觸電極的半導體器件，它的基片為條狀的高阻N型硅片，兩端分別用歐姆接觸引出兩個基極b1和b2。在硅片中間略偏b2一側(cè)用合金法制作一個P區(qū)作為發(fā)射極e。其符號和等效電路如圖3-1所示。 圖3-1 單結(jié)晶體管符號、等效電路圖1.單結(jié)晶體管的特性從圖3.1b中可以看出兩基極b

11、1和b2之間的電阻稱為基極電阻為Rbb=rb1+rb2 式中:Rb1第一基極與發(fā)射結(jié)之間的電阻,其數(shù)值隨發(fā)射極電流ie而變化；rb2為第二基極與發(fā)射結(jié)之間的電阻,其數(shù)值與ie無關(guān)。發(fā)射結(jié)是PN結(jié)，與二極管等效。若在兩面三刀基極b2，b1間加上正電壓Vbb，則A點電壓為VA=rb1/（rb1+rb2）vbb=rb1/rbbvbb=Vbb 式中:稱為分壓比，其值一般在0.30.85之間，如果發(fā)射極電壓VE由零逐漸增加，就可測得單結(jié)晶體管的伏安特性，見圖3-2。 圖3-2 單結(jié)晶體管的伏安特性 a.當VeVbb時發(fā)射結(jié)處于反向偏置，管子截止，發(fā)射極只有很小的漏電流Iceo。b.當VeVbb+VD時，

12、VD為二極管正向壓降，約為0.7VPN結(jié)正向?qū)?，Ie顯著增加，rb1阻值迅速減小，Ve相應下降這種電壓隨電流增加反而下降的特性，稱為負阻特性。管子由截止區(qū)進入負阻區(qū)的臨界P稱為峰點，與其對應的發(fā)射極電壓和電流，分別稱為峰點電壓Vp和峰點電流Ip。Ip是正向漏電流,它是使單結(jié)晶體管導通所需的最小電流,顯然Vp=Vbb。c.隨著發(fā)射極電流Ie的不斷上升,Ve不斷下降,降到V點后,Ve不再下降了,這點V稱為谷點,與其對應的發(fā)射極電壓和電流,稱為谷點電壓Vv和谷點電流Iv。d.過了V后，發(fā)射極與第一基極間半導體內(nèi)的載流子達到了飽和狀態(tài)，所以Ue繼續(xù)增加時，ie便緩慢的上升，顯然Vv是維持單結(jié)晶體管導

13、通的最小發(fā)射極電壓如果VeVv管子重新截止。 2.單結(jié)晶體管的主要參數(shù)a.基極間電阻Rbb發(fā)射極開路時,基極b1b2之間的電阻,一般為210千歐,其數(shù)值隨溫度的上升而增大。b.分壓比由管子內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定的參數(shù),一般為0.30.85。c.eb1間反向電壓Vcb1 b2開路,在額定反向電壓Vcb下,基極b1與發(fā)射極e 之間反向耐壓。d.反向電流Ieo b1開路在額定反向電壓Vcb2下eb2間的反向電流。e.發(fā)射極飽和壓降Veo在最大發(fā)射極額定電流時，eb1間的壓降。f.峰點電流Ip單結(jié)晶體管剛開始導通時，發(fā)射極電壓為峰點電壓時的發(fā)射極電流。單結(jié)晶體管觸發(fā)電路如圖3-3所示波形為圖3-4所示。 圖3-

14、3 單結(jié)晶體管觸發(fā)電路 圖3-4 單結(jié)晶體管觸發(fā)信號波形第四章 MATLAB仿真4.1 Simulink的基本應用啟動Simulink 的方法有很多種，按照Matlab的傳統(tǒng)方式，只要在命令窗口輸入:Simulink。這樣，一個稱為Simulink library Browser的窗口就會出現(xiàn)在桌面上，用戶也可以使用 Matlab 主窗口的快捷按鈕或者是利用launch pad子窗口命令打開，用戶可以在界面上瀏覽、選擇及調(diào)用模塊。Simulink庫是按功能分為:continuous (連續(xù))，Discrete(離散),Functions & Tables(函數(shù)和平臺)、Math(數(shù)學)

15、、Nonlinear(非線性)、SignalSystem(信號和系統(tǒng))、Sinks(接收器)、Sources(源)等等子庫，用戶在調(diào)用時會很容易就找到所需的模塊并加以選擇。從模塊的名字可以看出，Sinks子庫里的模塊基本上是一些信號接收器。如Scope(示波器)、Display(顯示器)、XY Graph(XY 圖形)等等。具體的操作是點擊工具欄上最左邊建新模型的空白按鈕，會出現(xiàn)一個模型窗口，接下來回到瀏覽器窗口，在目標模塊上，如integrator模塊，按下鼠標左鍵，然后拖動鼠標至新窗口才松開，這時新窗口會出現(xiàn)一個名為integrator的方塊，即把模塊復制到新窗口。一般來講，在模型結(jié)構(gòu)都己

16、經(jīng)設(shè)計好的基礎(chǔ)上，用Simulink 建立模型的過程可以簡單概括為:在Simulink的模塊庫里找到所需的模塊，并把它們拖曳到模型窗口中，將這些模塊排列好，然后用直線把各個模塊連接起來。具體的操作步驟如下:(1) 啟動Simulink模塊庫瀏覽窗口。(2) 新建一個空白模型，即點擊庫瀏覽器工具欄上的空白按鈕。在Simulink里，模型是保存在模型文件里的，新建一個空白模型，也就是新建了一個空白的模型文件，模型文件的后綴名為.mdl。也可以在模型窗口新建一個空白模型，其操作是使用File 菜單下的new a model 命令。(3) 在模塊庫瀏覽窗口中找到所需的模塊。在整流電路中較多使用的模塊有

17、:正弦波發(fā)生器、積分器、復用器和示波器。它們各自的位置分別是:正弦波發(fā)生器在Sources子庫，積分器在連續(xù)系統(tǒng)子庫，復合器在信號和系統(tǒng)子庫，示波器在接收器子庫。(4) 分別將所需的各個模塊從庫里拖曳到空白的模型窗口。這時,Simulink會在模型窗口復制出這些模塊。(5) 將用戶界面中的模塊排列好，把它們用直線連接起來。注意模塊的輸入端只能和模塊的輸出端相連接。雙擊scope模塊打開scope窗口，以觀察仿真的輸出波形。在開始仿真之前先把仿真的時間設(shè)置成有效時間，最后保存模型。4.2 Matlab仿真模型的建立圖4-1所示是單相橋式半控整流的simulink仿真模型。利用Matlab軟件中s

18、imulink工具可對電路進行仿真,仿真時,負載為阻感負載,取電阻R=5電感L=3H,頻率f=50 Hz。圖4-1 單相橋式半控整流的simulink仿真模擬圖 4.3 仿真參數(shù)的設(shè)計1電源參數(shù)設(shè)置 圖4-2 電源參數(shù)設(shè)置圖2.晶閘管參數(shù)設(shè)置 圖4-3 晶閘管參數(shù)設(shè)置圖3.顯示器參數(shù)設(shè)置圖4-4 顯示器參數(shù)設(shè)置圖4 二極管參數(shù)設(shè)置 圖4-5二極管參數(shù)設(shè)置圖5負載參數(shù)設(shè)置 圖 4-6負載參數(shù)設(shè)置圖6.仿真系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置圖4-7仿真系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置圖7.脈沖發(fā)生器的設(shè)置a.觸發(fā)角為30度時，根據(jù)2.3節(jié)計算，設(shè)置參數(shù)如下： （a） (b) 圖4-8 30度觸發(fā)角脈沖參數(shù)設(shè)置圖（a）信號源一； （b）信號

19、源二b.觸發(fā)角為45度時，根據(jù)2.3節(jié)計算，設(shè)置參數(shù)如下: （a） (b)圖4-9 45度觸發(fā)角脈沖參數(shù)設(shè)置圖（a）信號源一； （b）信號源二C.觸發(fā)角為90度時，根據(jù)2.3節(jié)計算，設(shè)置參數(shù)如下: (a) (b)圖4-10 90度觸發(fā)角脈沖參數(shù)設(shè)置圖（a）信號源一； （b）信號源二d. 觸發(fā)角為150度時，根據(jù)2.3節(jié)計算，設(shè)置參數(shù)如下: (a) (b)圖4-11 150度觸發(fā)角脈沖參數(shù)設(shè)置圖（a）信號源一； （b）信號源二4.4 仿真波形1.30度觸發(fā)角仿真波形如圖4-12：圖4-12 30度觸發(fā)角仿真波形圖2. 45度觸發(fā)角仿真波形如圖4-13:圖4-13 45度觸發(fā)角仿真波形圖3.90度觸發(fā)角仿真波形如圖4-14:圖4-14 90度觸發(fā)角仿真波形圖4.150度觸發(fā)角仿真波形如圖4-15:圖4-15 150度觸發(fā)角仿真波形圖4-5 仿真波形分析由仿真結(jié)果知仿真圖中第一個波形圖為u是整流電源正弦電壓瞬時值；圖中第二個波形圖為Ud是阻感負載的電壓；圖中第三個波形圖為Th1 的門極脈