单相双半波晶闸管整流电路主电路设计

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1、电力电子课程设计班 级：学 号：姓 名：指导老师：目录摘要11单相双半波品闸管整流电路主电路设计21.1晶闸管的介绍21.1.1晶闸管的结构21.1.2晶闸管的工作原理21.1.3晶闸管的伏安特性41.2总电路的设计51.2. 1总电路的原理框图51.2.2主电路原理图61.3相控触发电路设计71.3.1相控触发电路工作原理71.3.2相控触发芯片的选择81.4保护电路设计92电路参数及元件选择102.1主电路电路参数计算102.2电路元件的选择112.2.1整流元件的选择112.2.2保护元件的选择113 MATLAB 仿真123.1 MATLAB软件介绍123.2系统建模及电路仿真123.

2、3系统仿真结果及分析154设计总结16参考文献17摘要电力电子技术是一门新兴技术，它是由电力学、电子学和控制理论三个学科 交叉而成的，在电气自动化专业中已成为一门专业基础性强且与生产紧密联系的 不可缺少的专业基础课。本课程体现了弱电对强电的控制，又具有很强的实践性。 它包括了品闸管的结构和分类、品闸管的过电压和过电流保护方法、可控整流电 路、品闸管有源逆变电路、品闸管无源逆变电路、PWM控制技术、交流调压、直 流斩波以及变频电路的工作原理。品闸管出现前的时期可称为电力电子技术的史前期或黎明时期。品闸管由于 其优越的电气性能和控制性能，使之很快就取代了水银整流器和旋转变流机组。 并且，其应用范围

3、也迅速扩大。电力电子技术的概念和基础就是由于品闸管及品 闸管变流技术的发展而确立的。品闸管是通过对门极的控制能够使其导通而不能 使其关断的器件，属于半控型器件。对品闸管电路的控制方式主要是相位控制式， 简称相控方式。品闸管的关断通常依靠电网电压等外部条件来实现。整流电路按组成的器件不同，可分为不可控、半控与全控三种，利用品闸管 半导体器件构成的主要有半控和全控整流电路；按电路接线方式可分为桥式和零 式整流电路；按交流输入相数又可分为单相、多相（主要是三相）整流电路。正 是因为整流电路有着如此广泛的应用，因此整流电路的研究无论在是从经济角 度，还是从科学研究角度上来讲都是很有价值的。本设计正是结

4、合了Matlab仿真 软件对单相双半波品闸管整流电路在阻感负载下进行分析。关键词：品闸管，整流电路，Matlab，仿真，阻感负载，相控方式单相双半波晶闸管整流电路的设计（阻感负载1. 单相双半波晶闸管整流电路主电路设计1.1晶闸管的介绍1.1.1晶闸管的结构品闸管是一种4层功率半导体器件，具有3个PN结，其结构和电路符号如 图1-1所示。其中，最外层的P区和N区分别引出两个电极，称为阳极A和阴极 K，中间的P区引出控制极（或称门极）。图1-1品闸管的结构及电气符号1.1.2晶闸管的工作原理品闸管组成的实际电路如图1-2所示。图1-2组成的实际电路图为了说明品闸管的工作原理，可将其看成NPN和P

5、NP两个三极管相连，用三 极管的符号来表示品闸管的等效电路，如图1-3所示。AK图1-3品闸管双品体管模型其工作过程如图1-4所示。当品闸管的阳极A和阴极K之间加正向电压UZ而控制极K不加电压时，中 间的PN结处于反向偏置，管子不导通，处于关断状态。图1-4品闸管工作原理当品闸管的阳极A和阴极K之间加正向电压UA，且控制极G和阴极K之间 也加正向电压UG时，外层靠下的PN结处于导通状态。若V2管的基极电流为IB2, 则集电极电流Ic2为p 2IB2, V1管的基极电流IB1等于Vz管的集电极电流，因 而V2的集电极电流Icl为p ip 2,该电流又作为V2管的基极电流，再一次进 行上述的放大过

6、程，形成正反馈。在很短的时间（一般几微秒）两只二极管均进 入饱和状态，使品闸管完全导通。当品闸管完全导通后，控制极就失去了控制作 用，管子依靠内部的正反馈始终维持导通状态。此对管子压降很小，一般为0. 6 1.2 V，电源电压几乎全部加在负载电阻R上，品闸管中有电流流过，可达几十 至几千安。要想关断品闸管，必须将阳极电流减小到不能维持正反馈过程，当然 也可以将阳极电源断开或者在品闸管的阳极和阴极之间加一反向电压。综上所述，可得如下结论:1）品闸管与硅整流二极管相似，都具有反向阻断能力，但品闸管还具有正 向阻断能力，即品闸管正向导通必须具有一定的条件：阳极加正向电压， 同时控制极也加正向触发电压

7、（实际工作中，控制极加正触发脉冲信 号）。2）品闸管一旦导通，控制极即失去控制作用。要使品闸管重新关断，必须 做到以下两点之一：一是将阳极电流减小到小于维持电流IH；二是将阳 极电压减小到零或使之反向。1.1.3晶闸管的伏安特性品闸管的导通和截止这两个工作状态是由阳极电压、阳极电流及控制极电流 决定的，而这几个量又是互相有联系的，在实际应用上常用实验曲线来表示它们 之间的关系，这就是品闸管的伏安特性曲线，其伏安特性曲线如图1-5所示，可 分为正向特性和反向特性曲线两部分。图1-5品闸管的伏安特性1）品闸管的正向特性当UO时对应的特性曲线为正向特性。由图1-5可知，品闸管的正向特性分 为关断状态

8、OA段和导通状态BC段。当控制极电流IG=0时，逐渐增加阳极电压 U，观察阳极电流I的变他情况。开始时，三个PN结只有一个导通，品闸管处于 关断状态，只有很小的正向漏电流。当电压增加到正向转折电压U=UBO时，品闸 管突然导通，进入伏安特性的BC段。此时品闸管可通过较大的电流，而管压降 很小。在品闸管导通后，若减小正向电压，则正向电流就逐渐减小。当电流小到 某一数值时，品闸管又从导通状态转为阻断状态，这时所对应的最小电流称为维 持电流IH。从图1-5的品闸管的正向伏安特性曲线可见，当阳极正向电压高于转折电压 时，元件将导通。但是这种导通方法很容易造成品闸管的不可恢复性击穿而使元 件损坏，在正常

9、工作时是不采用的。品闸管的正常导通受控制极电流IG的控制， 为了正确使用品闸管，必须了解其控制极特性。当控制极加正向电压时，控制极电路就有电流展，品闸管容易导通，其正 向转折电压降低，特性曲线左移。控制极电流越大，正向转折电压越低。改变控 制极电流IG，控制极电流越大(IGlIG20)，转折电压UBO就越低。2)品闸管的反向特性当Un /2时,负载电流不连续,而且输 出电压的平均值接近于零,因此这种电路控制角的移相范围是0n /2。1.3相控触发电路设计1.3.1相控触发电路工作原理品闸管触发主要有移相触发、过零触发和脉冲列调制触发等。触发电路对其 产生的触发脉冲要求：1）触发信号可为直流、交

10、流或脉冲电压。2）触发信号应有足够的功率（触发电压和触发电流）。3）触发脉冲应有一定的宽度，脉冲的前沿尽可能陡，以使元件在触发导通 后，阳极电流能迅速上升超过掣住电流而维持导通。4）触发脉冲必须与品闸管的阳极电压同步，脉冲移相范围必须满足电路要 求。1.3.2相控触发芯片的选择相控触发电路芯片选择KJ004集成触发电路芯片构成的集成触发器KJ004 可控硅移相电路可控硅移相触发电路适用于单相、三相全控桥式供电装置中，作 可控硅的双路脉冲移相触发。器件输出两路相差180度的移相脉冲，可以方便地 构成全控桥式触发器线路。电路具有输出负载能力大、移相性能好、正负半周脉 冲相位均衡性好、移相范围宽、对

11、同步电压要求低，有脉冲列调制输出端等功能 与特点。触发器KJ004引脚图如图1-10所示。16| |15| |14| |】3| |12| |111 |10| | 9A70041|2|3|4|5|6|7|8图1-10 KJ004引脚图触发器KJ004管脚功能如表1-1所示。表1-1触发器KJ004管脚功能表功能输出空锯齿波形成-Vee（1k。）空地同步输入综合比较空微分阻容封锁调制输出+Vcc引线脚号12345678910111213141516单结品体管触发电路由单结品体管构成的触发电路具有简单、可靠、抗干扰 能力强、温度补偿性能好，脉冲前沿徒等优点，在容量小的品闸管装置中得到了 广泛应用。他

12、由自激震荡、同步电源、移相、脉冲形成等部分组成，相控触发电 路如图1-11所示。5:1AC100V20V !=+15VO-,PP1V-CZH.-1|pP2ncJ十15V4ZZH+24V图1-11相控触发电路图1.4保护电路设计1）过电流保护电路设计当电力电子变流装置内部某些器件被击穿或短路，驱动、触发电路或控制电 路发生故障，外部出现负载过载；直流侧短路，可逆传动系统产生逆变失败以及 交流电源电压过高或过低均能引起装置或其他元件的电流超过正常工作电流，即 出现过电流。因此，必须对电力电子装置进行适当的过电流保护。2）过电压保护电路设计设备在运行过程中，会受到由交流供电电网进入的操作过电压和雷击

13、过电压 的侵袭。同时，设备自身运行中以及非正常运行中也有过电压出现，因此，必须 对电力电子装置进行适当的过电压保护。过流、过压保护电路如图1-12所示。图1-12过流、过电压保护电路图2. 电路参数及元件选择2.1主电路电路参数计算1) 在阻感负载下电流连续，整流输出电压的平均值为：1 以十兀二，. p,、2 2 十，U = J v2U sin3td(wt) =U cosa= 0.9cosa(2-1)以由设计任务有输出功率P=500W,电感L=1000mH，错误！未找到引用源。，则输出电压平均值的最大 值可由下式可求得。U错误！未找到引用源。=0.9x50x1=45v(2-2)可见，当a在J

14、= P = 11 11A 0 /2范围内变化时，整流器可U在045V范围内取值。d2) 整流输出电流平均值为：(2-3)3) 在一个周期内每组品闸管各导通180，两组轮流导通，整流变压器二次电 流是正、负对称的方波，电流的平均值Jd和有效值I相等，其波形系数为1。 流过每个品闸管的电流平均值错误！未找到引用源。与有效值错误！未找到引用源。分别为：1 y= - Id = 5.56 A(2-4)(2-5)4) 品闸管在导通时管压降广0，故其波形为与横轴重合的直线段；VT1和VT2 加正向电压但触发脉冲没到时，VT3、VT4已导通，把整个电压u2加到VT1 或VT2上，则每个元件承受的最大可能的正向

15、电压等于错误!未找到引用源。；VT1和VT2反向截止时漏电流为零，只要另一组品闸管导通，也就把整个电压u 2加到VT1或VT2上，故两个品闸管承受的最大反向电压也为错误！未 找到引用源。2.2电路元件的选择2.2.1整流元件的选择由于单相双半波整流带阻性负载主电路主要元件是品闸管，所以选取元件时主要考虑品闸管的参数及其选取原则。品闸管的主要参数如下：1) 额定电压UNVT断态重复峰值电压UDRM是在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上 的峰值电压。反向重复峰值电压URRM是在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上 的反向峰值电压。通常取UDRM和URRM中较小的，再取靠近标准的电

16、压等级作为品闸管型的额定电 压。在选用管子时，额定电压要留有一定裕量，应为正常工作时品闸管所承受峰 值电压的23倍，以保证电路的工作安全。品闸管的额定电压U = minUD,Urrm UNVT(23) 2/2U2(3-1)unvt :工作电路中加在管子上的最大瞬时电压Uvt = (2-3)2J2U2= (282.8-424.3) V2) 额定电流Invt考虑安全裕量，INVT = 2Ivt = 5.005A2.2.2保护元件的选择变压器二次侧熔断器采用快速熔断器是电力电子装置中最有效、应用最广的 一种过电流保护措施。在选择快熔时应考虑：1）电压等级应根据熔断后快熔实际承受的电压来确定。2）电流

17、容量应按其在主电路中的接入方式和主电路联结形式确定。快熔一 般与电力半导体器件串联连接，在小容量装置中也可串接于阀侧交流母线或直流 母线中。3）快熔的121值应小于被保护器件的允许I2t值。4）为保证熔体在正常过载情况下不熔化，应考虑其时间电流特性。3. MATLAB 仿真3.1 MATLAB软件介绍本次系统仿真采用目前比较流行的控制系统仿真软件MATLAB，MATLAB是矩 阵实验室（Matrix Laboratory）之意，主要用于方便矩阵的存取，其基本元素 是无须定义维数的矩阵。MATLAB是用于算法开发、数据可视化、数据分析以及 数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATL

18、AB和Simulink两大 部分。Simulink是MATLAB最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真 和综合分析的集成环境。在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简单直 观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。Simulink具有适应面广、结构和流程 清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，并基于以上优点Simulink 已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。同时有大量的第三 方软件和硬件可应用于或被要求应用于Simulink。3.2系统建模及电路仿真仿真电路如图3-1所示。图3-1仿真电路图电路仿真波形如下：1）当a =30。时，仿真波形如图3-2所示。O20

19、-205LO-5LOIII-III-05 on_irne ottset: u图3-2 a =30。时，仿真波形图图3-3 a =60。时，仿真波形图图3-4 a =90。时，仿真波形图3.3系统仿真结果及分析当建模和参数设置完成后，即可开始进行仿真。图3-2、图3-3、图3-4分 别是单相双半波品闸管整流电路仿真模型在兰分别为30、60、90时的输出 曲线。从仿真结果可以看出，它非常接近于理论分析的波形。4. 设计总结通过单相双半波整流电路的设计，使我加深了对单相双半波品闸管整流电路 的理解，并且对电力电子该课程产生了浓厚的兴趣。对于一个电路的设计，首先应该对它的理论知识很了解，而知识的积累源

20、于 对书本的了解。应该不断地查找、搜集资料，这样才能设计出性能好的电路。整 流电路中，开关器件的选择和触发电路的选择是最关键的，开关器件和触发电路 选择的好，对整流电路的性能指标影响很大。在这次课程设计过程中，碰到的难 题就是对品闸管的相关参数的计算。平时考试中对品闸管的各个参数进行过计 算，而本次的课程设计则是把理论知识应用到实践中去，通过对实际情况的考虑， 对这种计算过程的影响更加的深刻。在算出元件的各个参数之后，则是对电路中的各个元器件选型，这一步也很 关键。仅仅在电脑上呢仿真成功是不够的，需要实际做出成品，而实际情况则需 要考虑更多的因素，这需要选择的元器件满足计算出来的参数的要求。而

21、若要实 际设计的电路能够持久稳定地运行，需要设计保护电路，以防止过电压或是过电 流对元器件造成损害。通过这次课程设计我对于文档的编排格式、原理图有了一定的了解，这对于 以后的毕业设计及工作需要都有颇大的帮助，在完成课程设计的同时我也在复习 一遍电力电子技术这门课程，把以前一些没弄懂的问题基本掌握了。参考文献1王兆安，黄俊.电力电子技术M（第4版）.北京：机械工业出版社，20002浣喜明，姚为正.电力电子技术M.北京：高等教育出版社，2004.128-1453王兆安，黄俊.电力电子技术M（第5版）.北京：机械工业出版社， 2009.19-944陆秀令，张振飞.电力电子技术实验指导书M.衡阳：湖南工学院电气与信 息工程系，2010.10-185周渊深.电力电子技术与MATLAB仿真M.北京：中国电力出版社， 2006.188-278