单相全控桥式晶闸管整流电路的设计纯电阻负载.docx
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单相全控桥式晶闸管整流电路的设计纯电阻负载
1绪论
晶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。
晶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，其应用范围也迅速扩大。
电力电子技术的概念和基础就是由于晶闸管及晶闸管变流技术的发展而确立的。
晶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。
对晶闸管电路的控制方式主要是相位控制式，简称相控方式。
晶闸管的关断通常依靠电网电压等外部条件来实现。
这就使得晶闸管的应用受到了很大的局限。
70年代后期，以门极可关断晶闸管（GTO）、电力双极型晶体管（BJT）和电力场效应晶体管（Power-MOSFET）为代表的全控型器件迅速发展。
全控型器件的特点是，通过对门极（基极、栅极）的控制既可使其开通又可使其关断。
在80年代后期，以绝缘栅极双极型晶体管（IGBT）为表的复合型器件异军突起。
它是MOSFET和BJT的复合，综合了两者的优点。
与此相对，MOS控制晶闸管（MCT）和集成门极换流晶闸管（IGCT）复合了MOSFET和GTO。
电力电子学,又称功率电子学（PowerElectronics）。
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，或者说是强弱电相结合的新科学。
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。
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。
能够理论联系实际，在培养自动化专业人才中占有重要地位。
它包括了晶闸管的结构和分类、晶闸管的过电压和过电流保护方法、可控整流电路、晶闸管有源逆变电路、晶闸管无源逆变电路、PWM控制技术、交流调压、直流斩波以及变频电路的工作原理。
2单相桥式全控整流电路的设计方案介绍
2.1单相全控桥式晶闸管整流电路的设计要求
本课题设计要求电网供电电压为交流100V/50Hz，输出功率为500W，移相范围为0度—180度。
2.2单相桥式全控整流电路设计方案
2.2.1设计方案
设计方案如图1所示。
图1设计方案
2.2.2整流电路的设计
主电路原理图如图2所示。
图2主电路原理图
单相整流电路中应用较多的a带电阻负载的工作原理如下：
VT1和VT4组成一对桥臂，在u2正半周承受电压u2，得到触发脉冲即导通，当u2过零时关断。
VT2和VT3组成另一对桥臂，在u2正半周承受电压-u2，得到触发脉冲即导通，当u2过零时关断。
其工作波形如图3所示。
图3工作波形
（1）在u2正半波的（０～α）区间，晶闸管VT1、VT4承受正向电压，但无触发脉冲，晶闸管VT2、VT3承受反向电压。
因此在0～α区间，4个晶闸管都不导通。
（2）在u2正半波的（α～π）区间，在ωｔ＝α时刻，触发晶闸管VT1、VT4使其导通。
（3）在u2负半波的（π～π＋α）区间，在π～π＋α间，晶闸管VT2、VT3承受正向电压，因无触发脉冲而处于关断状态，晶闸管VT1、VT4承受反向电压也不导通。
（4）在u2负半波的（π＋α～２π）区间，在ωｔ＝π＋α时刻，触发晶闸管VT2、VT3使其元件导通，负载电流沿b→VT3→R→VT2→α→T的二次绕组→b流通，电源电压沿正半周期的方向施加到负载电阻上，负载上有输出电压（ud=-u2）和电流，且波形相位相同。
3元件参数计算选取
3.1晶闸管基本结构及选型
3.1.1晶闸管简介
晶闸管（Thyristor）是晶体闸流管的简称，又称作可控硅整流（SCR），开辟了电力电子技术迅速发展和广泛应用的崭新时代。
自20世纪80年代以来，晶闸管开始被性能更好的全控型器件取代。
晶闸管能承受的电压和电流容量最高，工作可靠，以被广泛应用于相控整流、逆变、交流调压、直流变换等领域，成为功率低频（200Hz以下）装置中的主要器件。
晶闸管往往专指晶闸管的一种基本类型--普通晶闸管。
广义上讲，晶闸管还包括其许多类型的派生器件。
3.1.2晶闸管的结构与工作原理
1）晶闸管的外形与结构
图4所示为晶闸管的外形、结构、电器图形符号和模块外形。
从外形上来看，晶闸管也主要有螺栓型和平板型两种封装结构，均引出阳极A、阴极K和门极G三个连接端。
晶闸管内部是PNPN四层半导体结构，分别命名为P1、N1、P2、N2四个区。
P1区引出阳极A，N2区引出阴极K，P2区引出门极G。
四个区形成J1、J2、J3三个PN结。
如果正向电压加到器件上，则J2处于反向偏置状态，器件A、K两端之间处于阻断状态，只能流过很小的漏电流；如果反向电压加到器件上，则J1和J3反偏，该器件也处于阻断状态，仅有极小的反向漏电流通过。
2）晶闸管的工作原理
晶闸管导通的工作原理可以用双晶体管模型来解释，如图5所示。
如在器件上取一倾斜的截面，则晶闸管可以看作由P1N1P2和N1P2N2构成的两个晶体管V1、V2组合而成。
如果外电路向门极注入电流IG，也就是注入驱动电流，则IG流入晶体管V2的基极。
即产生集电极电流Ic2，它构成晶体管V1的基极电流，放大成集电极电流Ic1，又进一步增大V2的基极电流，如此形成强烈的正反馈，最后V1和V2进入完全饱和状态，即晶闸管导通。
此时如果撤掉外电路注入门极的电流IG，晶闸管由于内部已形成了强烈的正反馈会仍然维持导通状态。
而若要使晶闸管关断，必须去掉阳极所加的正向电压，或者给阳极施加反压，或者设法使流过晶闸管的电流降低到接近于零的某一数值以下，晶闸管才能关断。
所以，对晶闸管的驱动过程更多的是成为触发，产生注入门极的触发电流IG的电路称为门极触发电路。
也正是由于通过其门极只能控制其开通，不能控制其关断，晶闸管才被称为半控型器件。
晶闸管在以下几种情况下也可能被触发导通：
阳极电压升高至相当高的数值造成雪崩效应；阳极电压上升率du/dt过高；结温较高；光直接照射硅片，即光触发。
这些情况除了由于光触发可以保证电路与主电路之间的良好绝缘而应用于高压电力设备之外，其他都因不易控制而难以应用于实践。
只有门极触发是最精确、迅速而可靠的控制手段。
图4晶闸管的外形、结构、电气图形符号和模块外形
a）晶闸管外形b）内部结构c）电气图形符号d）模块外形
图5晶闸管的双晶体管模型及其工作原理
3.1.3晶闸管基本参数
由于单相桥式全控整流带电阻性负载主电路主要元件是晶闸管，所以选取元件时主要考虑晶闸管的参数及其选取原则，晶闸管的主要参数如下：
（1）额定电压UTn
通常取UDRM和URRM中较小的，再取靠近标准的电压等级作为晶闸管型的额定电压。
在选用管子时，额定电压应为正常工作峰值电压的2～3倍，以保证电路的工作安全。
晶闸管的额定电压：
UTn≥（2～3）UTM
UTM：
工作电路中加在管子上的最大瞬时电压
（2）额定电流IT（AV）
IT（AV）又称为额定通态平均电流。
其定义是在室温40°和规定的冷却条件下，元件在电阻性负载流过正弦半波、导通角不小于170°的电路中，结温不超过额定结温时，所允许的最大通态平均电流值。
将此电流按晶闸管标准电流取相近的电流等级即为晶闸管的额定电流。
要注意的是若晶闸管的导通时间远小于正弦波的半个周期，即使正向电流值没超过额定值，但峰值电流将非常大，可能会超过管子所能提供的极限，使管子由于过热而损坏。
（3）通态平均管压降UT（AV）。
指在规定的工作温度条件下，使晶闸管导通的正弦波半个周期内阳极与阴极电压的平均值，一般在0.4～1.2V。
（4）维持电流IH。
指在常温门极开路时，晶闸管从较大的通态电流降到刚好能保持通态所需要的最小通态电流。
一般IH值从几十到几百毫安，由晶闸管电流容量大小而定。
（5）门极触发电流Ig。
在常温下，阳极电压为6V时，使晶闸管能完全导通所需的门极电流，一般为毫安级。
（6）断态电压临界上升率du/dt。
在额定结温和门极开路的情况下，不会导致晶闸管从断态到通态转换的最大正向电压上升率。
一般为每微秒几十伏。
（7）通态电流临界上升率di/dt。
在规定条件下，晶闸管能承受的最大通态电流上升率。
若晶闸管导通时电流上升太快，则会在晶闸管刚开通时，有很大的电流集中在门极附近的小区域内，从而造成局部过热而损坏晶闸管。
3.1.4晶闸管选型
1.晶闸管承受最大的电压是在α=00的时候，输入电压为100V，50Hz的交流电，功率P=500W，利用R=U2/P=10000/500=20
。
2.流过晶闸管的电流有效值：
=（100/1.414*20）*1=3.54A。
3.变压器二次电流有效值与输出直流电流有效值为：
=100/20*1=5A。
4.这时整流电压平均值为：
=0.9*100*1=90V。
5.向负载输出的平均电流值为：
=90/20=4.5A。
6.α角的移相范围为00-1800。
7.流过晶闸管的电流平均值只有输出直流平均值的一半（因为一个周期内每个晶闸管只有半个周期导通），即：
=0.5*4.5=2.25A。
8.考虑2倍的裕量，那么额定电流I=2.25*2=4.5A。
9.UDRM==70.7VURRM==141V
UTN=70.7V*3=210V
综上所述：
选择20
的电阻，选择额定电压为210V，额定电流为4.5A，型号为kp20－４的晶闸管。
3.2整流电路参数计算
由图知晶闸管承受的最大正向电压和反向电压分别为和。
整流电压平均值为：
（1）
a=0时，Ud=Ud0=0.9U2。
α=180时，Ud=0。
可见，a角的移相范围为180。
向负载输出的直流电流平均值为：
（2）
流过晶闸管的电流平均值：
（3）
流过晶闸管的电流有效值为：
（4）
变压器二次侧电流有效值I2与输出直流电流有效值I相等，为：
（5）
有上两式得：
（6）
不考虑变压器的损耗时，要求变压器的容量为S=U2I2。
4驱动电路设计
4.1触发电路简介
电力电子器件的驱动电路是电力电子主电路与控制电路之间的接口，是电力电子的重要环节，对整个装置的性能有很大的影响。
采用良好的性能的驱动电路。
可以使电力电子器件工作在比较理想的开关状态，缩短开关时间，对装置的运行效率，可靠性和安全性都有很大的意义。
对于相控电路这样使用晶闸管的场合，在晶闸管阳极加上正向电压后，还必须在门极与阴极之间加上触发电压，晶闸管才能从截止转变为导通，习惯上称为触发控制。
提供这个触发电压的电路称为晶闸管的触发电路。
它决定每一个晶闸管的触发导通时刻，是晶闸管装置中不可缺少的一个重要组成部分。
晶闸管相控整流电路，通过控制触发角
的大小即控制触发脉冲起始位来控制输出电压的大小，为保证相控电路的正常工作，很重要的一点是应保证触发角
的大小在正确的时刻向电路中的晶闸管施加有效的触发脉冲。
4.2触发电路设计要求
晶闸管的型号很多，其应用电路种类也很多，不同的晶闸管型号，应用电路对触发信号都会有不同的要求。
但是，归纳起来，晶闸管触发主要有移相触发，过零触发和脉冲列调制触发等。
不管是哪种触发电路，对它产生的触发脉冲都有如下要求：
1、触发信号为直流、交流或脉冲电压，由于晶闸管导通后，门极触发信号即失去了控制作用，为了减小门极的损耗，一般不采用直流或交流信号触发晶闸管，而广泛采用脉冲触发信号。
2、触发信号应有足够的功率（触发电压和触发电流）。
触发信号功率大小是晶闸管元件能否可靠触发的一个关键指标。
由于晶闸管元件门极参数的分散性很大，且随温度的变化也大，为使所有合格的元件均能可靠触发，可参考元件出厂的试验数据或产品目录来设计触发电路的输出电压、电流值，并有一定的裕量。
3、触发脉冲应有一定的宽度，脉搏冲的前沿尽可能陡，以使元件在触发信号导通后，阳极电流能迅速上升超过掣住电流而维持导通。
普通晶闸管的导通时间约法为6
，故触发电路的宽度至少应有
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0.5
至1
，此外，某些具体电路对触发脉冲宽度会有一定的要求，如三相全控桥等电路的触发脉冲宽度要大于60°或采用双窄脉冲。
为了快速而可靠地触发大功率晶闸管，常在触发脉冲的前沿叠加一个强触发脉冲，强触发脉冲的电流波形如图6所示。
强触发电流的幅值
可达到最大触发电流的5倍。
前沿
约为几
。
图6强触发电流波形
4、触发脉冲必须与晶闸管的阳极电压同步，脉冲称相范围必须满足电路要求。
为保证控制的规律性，要求晶闸管在每个阳极电压周期都在相同控制角α触发导通，这就要求脉冲的频率必须与阳极电压同步。
同时，不同的电路或者相同的电路在不同的负载、不同的用途时，要求的
变化的范围（移相范围）亦即触发脉冲前沿与阳极电压的相位变化范围不同，所用触发电路的脉冲移相范围必须满足实际的需要。
4.3锯齿波的触发电路
锯齿波的触发电路如图7所示。
图7同步信号为锯齿波的触发电路
电路输出可为双窄脉冲（适用于有两个晶闸管同时导通的电路），也可为单窄脉冲。
三个基本环节：
脉冲的形成与放大、锯齿波的形成和脉冲移相、同步环节。
此外，还有强触发和双窄脉冲形成环节。
脉冲形成环节：
由晶体管V4、V5组成，V7、V8起脉冲放大作用。
控制电压uco加在V4基极上。
电路的触发脉冲由脉冲变压器TP二次侧输出，其一次绕组接在V8集电极电路中。
脉冲前沿由V4导通时刻确定，脉冲宽度与反向充电回路时间常数R11C3有关。
锯齿波的形成和脉冲移相环节：
锯齿波电压形成的方案较多，如采用自举式电路、恒流源电路等，本电路采用恒流源电路。
恒流源电路方案由V1、V2、V3和C2等元件组成，其中V1、VS、RP2和R3为一恒流源电路
同步环节：
触发电路与主电路的同步是指要求锯齿波的频率与主电路电源的频率相同且相位关系确定。
锯齿波是由开关V2管来控制的，V2开关的频率就是锯齿波的频率——由同步变压器所接的交流电压决定。
V2由导通变截止期间产生锯齿
波——锯齿波起点基本就是同步电压由正变负的过零点。
V2截止状态持续的时间就是锯齿波的宽度——取决于充电时间常数R1C1。
双窄脉冲形成环节：
内双脉冲电路：
每个触发单元的一个周期内输出两个间隔60的脉冲的电路。
V5、V6构成一个“或”门，当V5、V6都导通时，V7、V8都截止，没有脉冲输出。
只要V5、V6有一个截止，都会使V7、V8导通，有脉冲输出。
第一个脉冲由本相触发单元的uco对应的控制角产生。
隔60的第二个脉冲是由滞后60相位的后一相触发单元产生（通过V6）。
三相桥式全控整流电路中，器件的导通次序为VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6，彼此间隔60，相邻器件成双接通，所以某个器件导通的同时，触发单元需要给前一个导通的器件补送一个脉冲。
最终输出的脉冲波形图如图8所示。
图8最终输出的脉冲波形
锯齿波同步触发脉冲不受电网电压波动与波形畸变的直接影响，抗干扰能力强，而且移相范围宽。
所以我选取该触发器做设计。
5保护电路设计
5.1过电压保护
电力电子装置中可能发生的过电压分为外因过电压和内应过电压两类。
外因过电压主要来自雷击和系统中的操作过程等外部原因，包括：
（1）操作过电压：
由分闸、合闸等开关操作引起的过电压，快速直流开关的切断等经常性操作中的电磁过程引起的过压。
（2）雷击过电压：
由雷击引起的过电压。
内因过电压主要来自电力电子装置内部器件的开关过程，包括：
（1）换相过电压：
由于晶闸管或者全控器件反并联的续流二极管在换相结束后不能立刻恢复阻断能力，因而有较大的反向电流流过，使残存的载流子恢复，当其恢复了阻断能力时，反向电流急剧减小，这样的电流突变会因线路电感而在晶闸管阴阳极之间或与续流二极管反并联的全控型器件两端产生过电压。
（2）关断过电压：
全控型器件在较高的频率下工作，当器件关断时，因正
向电流的迅速降低而由线路电感在器件两端感应出的过电压。
过压保护要根据电路中过压产生的不同部位，加入不同的保护电路，当达到—定电压值时，自动开通保护电路，使过压通过保护电路形成通路，消耗过压储存的电磁能量，从而使过压的能量不会加到主开关器件上，保护了电力电子器件。
为了达到保护效果，可以使用阻容保护电路来实现。
将电容并联在回路中，当电路中出现电压尖峰电压时，电容两端电压不能突变的特性，可以有效地抑制电路中的过压。
与电容串联的电阻能消耗掉部分过压能量，同时抑制电路中的电感与电容产生振荡，过电压保护电路如图9所示。
图9过电压保护电路
5.2过电流保护
晶闸管承受过电流的能力很低，若过电流数值较大且时间较长，则晶闸管会因热容量小而产生热击穿损坏。
为了使晶闸管不受损坏，必须设置过流保护，使晶交流侧自动开关或直流侧接触器跳闸。
其动作时间约为100~200ms，因此只能保护因机械过负载而引起的过电流，或在短路电流不大时，对晶闸管起保护作用。
（1）直流快速开关
对于大容量高功率经常容易短路的场合，可采用动作时间只有2ms的直流快速开关。
它的断弧时间仅有25~30ms，装在直流侧可有效的用于直流侧的过载保护与短路保护。
它经特殊的设计，可以先于快速熔断器熔断而保护晶闸管。
但此开关昂贵复杂，使用不多。
快速熔断器闸管在被损坏之前就迅速切断电流，并断开桥臂中的故障元件，以保护其他元件。
晶闸管过流保护措施有以下几种。
（2）交流短路器
交流短路器的作用是当过电流超过其整定值时动作，切断变压器一次侧交流电路，使变压器退出运行。
短路器动作时间较长，约为100~200ms。
晶闸管不能在这样长的时间里承受过电流，故它只能作为变流装置的后备保护。
（3）进线电抗器
进线电抗器串接在变流装置的交流进线侧，以限制过电流。
其缺点是有负载时会产生较大的压降，增加了线路损耗。
（4）电流继电器
过电流继电器可安装在直流侧或交流侧，在发生过电流时动作，使熔断器是最简单有效的且应用普遍的过流保护器件。
针对晶闸管的特点，专门设计了快速熔断器，简称快熔。
其熔断时间小于20ms，能很快的熔断，达到保护晶闸管的目的。
快熔的选择：
快熔的额定电压URN不小于线路正常工作电压的均方根值；快熔的额定电流IRN应按它所保护的原件实际流过的电流的均方根值来选择，而不是根据元件型号上标出的额定电流IT来选择，一般小于被保护晶闸管的额定有效值1.57IT。
快熔接法如图10所示：
图10快熔接法
其中交流侧接快速熔断器能对晶闸管元件短路及直流侧短路起保护作用，但要求正常工作时，快速熔断器电流定额要大于晶闸管的电流定额，这样对元件的短路故障所起的保护作用较差。
直流侧接快速熔断器只对负载短路起保护作用，对元件无保护作用。
只有晶闸管直接串接快速熔断器才对元件的保护作用最好，因为它们流过同—个电流．因而被广泛使用。
电子电路作为第一保护措施，快熔仅作为短路时的部分区段的保护，直流快速断路器整定在电子电路动作之后实现保护，过电流继电器整定在过载时动作。
6仿真及结果分析
6.1电阻负载的单相桥式全控整流仿真电路图
基于Mutlab仿真图见附录A。
6.2仿真模块参数设置
1.交流电源参数设置
图11交流电源参数设置
对交流电，电压“Peakamplitude”为100V，“Phase”为0d，其频率“Frequency”设置为50Hz，周期T=1/f=1/50=0.02s。
电流测量：
图12电流测量参数设置
“Outputsignal”设置为complex。
电压测量：
图13电压测量
2.脉冲信号发生器参数设置
图14脉冲信号发生器参数设置
“pulsetype”设置为Timebased，
“Time”设置为Usesimulationtime，
“Amplitude”设置为1.0，
“Period”设置为0.02，
“PulseWidth”设置为10，
Pulse参数对话框，其中相位延迟Phasedelay的设置，按关系t=αT/360°计算。
1.对交流电T=0.02s，当α=0°仿真时，pulse1，t=0s，对pulse2，t=0.01,。
2.当α=30°仿真时，对pulse1，t=0.00167s，对pulse2，相位延迟设置为0.01+0.00167=0.01167s。
3.当α=90°仿真时，对Pulse1，相位延迟Phasedelay设置为t=αT/360°=0.005s，对pulse2，相位延迟设置为0.01+0.005=0.015s；
4.当对α=150°仿真时，对Pulse1，相位延迟Phasedelay设置为t=αT/360°=0.00833s，对pulse2，相位延迟设置为0.01+0.00833=0.01833s。
6.3仿真输出图形
1.波形图分别代表晶体管VT上的、晶体管VT上的电压、电阻加电感上的电压。
下列波形分别是延迟角α为0°、30°、90°、150°时的波形变化。
2.由下面仿真图可以知道，在五个波形中，第一个的波形表示的是晶闸管的电流Ivt，第二个是晶闸管的电压Uvt，第三个表示的是负载电阻上的电流Id，第四个表示的是二次侧绕组的电流I2，第五个是负载电阻上的电压Ud。
α=0°时的波形图如图16所示。
图16α=0°时的波形
α=30°时的波形图如图17所示。
图17α=30°时的波形
α=60°时的波形图如图18所示。
图18α=60°时的波形
α=90°时的波形图如图19所示。
图19α=90°时的波形
α=150°时的波形图如图20所示。
图20α=150°时的波形
致谢
本次电力电子设计课程设计是在王翠老师一个学期的教导下，通过上网查询资料、翻看书籍、同学间的学习才得以顺利完成的。
通过单相全控桥式整流电路的设计，使我加深了对整流电路的理解，让我对电力电子该课程产生了浓烈的兴趣。
对于一个电路的设计，首先应该对它的理论知识很了解，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，碰到的难题就是对晶闸管的相关参数的计算，因为在学习中没能很好的系统的总结晶闸管相关知识。
在整个课程设计中贯穿的计算过程没能很好的把握。
在今后的学习中要认真总结经验，对电力电子课程进行补充，为以后深入的专业学习做铺垫。
再次感谢王翠老师，是她严谨的作风一直不断激励着我，系统的知识灌输着我，让我在困难的路上不断前行。
通过这次课程设计我对于文档的编排格式、原理图波有了一定的了解，这对于以后的毕业设计及工作需要都有很大的帮助，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.电力电子技术（第五版）.北京：
机械工业出版社，2004.01
WangZhaoAn.PowerElectronicTechnology（5rdedition）.Beijing:
Machineryindustrypress,2004.01
[2]吴晓燕.MATLAB在自动控制中的应用.西安：
西安电子科技大学出版社，2006.09
WuXiaoYan.M
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