单相半控桥式晶闸管整流电路设计

1、第一章 绪论电力电子学，又称功率电子学（Power Electronics）。它主要研究各种电力电子器件，以及由这些电力电子器件所构成的各式各样的电路或装置，以完成对电能的变换和控制。它既是电子学在强电（高电压、大电流）或电工领域的一个分支又是电工学在弱电（低电压、小电流）或电子领域的一个分支，或者说是强弱相结合的新科学。电力电子学是横跨“电子”、“电力”和“控制”三个领域的一个新兴工程技术学科。随着科学技术的日益发展，人们对电路的要求也越来越高，由于在生产实际中需要大小可调的直流电源，而相控整流电路结构简单，控制方便，性能稳定，利用它可以方便地得到大中小各种容量的直流电能，是目前获得直流电能

2、的主要方式，得到了广泛应用。在电能的生产和传输上，目前是以交流电为主。电力网共给用户的是交流电，而许多场合，例如点解，蓄电池的充电，直流电动机等，需要直流电。要得到直流电，除了直流发电机外，最普遍运用的是利用各种半导体元件产生直流电。这种方法中，整流是最基础的一步。整流，即利用具有单向导电特性的器件，把方向和大小交变的电流变换为直流电。整流的基础是整流电路。整流电路的形式是各种各样的，整流的结构也是比较多的。单相桥式半控整流电路，对每一个导电回路进行控制，相对于全控桥而言少了一个控制器件，用二极管代替，有利于降低损耗。所以本次课程设计我们将单结晶体管触发的单相晶闸管半控整流电路作为设计课题。第

3、二章 方案的选择2.1 元器件的选择1.可关断晶闸管的结构GTO的内部结构与普通晶闸管相同，都是PNPN四层结构，外部引出阳极A、阴极K和门极G如图2-1.和普通晶闸管不同，GTO是一种多元胞的功率集成器件，内部包含十个甚至数百个共阳极的小GTO元胞，这些元胞的阴极和门及在器件内部并联在一起，是器件的功率可以达到相当大的数值。 (a) (b) (c) 图2-1 GTO的结构（a）、等效电路（B）和图形符号（c）2 可关断晶闸管的工作原理GTO 的导通机理与SCR是完全一样得。GTO一旦导通之后，门极信号是可以撤除的，在制作时采用特殊的工艺使管子导通后处于临界饱和，而不像普通晶闸管那样处于深度饱

4、和状态，这样可以用门极负脉冲电流破坏临界饱和状态使其关断。GTO在关断机理上与SCR是相同的。门极加负脉冲即从门极抽出电流，强烈正反馈使器件退出饱和而关断。3 可关断晶闸管的特点可关断晶体管具有普通晶闸管的全部优点，如耐压高，电流大等。同时它又是全控型器件，即在门极正脉冲电流触发下导通，在负脉冲电流触发下关断。故在本次设计中我们选择可关断晶闸管。2.2 主电路结构及工作原理 图2-2单相半控桥式整流电路带大电感负载接续流二极管时的波形(a)电路：(b)波形如图2-2所示，当u2的正半周、控制角为时，触发晶闸管V1，则V1和VD2因承受正向电压而导通。当u2下降到零并开始变负时，由于电感的作用，

5、它将产生一感应电势使V1继续导通。但此时VD1已承受正向电压正偏导通，而VD2反偏截止，负载电流id经VD1 、 V1流通。此时整流桥输出电压为V1和VD1的正向压降， 接近于零，所以整流输出电压ud没有负半周，这种现象我们把它叫做自然续流。在这一点上， 半控桥和全控桥是不同的。u2的负半周具有与正半周相似的情况，控制角为时触发V2， V2 、VD1导通， u2过零变正时经VD2、 V2自然续流。 根据以上分析， 可求出输出电压平均值为其输出电压有效值为:2-1流过晶闸管的电流平均值和有效值分别为:2-22-32.3 参数的计算 本电路由于采用了Matlab仿真，器件的参数我们采用默认值，这里

6、主要计算电阻和脉冲信号源的延迟时间。本次设计的基本要求是：交流100V/50Hz; 输出功率：500W; 调相范围0180度。一般输出电压为50V就可以了，可设电阻为5欧，电感视为无限大，此次设为3H。设置每个元件的仿真参数。最为关键的是控制角的调节是通过脉冲发生器的相位延迟来实现的，由于其单位是秒，而控制角的大小是通过度来衡量的，所以要进行单位转化，即把角度转化为秒，转化时两个脉冲发生器的延时时间可分别按公式2-4，2-5来转化。交流电压源的频率取为50 Hz，因此每个周期的时间就是1/50 s，每一度角对应的时间就是1/(50×360) s。在此设定控制角为30°，则脉

7、冲发生器P1的延时应设为30/(50×360) s。由于脉冲信号在每个周期触发两次，所以其周期为0.01 s，所以脉冲发生器P2的延时设为30/(50× 360)+0.01 s。由于没有直接可用的电阻元件，只有RLC 的几种组合电路，所以采用串联的RLC 组合来等效电阻，选择其中的RL项来等效阻感性负载，可将其电感参数设为3H。同理，利用二极管与电阻的并联元件将其中的电阻设为无穷大，起到二极管的作用。触发角/（交流电压源的频率×360） 2-4 触发角+180/（交流电压源的频率×360） 2-5第三章 辅助电路的设计3.1 驱动电路的选择方案一采用专用

8、集成芯片产生驱动信号。专用集成芯片对于整个系统来说非常好，集成度高，不易产生各种干扰，产生的驱动信号精确度高，更利于系统的准确度，简单、省事，易于实现。但是，专用集成芯片的价格比较昂贵且不易购买，对于以锻炼个人能力设计此次课程设计显然达不到目的。 方案二采用LM339、ICL8083等构成的驱动电路虽然效果不是很好，但是它完全是硬件驱动，能更好的锻炼人的知识运用与开发能力。两个方案相比较而言我选择方案二。3.2 驱动电路设计 晶闸管门极触发信号由触发电路提供，由于晶闸管电路种类很多，如整流、逆变、交流调压、变频等，所带负载的性质也不相同，如电阻性负载、电阻电感性负载、反电势负载等。仅管不同的情

9、况对触发电路的要求也不同，但其基本要求却是相同的，具体如下:(a) 触发信号应有足够的功率。这些指标在产品样本中均已标明，由于晶闸管元件门极参数分散性大且触发电压、电流值受温度影响会发生变化。例如元件温度为1000c时触发电流、电压值比在室温时低23倍。元件温度为-400c时，触发电流、电压值比在室温时高23倍。为了使元件在各种工作条件下都能可靠地触发可参考元件出厂的试验数据或产品目录。设计触发电路的输出电压、电流值并留有一定的裕量。一般可取两倍左右的触发电流裕量而触发电压按触发电流大小来决定，但应注意不要超过晶闸管门极允许的峰值功率和平均功率极限值。(b) 触发脉冲信号应有一定的宽度普通晶闸

10、管的导通时间一般为6s，故触发脉冲的宽度至少应有6 s以上，对于电感性负载，由于电感会抑制电流的上升，触发脉冲的宽度应更大一些，通常为0.5ms1ms，否则在脉冲终止时主电路电流还未上升到晶闸管的掣住电流时，此时将使晶闸管无法导通而重新恢复关断状态。单结晶体管原理单结晶体管，简称UJT又称基极二极管。它是一种只有PN结和两个电阻接触电极的半导体器件，它的基片为条状的高阻N型硅片，两端分别用欧姆接触引出两个基极b1和b2。在硅片中间略偏b2一侧用合金法制作一个P区作为发射极e。其符号和等效电路如图3-1所示。 图3-1 单结晶体管符号、等效电路图1.单结晶体管的特性从图3.1b中可以看出两基极b

11、1和b2之间的电阻称为基极电阻为Rbb=rb1+rb2 式中:Rb1第一基极与发射结之间的电阻,其数值随发射极电流ie而变化；rb2为第二基极与发射结之间的电阻,其数值与ie无关。发射结是PN结，与二极管等效。若在两面三刀基极b2，b1间加上正电压Vbb，则A点电压为VA=rb1/（rb1+rb2）vbb=rb1/rbbvbb=Vbb 式中:称为分压比，其值一般在0.30.85之间，如果发射极电压VE由零逐渐增加，就可测得单结晶体管的伏安特性，见图3-2。 图3-2 单结晶体管的伏安特性 a.当VeVbb时发射结处于反向偏置，管子截止，发射极只有很小的漏电流Iceo。b.当VeVbb+VD时，

12、VD为二极管正向压降，约为0.7VPN结正向导通，Ie显著增加，rb1阻值迅速减小，Ve相应下降这种电压随电流增加反而下降的特性，称为负阻特性。管子由截止区进入负阻区的临界P称为峰点，与其对应的发射极电压和电流，分别称为峰点电压Vp和峰点电流Ip。Ip是正向漏电流,它是使单结晶体管导通所需的最小电流,显然Vp=Vbb。c.随着发射极电流Ie的不断上升,Ve不断下降,降到V点后,Ve不再下降了,这点V称为谷点,与其对应的发射极电压和电流,称为谷点电压Vv和谷点电流Iv。d.过了V后，发射极与第一基极间半导体内的载流子达到了饱和状态，所以Ue继续增加时，ie便缓慢的上升，显然Vv是维持单结晶体管导

13、通的最小发射极电压如果VeVv管子重新截止。 2.单结晶体管的主要参数a.基极间电阻Rbb发射极开路时,基极b1b2之间的电阻,一般为210千欧,其数值随温度的上升而增大。b.分压比由管子内部结构决定的参数,一般为0.30.85。c.eb1间反向电压Vcb1 b2开路,在额定反向电压Vcb下,基极b1与发射极e 之间反向耐压。d.反向电流Ieo b1开路在额定反向电压Vcb2下eb2间的反向电流。e.发射极饱和压降Veo在最大发射极额定电流时，eb1间的压降。f.峰点电流Ip单结晶体管刚开始导通时，发射极电压为峰点电压时的发射极电流。单结晶体管触发电路如图3-3所示波形为图3-4所示。 图3-

14、3 单结晶体管触发电路 图3-4 单结晶体管触发信号波形第四章 MATLAB仿真4.1 Simulink的基本应用启动Simulink 的方法有很多种，按照Matlab的传统方式，只要在命令窗口输入:Simulink。这样，一个称为Simulink library Browser的窗口就会出现在桌面上，用户也可以使用 Matlab 主窗口的快捷按钮或者是利用launch pad子窗口命令打开，用户可以在界面上浏览、选择及调用模块。Simulink库是按功能分为:continuous (连续)，Discrete(离散),Functions & Tables(函数和平台)、Math(数学)

15、、Nonlinear(非线性)、SignalSystem(信号和系统)、Sinks(接收器)、Sources(源)等等子库，用户在调用时会很容易就找到所需的模块并加以选择。从模块的名字可以看出，Sinks子库里的模块基本上是一些信号接收器。如Scope(示波器)、Display(显示器)、XY Graph(XY 图形)等等。具体的操作是点击工具栏上最左边建新模型的空白按钮，会出现一个模型窗口，接下来回到浏览器窗口，在目标模块上，如integrator模块，按下鼠标左键，然后拖动鼠标至新窗口才松开，这时新窗口会出现一个名为integrator的方块，即把模块复制到新窗口。一般来讲，在模型结构都己

16、经设计好的基础上，用Simulink 建立模型的过程可以简单概括为:在Simulink的模块库里找到所需的模块，并把它们拖曳到模型窗口中，将这些模块排列好，然后用直线把各个模块连接起来。具体的操作步骤如下:(1) 启动Simulink模块库浏览窗口。(2) 新建一个空白模型，即点击库浏览器工具栏上的空白按钮。在Simulink里，模型是保存在模型文件里的，新建一个空白模型，也就是新建了一个空白的模型文件，模型文件的后缀名为.mdl。也可以在模型窗口新建一个空白模型，其操作是使用File 菜单下的new a model 命令。(3) 在模块库浏览窗口中找到所需的模块。在整流电路中较多使用的模块有

17、:正弦波发生器、积分器、复用器和示波器。它们各自的位置分别是:正弦波发生器在Sources子库，积分器在连续系统子库，复合器在信号和系统子库，示波器在接收器子库。(4) 分别将所需的各个模块从库里拖曳到空白的模型窗口。这时,Simulink会在模型窗口复制出这些模块。(5) 将用户界面中的模块排列好，把它们用直线连接起来。注意模块的输入端只能和模块的输出端相连接。双击scope模块打开scope窗口，以观察仿真的输出波形。在开始仿真之前先把仿真的时间设置成有效时间，最后保存模型。4.2 Matlab仿真模型的建立图4-1所示是单相桥式半控整流的simulink仿真模型。利用Matlab软件中s

18、imulink工具可对电路进行仿真,仿真时,负载为阻感负载,取电阻R=5电感L=3H,频率f=50 Hz。图4-1 单相桥式半控整流的simulink仿真模拟图 4.3 仿真参数的设计1电源参数设置 图4-2 电源参数设置图2.晶闸管参数设置 图4-3 晶闸管参数设置图3.显示器参数设置图4-4 显示器参数设置图4 二极管参数设置 图4-5二极管参数设置图5负载参数设置 图 4-6负载参数设置图6.仿真系统参数设置图4-7仿真系统参数设置图7.脉冲发生器的设置a.触发角为30度时，根据2.3节计算，设置参数如下： （a） (b) 图4-8 30度触发角脉冲参数设置图（a）信号源一； （b）信号

19、源二b.触发角为45度时，根据2.3节计算，设置参数如下: （a） (b)图4-9 45度触发角脉冲参数设置图（a）信号源一； （b）信号源二C.触发角为90度时，根据2.3节计算，设置参数如下: (a) (b)图4-10 90度触发角脉冲参数设置图（a）信号源一； （b）信号源二d. 触发角为150度时，根据2.3节计算，设置参数如下: (a) (b)图4-11 150度触发角脉冲参数设置图（a）信号源一； （b）信号源二4.4 仿真波形1.30度触发角仿真波形如图4-12：图4-12 30度触发角仿真波形图2. 45度触发角仿真波形如图4-13:图4-13 45度触发角仿真波形图3.90度触发角仿真波形如图4-14:图4-14 90度触发角仿真波形图4.150度触发角仿真波形如图4-15:图4-15 150度触发角仿真波形图4-5 仿真波形分析由仿真结果知仿真图中第一个波形图为u是整流电源正弦电压瞬时值；图中第二个波形图为Ud是阻感负载的电压；图中第三个波形图为Th1 的门极脉