單相橋式整流電路-課程設(shè)計(jì)

臨沂大學(xué)課題：單相橋式整流電路的設(shè)計(jì)專 業(yè)： 電氣自動(dòng)化班 級(jí)： 電氣0601班姓名：XX學(xué)號(hào)：401060704指導(dǎo)老師：肖文英隨著科學(xué)技術(shù)的日益發(fā)展,人們對(duì)電路的要求也越來越高,由于在生產(chǎn)實(shí)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(yīng)用。但是晶雜管相控整流電路中隨著觸發(fā)角。的增大，電流中諧波分量相應(yīng)增大，因此功率因素很低。把逆變電路中的SPWM控制技術(shù)用于整流電路，就構(gòu)成了PWM整流電路。通過對(duì)PWM整流電路的適當(dāng)控制，可以使其輸入電流非常接近正弦波，且和輸入電壓同相位，功率因素近似為1。這種整流電路稱為高功率因素整流器，它具有廣泛的應(yīng)用前景由于電力電子技術(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(dǎo)體電力開關(guān)器件組成各種電力變換電路實(shí)現(xiàn)電能和變換和控制，而構(gòu)成的一門完整的學(xué)科。故其學(xué)習(xí)方法與電子技術(shù)和控制技術(shù)有很多相似之處，因此要學(xué)好這門課就必須做好實(shí)驗(yàn)和課程設(shè)計(jì)，因而我們進(jìn)行了此次課程設(shè)計(jì)。又因?yàn)檎麟娐窇?yīng)用非常廣泛，而鋸齒波移相觸發(fā)三相晶閘管全控整流電路又有利于夯實(shí)基礎(chǔ)，故我們單結(jié)晶體管觸發(fā)的單相晶閘管全控整流電路這一課題作為這一課程的課程設(shè)計(jì)的課題。TOC\o"1-5"\h\z設(shè)計(jì)任務(wù)說明 1.方案選擇………………2器件的介紹 2整流電路的比較 5輔助電路的設(shè)計(jì)………7驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)……………7保護(hù)電路的設(shè)計(jì)……………11過壓保護(hù)……………………12電流上升率、電壓上升率的抑制保護(hù) 13主體電路的設(shè)計(jì)………14主要電路原理及說明……………14感性負(fù)載可控整流電路…………15主電路的設(shè)計(jì)……………………17主要元器件的說明………………18性能指標(biāo)分析……………………20元器件清單………20設(shè)計(jì)總結(jié)……………22參考文獻(xiàn)……………23鳴謝…………………241.單相橋式整流電路設(shè)計(jì)任務(wù)書1.設(shè)計(jì)任務(wù)和要求：(1)設(shè)計(jì)任務(wù)：1、進(jìn)行設(shè)計(jì)方案的比較，并選定設(shè)計(jì)方案；2、完成單元電路的設(shè)計(jì)和主要元器件說明；3、完成主電路的原理分析,各主要元器件的選擇；4、驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì),保護(hù)電路的設(shè)計(jì)；(2)設(shè)計(jì)要求：1、單相橋式相控整流的設(shè)計(jì)要求為：1).負(fù)載為感性負(fù)載,L=700mH,R=500歐姆.2、技術(shù)要求:.電網(wǎng)供電電壓為單相220V；.電網(wǎng)電壓波動(dòng)為+5%－-10%；.輸出電壓為0?100V.方案的選擇單相橋式整流電路可分為單相橋式相控整流電路和單相橋式半控整流電路，它們所連接的負(fù)載性質(zhì)不同就會(huì)有不同的特點(diǎn)。下面分析兩種單相橋式整流電路在帶電感性負(fù)載的工作情況。單相半控整流電路的優(yōu)點(diǎn)是：線路簡單、調(diào)整方便。弱點(diǎn)是：輸出電壓脈動(dòng)沖大，負(fù)載電流脈沖大（電阻性負(fù)載時(shí)），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(dòng)小，功率因數(shù)高，變壓器二次電流為兩個(gè)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(diǎn)。單相全控式整流電路其輸出平均電壓是半波整流電路2倍，在相同的負(fù)載下流過晶閘管的平均電流減小一半；且功率因數(shù)提高了一半。單相半波相控整流電路因其性能較差，實(shí)際中很少采用，在中小功率場合采用更多的是單相全控橋式整流電路。根據(jù)以上的比較分析因此選擇的方案為單相全控橋式整流電路（負(fù)載為阻感性負(fù)載）。.元器件的選擇晶閘管的介紹晶管又稱為晶體閘流管，可控硅整流（SiliconControlledRectifier--SCR）,開辟了電力電子技術(shù)迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用的嶄新時(shí)代;20世紀(jì)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(yīng)用于相控整流、逆變、交流調(diào)壓、直流變換等領(lǐng)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晶閘管的結(jié)構(gòu)晶閘管是大功率器件，工作時(shí)產(chǎn)生大量的熱，因此必須安裝散熱器。外行:螺栓型和平板型兩種封裝引出陽極A、陰極K和門極（或稱柵極）G三個(gè)聯(lián)接端。

對(duì)于螺栓型封裝，通常螺栓是其陽極，能與散熱器緊密聯(lián)接且安裝方便平板型封裝的晶閘管可由兩個(gè)散熱器將其夾在中間內(nèi)部結(jié)構(gòu):四層三個(gè)結(jié)如圖2.1.1.1圖2.1.1.1晶閘管的外形、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、電氣圖形符號(hào)和模塊外形

a）晶閘管外形b）內(nèi)部結(jié)構(gòu)c）電氣圖形符號(hào)d）模塊外形晶閘管的工作原理圖晶閘管由四層半導(dǎo)體（匕、凡、PrN2）組成，形成三個(gè)結(jié)J[（P]NJ、J2（NF?）、J3（P2N2）,并分別從Pi、P2>總引入A、G、K三個(gè)電極,如圖1.2（左）所示。由于具有擴(kuò)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2.1.1.2（右）所示的兩個(gè)晶閘管（R-N.PO和（凡丹-凡）組成的等效電路。GO-GO-圖2.1.1.2晶閘管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和等效電路晶閘管的驅(qū)動(dòng)過程更多的是稱為觸發(fā)，產(chǎn)生注入門極的觸發(fā)電流Ig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(guān)斷，晶閘管才被稱為半控型器件。其他幾種可能導(dǎo)通的情況:1）陽極電壓升高至相當(dāng)高的數(shù)值造成雪崩效應(yīng)2）陽極電壓上升率du/dt過高3）結(jié)溫較高4）光直接照射硅片，即光觸發(fā)：光控晶閘管只有門極觸發(fā)是最精確、迅速而可靠的控制手段。可關(guān)斷晶閘管可關(guān)斷晶閘管簡稱GTOo它具有普通晶閘管的全部優(yōu)點(diǎn)，如耐壓高，電流大等。同時(shí)它又是全控型器件，即在門極正脈沖電流觸發(fā)下導(dǎo)通，在負(fù)脈沖電流觸發(fā)下關(guān)斷?？申P(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1.3。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(gè)甚至數(shù)百個(gè)共陽極的小GTO元胞，這些GTO元胞的陰極和門極在器件內(nèi)部并聯(lián)在一起，使器件的功率可以到達(dá)相當(dāng)大的數(shù)值。.2可關(guān)斷晶閘管的工作原理GTO的導(dǎo)通機(jī)理與SCR是完全一樣的。GTO一旦導(dǎo)通之后，門極信號(hào)是可以撤除的，在制作時(shí)采用特殊的工藝使管子導(dǎo)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(fù)脈沖電流破壞臨界飽和狀態(tài)使其關(guān)斷。GTO在關(guān)斷機(jī)理上與SCR是不同的。門極加負(fù)脈沖即從門極抽出電流

（即抽出飽和導(dǎo)通時(shí)儲(chǔ)存的大量載流子），強(qiáng)烈正反饋使器件退出飽和而關(guān)斷。晶閘管的派生器件在晶閘管的家族中，除了最常用的普通型晶閘管之外，根據(jù)不同的的實(shí)際需要，壬行生出了一系列的派生器件，主要有快速晶閘管（FST）、雙向晶閘管（TRIAL）.可關(guān)斷晶閘管（GTO）、逆導(dǎo)晶閘管、（RCT）和光控晶閘管。整流電路我們知道，單相整流器的電路形式是各種各樣的,整流的結(jié)構(gòu)也是比較多的。因此在做設(shè)計(jì)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2.2.1對(duì)每個(gè)導(dǎo)電回路進(jìn)行控制，相對(duì)于全控橋而言少了一個(gè)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(dāng)a突然增大至180。或出發(fā)脈沖丟失時(shí)，由于電感儲(chǔ)能不經(jīng)變壓器二次繞組釋放，只是消耗在負(fù)載電阻上，會(huì)發(fā)生一個(gè)晶閘管導(dǎo)通而兩個(gè)二極管輪流導(dǎo)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(dāng)于單相半波不可控整流電路時(shí)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：單相橋式全控整流電路電路簡圖如下：圖2.2.2此電路對(duì)每個(gè)導(dǎo)電回路進(jìn)行控制，無須用續(xù)流二極管，也不會(huì)失控現(xiàn)象,負(fù)載形式多樣，整流效果好，波形平穩(wěn)，應(yīng)用廣泛。變壓器二次繞組中，正負(fù)兩個(gè)半周電流方向相反且波形對(duì)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:電路簡圖如下:圖2.2.3此電路只需要一個(gè)可控器件，電路比較簡單，VT的“移相范圍為180。。但輸出脈動(dòng)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(shè)備的容量。實(shí)際上很少應(yīng)用此種電路。方案四：單相全波可控整流電路:電路簡圖如下：圖2.2.4此電路變壓器是帶中心抽頭的，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，只要用2個(gè)可控器件，單相全波只用2個(gè)晶閘管，比單相全控橋少2個(gè)，因此少了一個(gè)管壓降，相應(yīng)地，門極驅(qū)動(dòng)電路也少2個(gè)，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(fù)載時(shí)），，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(dòng)小，功率因數(shù)高，變壓器二次電流為兩個(gè)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(diǎn)。相同的負(fù)載下流過晶閘管的平單相全控式整流電路其輸出平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。根據(jù)以上的比較分析因此選擇的方案為單相全控橋式整流電路（負(fù)載為阻感性負(fù)載）。綜上所述，針對(duì)他們的優(yōu)缺點(diǎn)，我們采用方案二，即單相橋式全控整流電路。3驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)觸發(fā)電路的論證與選擇單結(jié)晶體管的工作原理單結(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(gè)電阻接觸電極的半導(dǎo)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(gè)基極b1和b2。在硅片中間略偏b2一側(cè)用合金法制作一個(gè)P區(qū)作為發(fā)射極e。其結(jié)構(gòu)，符號(hào)和等效電如圖3.1.1.1所示。圖3.1.1.1單結(jié)晶體管的特性從圖一可以看出，兩基極b1和b2之間的電阻稱為基極電阻。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b2,4間加上正電壓Vbb，則A點(diǎn)電壓為：va=曲/(rbi+rb2)]vbb=(rbi/rbb)vbb=nVbb式中：n——稱為分壓比，其值一般在0.3—0.85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，見圖二：圖3.1.1.2單結(jié)晶體管的伏安特性(1)當(dāng)ve〈nvbb時(shí)，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(2)當(dāng)VeNnVbb+VDVD為二極管正向壓降(約為0.7V),PN結(jié)正向?qū)ǎ琁e顯著增加，rb1阻值迅速減小，Ve相應(yīng)下降，這種電壓隨電流增加反而下降的特性，稱為負(fù)阻特性。管子由截止區(qū)進(jìn)入負(fù)阻區(qū)的臨界P稱為峰點(diǎn)，與其對(duì)應(yīng)的發(fā)射極電壓和電流，分別稱為峰點(diǎn)電壓Ip和峰點(diǎn)電流Ip。Ip是正向漏電流，它是使單結(jié)晶體管導(dǎo)通所需的最小電流，顯然vp=nvbb。(3)隨著發(fā)射極電流Ie的不斷上升，ve不斷下降，降到v點(diǎn)后，ve不再下降了，這點(diǎn)v稱為谷點(diǎn)，與其對(duì)應(yīng)的發(fā)射極電壓和電流，稱為谷點(diǎn)電壓vv和谷點(diǎn)電流Iv。(4)過了v后，發(fā)射極與第一基極間半導(dǎo)體內(nèi)的載流子達(dá)到了飽和狀態(tài)，所以u(píng)c繼續(xù)增加時(shí)，ie便緩慢的上升，顯然vv是維持單結(jié)晶體管導(dǎo)通的最小發(fā)射極電壓，如果ve〈vv,管子重新截止。單結(jié)晶體管的主要參數(shù)(1)基極間電阻Rbb發(fā)射極開路時(shí)，基極b1,b2之間的電阻，一般為2-10千歐，其數(shù)值隨溫度的上升而增大。(2)分壓比n由管子內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定的參數(shù)，一般為0.3--0.85。(3)eb1間反向電壓Vcb1b2開路，在額定反向電壓Vcb2下，基極b1與發(fā)射極e之間的反向耐壓。(4)反向電流Ieob1開路，在額定反向電壓Vcb2下，eb2間的反向電流。（5）發(fā)射極飽和壓降Veo在最大發(fā)射極額定電流時(shí)，eb1間的壓降。（6）峰點(diǎn)電流Ip單結(jié)晶體管剛開始導(dǎo)通時(shí)，發(fā)射極電壓為峰點(diǎn)電壓時(shí)的發(fā)射極電流。觸發(fā)電路晶閘管觸發(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。觸發(fā)電路對(duì)其產(chǎn)生的觸發(fā)脈沖要求：1）觸發(fā)信號(hào)可為直流、交流或脈沖電壓。2）觸發(fā)信號(hào)應(yīng)有足夠的功率（觸發(fā)電壓和觸發(fā)電流）。3）觸發(fā)脈沖應(yīng)有一定的寬度，脈沖的前沿盡可能陡，以使元件在觸發(fā)導(dǎo)通后，陽極電流能迅速上升超過掣住電流而維持導(dǎo)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。單結(jié)晶體管觸發(fā)電路由單結(jié)晶體管構(gòu)成的觸發(fā)電路具有簡單、可靠、抗干擾能力強(qiáng)、溫度補(bǔ)償性能好，脈沖前沿徒等優(yōu)點(diǎn)，在容量小的晶閘管裝置中得到了廣泛應(yīng)用。他由自激震蕩、同步電源、移相、脈沖形成等部分組成，電路圖如3.1.2.2（a）所示。單結(jié)晶體管自激震蕩電路利用單結(jié)晶體管的負(fù)阻特性與RC電路的充放電可組成自激振蕩電路，產(chǎn)生頻率可變的脈沖。從圖3.1.2.2（a）可知，經(jīng)D1-D2整流后的直流電源UZ一路徑R2、R1加在單結(jié)晶體管兩個(gè)基極b1、b2之間，另一路通過Re對(duì)電容C充電，發(fā)射極電壓ue=uc按指數(shù)規(guī)律上升。Uc剛沖點(diǎn)到大于峰點(diǎn)轉(zhuǎn)折電壓Up的瞬間，管子e-b1間的電阻突然變小，開始導(dǎo)通。電容C開始通過管子e-b1迅速向R1放電，由于放電回路電阻很小，故放電時(shí)間很短。隨著電容C放電，電壓Ue小于一定值，管子BT又由導(dǎo)通轉(zhuǎn)入截止，然后電源又重新對(duì)電容C充電，上述過程不斷重復(fù)。在電容上形成鋸齒波震蕩電壓，在R1上得到一系列前沿很陡的觸發(fā)尖脈沖us，如圖3.1.2.2（b）所示，其震蕩頻率為f=1/T=1/ReCLn（1/1-n）式中n=0.3?0.9是單結(jié)晶體管的分壓比。即調(diào)節(jié)Re，可調(diào)節(jié)振蕩頻率

-220VeX^n,、M! -220VeX^n,、M! ： ：圖3.122單結(jié)晶體管觸發(fā)電路及波形同步電源步電壓又變壓器TB獲得，而同步變壓器與主電路接至同一電源，故同步電壓于主電壓同相位、同頻率。同步電壓經(jīng)橋式整流、穩(wěn)壓管Dz削波為梯形波%z，而削波后的最大值與既是同步信號(hào)，又是觸發(fā)電路電源.當(dāng)Udz過零時(shí)，電容C經(jīng)e-bpR迅速放電到零電壓.這就是說，每半周開始，電容C都從零開始充電,進(jìn)而保證每周期觸發(fā)電路送出第一個(gè)脈沖距離過零的時(shí)刻（即控制角a）一致，實(shí)現(xiàn)同步.移相控制當(dāng)Re增大時(shí)，單結(jié)晶體管發(fā)射極充電到峰點(diǎn)電壓Up的時(shí)間增大，第一個(gè)脈沖出現(xiàn)的時(shí)刻推遲，即控制角a增大，實(shí)現(xiàn)了移相。脈沖輸出觸發(fā)脈沖與由R1直接取出，這種方法簡單、經(jīng)濟(jì)，但觸發(fā)電路與主電路有直接的電聯(lián)系，不安全。對(duì)于晶閘管串聯(lián)接法的全控橋電路無法工作。所以一般采用脈沖變壓器輸出。保護(hù)電路的設(shè)計(jì)保護(hù)電路的論證與選擇電力電子系統(tǒng)在發(fā)生故障時(shí)可能會(huì)發(fā)生過流、過壓，造成開關(guān)器件的永久性損壞。過流、過壓保護(hù)包括器件保護(hù)和系統(tǒng)保護(hù)兩個(gè)方面。檢測開關(guān)器件的電流、電壓，保護(hù)主電路中的開關(guān)器件，防止過流、過壓損壞開關(guān)器件。檢測系統(tǒng)電源輸入、輸出及負(fù)載的電流、電壓，實(shí)時(shí)保護(hù)系統(tǒng)，防止系統(tǒng)崩潰而造成事故。例如，R-C阻容吸收回路、限流電感、快