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三相桥式可控整流电路
摘要
整流电路尤其是三相桥式可控整流电路是电力电子技术中最为重要，也是应用得最为广泛的电路，它不仅应用于一般的工业领域，还应用于电力系统、通信系统、能源系统及其他领域。
三相桥式可控整流电路中应用最多的是三相桥式全控整流电路，本文主要对三相桥式全控整流电路进行设计研究，将工频三相电压经过整流后变为直流电压供负载使用，并利用PROTEL，绘制整流电路的主电路，触发电路以及总电路等的原理电路图和PCB版图。
本次设计利用TC787集成电路进行触发，从而完成设计的要求。
关键词：
电力电子；整流电路；TC787
ABSTRACT
Rectifiercircuitespeciallythree-phasebridgecontrolledrectifiercircuitisthemostimportantinpowerelectronicstechnology,isusedforawiderangeofcircuit.Itisnotonlyusedinthegeneralindustrialfield,alsousedinpowersystem,communicationsystem,energysystemandotherfields.Usedinmostofthethree-phasebridgecontrolledrectifiercircuitisthree-phasefullbridgecontrolledrectifiercircuit,thispapermainlyofthree-phasefullbridgecontrolledrectifiercircuitwerestudydesign,thethree-phasepowerfrequencyvoltageafterrectificationvariableforDCvoltageforload,andtheuseofProtel,renderingthemaincircuitoftherectifiercircuit,triggercircuitandthecircuitofthecircuitprinciplediagramandPCBlayout.ThisdesignusesTC787integratedcircuittotrigger,soastocompletethedesignrequirements.
Keywords：
powerelectronics；rectifiercircuit；TC787
1绪论
1.1研究背景和意义
整流电路这个技术在我们的工业生产上应用特别广泛，比如调压调速直流电源、发电机的励磁调节、电解及电镀等领域得到广泛应用。
整流电路的作用就是把交流电能转换为直流电能的电路，并且大多数整流电路是由变压器、整流主电路、触发电路和滤波器等组成。
整流电路是可以将交流电转变成直流电。
从发电机端或交流励磁机端获得的交流电压变换成为所需要的直流电压然后再提供给发电机转子或着励磁机磁场绕组，然后实现其励磁需要。
对于接在发电机转子励磁回路中的三相桥式全控整流电路，除了将交流电变换成直流电之外，还可以实现将储存在转子磁场中的能量，经全控桥迅速反馈给交流电源从而将直流电变换成交流电来实现逆变灭磁。
进入20世纪70年代以后，我们的主电路多采用晶闸管和硅整流二极管组成，滤波器则会接在负载和主电路之间，这样可以滤脉动直流电压中的交流成分。
是否设置变压器则视具体情况而定，其作用是实现了交流输入电压与直流输出电压间的匹配问题以及交流电网和整流电路间的电气隔离（作用是可减小电网和电路间的电干扰和故障影响）。
我们学习过的整流电路的种类有很多，有单相半波整流电路、单相桥式半控整流电路、单相桥式全控整流电路、三相桥式半控整流电路、三相桥式全控整流电路等。
在今天由于三相全控整流电路的整流负载容量较大，输出直流电压的脉动比较小等优点，使得三相桥式全控整流电路是现如今应用的最为广泛的整流电路。
我所做的这次设计可以更好实现各个行业对整流电路的需求，我在充分了解整流主电路工作原理的基础上，又设计出了性能较好的触发电路，这样便可以产生出更加好的波形，以实现我们的市场要求。
1.2课题来源和意义
随着社会技术和科学生产的发展，整流电路在自动控制系统、测量系统和发电机励磁系统等领域的已经具有十分广泛的应用。
常用的三相整流电路有三相桥式不可控整流电路、三相桥式半控整流电路和三相桥式全控整流电路这几种，但是由于整流电路它要涉及交流信号、直流信号以及触发信号，同时还包含晶闸管、电感、电容、电阻等大量的元件，一般不采用常规电路分析方法。
整流电路特别是应用得最为广泛的三相桥式整流电路是电力电子技术中最为重要的电路。
因此它不仅应用于一般工业，还广泛应用在能源系统、交通运输、通信系统、电力系统等其他系统领域当中。
我们研究三相桥式整流电路的工作特性，对于保证我们电路的正常运行，以及在发生故障时可以采取相应而有效的措施就显得具有十分重要的意义。
我们把交流电变换成可调节大小的单一方向直流电的过程称作可控整流，为了保证负载对电源电压大小的承受能力，或者为了有效改变可控整流装置的功率因数大小，一般可在输入端加接整流变压器，并且通过整流器把一次侧的电压U1变为二次侧的电压U2。
由晶闸管等组成的全控整流主电路，其输出端的负载，在这一次的设计中我们研究是电阻性负载，阻性负载往往要求整流后能输出在一定范围内变化的直流电压。
所以，只要通过控制触发电路所产生的触发脉冲发射的时间早晚，就能来控制晶闸管在U2一周期内导通的时间，这样可以保证负载上的直流电压平均值就可以得到控制。
从而完成我们的设计要求。
1.3国内外研究现状
在当代社会中电力电子技术已进入高频化、标准模块化、集成化和智能时代。
理论和实验证明电气产品的体积与质量反比于供电频率的平方根，频率提高对其设备的制造省材，运行节能和系统性能改善具有十分深远的意义。
现如今我们所需要的主流方向是电力电子器件的高频化，硬件结构的标准模块是器件也成为未来社会所发展的趋势。
现如今先进模块已和开关元件、与其反向并联的续流二极管、驱动保护电路等多个单元以构成了一种标准化和系列化的产品器件，这种组合的集成性与可靠性已经达到十分高超的水平。
开关电源技术发展的基础是现代电力电子技术，开关电源技术因市场的应用需求而不断的更新发展，新技术的出现必然带来许多产品的更新与换代，同时，不断发展的新技术必然也会开拓更多更广的先进领域。
目前来说开关技术已经十分成熟，其高频化、模块化、数字化、绿色化等的实现，标志着用电高效率和用电高品质的时代来临。
原来老旧的线性电源和相控电源必然会被开关电源所代替，这是整个时代所趋的大势。
创新的电力电子技术与器件制造工艺，已成为世界各国工业自动化和机电一体化领域竞相竞争最激烈的领域，所有的发达国家都会在这一领域投入其极大的财力，人力和物力，使本国能在这一行业跻身高科技之巅，现如今美国、丹麦、荷兰及法国、日本等各个国家可以说都在这一行业不断发展，这些国家的各种先进电力电子功率量都在不断开发完善，都想让本国电力电子技术向着高频化迈进，实现用电设备的高效节能，为真正实现工控设备的小型化，轻量化，智能化而不断去努力。
可以这么来说，电力电子技术是目前促使高新技术产业快速化发展的主要基础技术之一，也是实现传统产业改造的一种非常重要的手段。
现如今所用的电力电子器件由于大多是由半导体材料制成，故也称电力半导体器件。
我们通常所用到的电力分为交流电和直流电两种。
由于从蓄电池和公用电网所得到的电力通常不能直接使用，所以需要我们进行电力变换。
电力变换可以分为四类：
一种是电压的直流变为另一种电压的直流我们称之为直流斩波；交流变交流我们称之为交流电力控制；直流变交流我们称之为逆变；交流变直流我们称之为整流，而完成整流过程的电力电子电路我们就称它为整流电路。
整流电路是电力电子电路中出现最早的一种，随着科学技术的迅猛发展，各种电器产品对整流电路的要求也随着用户的需要而越来越高。
主要的要求包括：
提高整流电路的输入功率、输出电压的稳定性以及扩大整流电路的功能。
不论是在我们国家还是在外国都希望整流电路输出较高的电压且电压最好连续可调，对于这一问题，许多专家都对三相桥式整流电路做出改进，并且也得到了比较不错的效果。
2三相桥式可控整流电路
2.1晶闸管的简介
半导体的出现对现代物理学来说是一项十分重大的突破，并且半导体的出现标志着电力电子技术的从此诞生。
由于各个领域的市场需要，从而使半导体器件形成了两个快速发展的分支，其中一个分支即是微电子器件，它是以集成电路为代表，它的特点是集成化、小功率，一般是用来作信息的处理、检出和传送；而另一个分支就是电力电子器件，它的特点是大功率、快速化。
19世纪60年代，美国通用电气公司研发了世界上第一个以硅单晶为半导体整流材料的硅整流器（SR），到了1957年的时候，通用公司又研发可全球第一个用于控制和功率转换的可控硅整流器（SCR）。
由于这些器件都具有重量轻、体积小、效率高、寿命长等特殊优点，特别是SCR它能以特别小的电流来控制较大的功率，这使得半导体电力电子器件由原来的弱电控制进入了强电控制、大功率控制的领域。
在整流器的应用上，晶闸管的出现很快便取代了一般所用的水银整流器，实现整流器的固体化、静止化和无触点化，而且还得到了意想不到的节能效果。
从1960年以来，在普通晶闸管的基础上有继续出现相了很多派生产品，比如：
快速晶闸管、光控晶闸管、不对称晶闸管及双向晶闸管等各种特性的晶闸管，使晶闸管形成一个大家庭。
虽然晶闸管有很多优点，但其实存在两个制约它不断快速发展的因素。
一个是控制功能上还有些不足的问题，由于普通的晶闸管它是一种半控型器件，通过门极我们只能做到让它开通而不能让它关断，这就使得晶闸管导通后控制极便无法再起作用，而要将其关断的话就必须切断电源，也就是令流过晶闸管的正向电流小于维持电流。
而且晶闸管的关断还不可控，这就导致我们还要另外配强迫换流电路，这种电路是由电感、电容及辅助开关器件等组成，一旦开关元器件增多就会使装置的体积变大，成本增加，而且系统将会变得更加的复杂、可靠性也会降低。
另一个原因是晶闸管隶属于分立元件结构，它的开通损耗会特别大，难以提高它的工作频率，这就使其其应用范围变得十分狭窄。
19世纪80年代末，随着可关断晶闸管（GTO）器件的发展成熟，它克服了普通晶闸管的这些缺点，标志着电力电子器件进入了另外一个全新的时代，即从半控型器件过渡到了全控型器件。
2.1.1晶闸管的分类
晶闸管有很多种分类方式，如果按其关断、导通及控制方式来分类的话，可以将其分为普通晶闸管（SCR）、逆导晶闸管（RCT）、BTG晶闸管、双向晶闸管（TRIAC）、门极关断晶闸管（GTO）、温控晶闸管（TT国外，TTS国内）和光控晶闸管（LTT）等多种。
如果按照其极性和引脚来分的话可以分为二极晶闸管、三极晶闸管和四极晶闸管。
如果按照其封装形式来分的话可以分为塑封晶闸管、金属封装晶闸管和陶瓷封装晶闸管三种类型。
其中金属封装的晶闸管又可以分为平板形、螺栓形、圆壳形等多种；塑封晶闸管又可以分为带散热片型和不带散热片型这两个类型。
如果按照电流容量来区分的话可以分为大功率晶闸管、中功率晶闸管和小功率晶闸管三种类型。
而大功率晶闸管一般会采用陶瓷封装这种形式，而中、小功率晶闸管一般多采用塑封或金属封装。
如果按照其关断速度来区分的话可以分为普通晶闸管和快速晶闸管两种，其中快速晶闸管包括所有专们为快速应用领域而设计的晶闸管，有常规的快速晶闸管和工作在更高频率的高频晶闸管之分，它们可以分别应用于400Hz和10KHz以上的斩波或逆变电路当中。
下图为各类晶闸管：
图2.1各类晶闸管
2.1.2晶闸管的结构与工作原理
晶闸管在它的工作过程中，阳极（A）和阴极（K）将会与电源和负载进行连接，用来组成晶闸管的主电路，而晶闸管的门极（G）和阴极（K）与控制晶闸管的装置连接，用来组成晶闸管的控制电路。
晶闸管属于半控型的电力电子器件，它的工作条件如下：
当晶闸管承受反向阳极电压时，不管门极承受什么样的电压，它都将处在它的反向阻断状态。
而当晶闸管承受正向的阳极电压时，只有它的门极承受正向电压的情况下晶闸管才可以导通。
而这个时候晶闸管将会处在它的正向导通状态，这一特性叫做晶闸管的闸流特性，也可以称为可控特性。
在晶闸管导通的情况下，只要给它施加一定的正向阳极电压，不论此时的门极电压怎么变化，晶闸管都将保持导通状态，也就是说晶闸管导通后，门极便会失去它的作用，也就是门极只能起到触发的作用。
而晶闸管在导通的情况下，当主回路的电压（或电流）减小到接近于零的时候，晶闸管这是就会关断。
晶闸管是一种四层三端器件，它有J1、J2、J3三个PN结如图2.2所示，而又可以把它中间的NP分成两个部分，构成PNP型三极管和NPN型三极管组成的复合管。
图2.2晶闸管的结构与工作原理
当晶闸管承受正向阳极电压时，为了让晶闸管导通，要使承受反向电压的PN结J2失去它的阻挡作用。
两个互相复合的晶体管电路，当有足够的门极电流Ig时，整个电路就会形成一种正反馈，造成两晶体管饱和从而导通。
设PNP管和NPN管的集电极电流分别为Ic1和Ic2，发射极电流分别为Ia和Ik；电流放大系数为α1=Ic1/Ia和α2=Ic2/Ik，设流过J2结的反相漏电电流为Ic0。
当晶闸管承受正向阳极电压，而当门极未受电压时，由于Ig=0，且（α1+α2）很小，故晶闸管的阳极电流Ia≈Ic0这时的晶闸管将处于正向阻断状态。
当晶闸管在正向阳极电压的作用下时，从门极（G）流入电流Ig，此时Ig流经NPN管的发射结，由于Ig足够大，所以提高了电流放大系数α2，便会使得很大的极电极电流Ic2流过PNP管的发射结，从而又提高了PNP管的电流放大系数α1，于是又有更大的极电极电流Ic1流经NPN管的发射结。
这样一个强烈的正反馈过程十分快的进行。
当α1和α2随发射极电流增加而（α1+α2）≈1时，流过晶闸管的电流此时完全由主回路的电压和回路电阻决定，晶闸管已处于正向导通状态。
晶闸管导通之后，就算这时的门极电流Ig变为零，晶闸管也可以保持原来的电流Ia而继续导通。
因为晶闸管在导通后，门极便失去了它的作用。
而要使晶闸管恢复阻断状态，可以不断的减小电源电压或增大回路电阻，使阳极电流Ia减小到维持电流IH之下。
2.1.3晶闸管的基本特性
晶闸管有静态特性和动态特性两种。
晶闸管的阳极电压与阳极电流的关系，称为晶闸管的伏安特性，如图所示。
图2.3晶闸管的特性曲线
晶闸管的阳极与阴极间加上正向电压时，在晶闸管控制极开路（Ig=0）情况下，开始元件中有很小的电流（称为正向漏电流）流过，晶闸管阳极与阴极间表现出很大的电阻，处于截止状态（称为正向阻断状态），简称断态。
当阳极电压上升到某一数值时，正向电压超过正向转折电压Ubo，则漏电流急剧增大，器件开通，晶闸管突然由阻断状态转化为导通状态，简称通态。
阳极这时的电压称为断态不重复峰值电压（UDSM），或称正向转折电压（UBO）。
导通后，元件中流过较大的电流，其值主要由限流电阻决定。
在减小阳极电源电压或增加负载电阻时，阳极电流随之减小，当阳极电流小于维持电流IH时，晶闸管便从导通状态转化为阻断状态。
当晶闸管控制极流过正向电流Ig时，晶闸管的正向转折电压降低，Ig越大，转折电压越小，当Ig足够大时，晶闸管正向转折电压很小，一加上正向阳极电压，晶闸管就导通。
在晶闸管阳极与阴极间加上反向电压时，开始晶闸管处于反向阻断状态，只有很小的反向漏电流流过。
当反向电压增大到某一数值时，反向漏电流急剧增大，这时，所对应的电压称为反向不重复峰值电压（URSM），或称反向转折（击穿）电压（UBR）。
当反向电压达到反向击穿电压后，可能导致晶闸管发热损坏。
晶闸管正常工作时的特性为承受反向电压时，不论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通；承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情况下晶闸管才能开通。
动态特性：
图2.4晶闸管的动态特性曲线
晶闸管的动态特性，晶闸管开通与关断过程中的伏安特性变化关系称为晶闸管的动态特性，由于晶闸管开通与关断过程的物理机理比较复杂，在此仅作简要介绍。
晶闸管开通与关断过程的波形，开通过程描述的是使门极在坐标原点时刻开始受到理想阶跃电流触发的情况；而关断过程描述的是对已导通的晶闸管，外电路所加电压在某一时刻突然由正向变为反向的情况。
由于晶闸管内部的正反馈过程需要时间，再加上外部电路电感的限制，晶闸管触发后阳极电流增长需要一个过程。
从门极电流阶跃时刻开始至阳极电流上升到稳定值的10%，这段时间称为延迟时间td，此时晶闸管的正向电压也同步减小。
阳极电流从10%上升到稳态值的90%所需的时间称为上升时间tr，开通时间tgt即定义为两者之和。
原处于导通状态的晶闸管，当外加电压突然反向时，由于外电路电感的存在，其阳极电流的衰减也需要一个过程。
与二极管反向恢复过程类似未晶闸管关断过程也会出现反向恢复电流，经过最大值IRM后再反方向衰减。
在恢复电流快速衰减时，由于外电路电感的作用，会在晶闸管两端引起反向的尖峰电压URRM。
从正向电流降为零到反向恢复电流衰减至接近于零的时问称为反向阻断恢复时问。
反向恢复过程结束后，由于载流子复合过程比较慢，晶闸管要恢复其对正向电压的阻断能力还需要一段时间。
在正向阻断恢复时间内，如果重新对晶闸管施加正向电压，晶闸管会重新正向导通而不受门极控制。
在实际应用中，应对品闸管施加足够长时间的反向电压，使晶闸管充分恢复其对正向电压的阻断能力，如此电路才能可靠工作。
晶闸管的关断时间tq定义为trr与tgr之和。
普通品闸管的关断时间约几百微秒，这是施加反向电压时间设计的依据。
2.1.4晶闸管的主要参数
为了正确选用晶闸管元件，必须要了解它的主要参数，一般在产品的目录上都给出了参数的平均值或极限值，产品合格证上标有元件的实测数据。
（1）断态重复峰值电压UDRM，在控制极断路和晶闸管正向阻断的条件下，可以重复加在晶闸管两端的正向峰值电压，其数值比正向转折电压小100V。
（2）反向重复峰值电压URRM，在控制极断路时，可以重复加在晶闸管元件上反向峰值电压，此电压数值规定比反向击穿电压小100V。
通常把UDRM与URRM中较小的一个数值标作器件型号上的额定电压。
由于瞬时过电压也会使晶闸管遭到破坏，因而在选用的时候，额定电压一个应该为正常工作峰值电压的2～3倍，作为安全系数。
（3）额定通态平均电流（额定正向平均电流）IT，在环境温度不大于40°C和标准散热即全导通的条件下，晶闸管元件可以连续通过的工频正弦半波电流（在一个周期内）的平均值，称为额定通态平均电流IT，简称额定电流。
擎住电流IL，是晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号后，能维持导通所需的最小电流。
对同一晶闸管来说，通常IL约为IH的2〜4倍。
浪涌电流ITSM，指由电路异常情况引起的并使结温超过额定结温的不重复星最大正向过载电流。
（4）维持电流IH，在规定的环境温度和控制极断路的条件下，维持元件继续导通的最小电流称为维持电流IH。
一般为几十毫安～一百多毫安，其数值与元件的温度成反比，在120°C时维持电流约为25°C时的一半。
当晶闸管的正向电流小于这个电流时，晶闸管将自动关断。
（5）动态参数
除开通时间tgt和关断时间tq外，还有：
断态电压临界上升率du/dt，它指在额定结温和门极开路的情况下，不导致晶闸管从断态到通态转换的外加电压最大上升率。
电压上升率过大，使充电电流足够大，就会使晶闸管误导通。
通态电流临界上升率di/dt，指在规这条件下，晶闸管能承受而无有害影响的最大通态电流上升率，如果电流上升太快，可能造成局部过热而使晶闸行损坏。
2.2主电路的选取方案
三相可控整流电路有三相半波可控整流电路，三相半控桥式整流电路，三相全控桥式整流电路。
因为三相整流裝置三相平衡的，输出的直流电压和电流脉动小，对电网影响小，同时三相可控整流电路的控制量可以很大，输出电压脉动较小，易滤波，控制滞后时间短，因此在工业中几乎都是采用三相可控整流电路。
在电子设备中有时也会遇到功率较大的电源，例如几百瓦甚至超过1—2kw的电源，这时为了提高变压器的利用率，减小波纹系数，也常采用三相整流电路。
另外由于三相半波可控整流电路的主要缺点在于其变压器一次侧电流中含有直流分量，为此在应用中较少。
而采用三相桥式全控整流电路，可以有效的避免直流磁化作用。
虽然三相桥式全控整流电路的晶闸管的数目比三相半波可控整流电路的多，但是三相桥式全控整流电路的输出电流波形更为平直，当电感足够大时，负载电流波形可以近似为一条水平线。
三相桥式全控整流电路对每个导电回路进行控制，无须用续流二极管，也不会出现失控现象，负载形式多样，整流效果好，波形平稳，应用广泛。
变压器二次绕组中，正负两个半周电流方向相反且波形对称，平均值为零，即直流分量为零，不存在变压器直流磁化问题，故绕组和铁心利用率高，变压器的利用率也高。
所以被广泛应用在大功率直流电动机可调速系统，以及对整流的各项指标要求较高的整流装置上。
2.3三相桥式全控整流电路的工作原理
三相桥式全控整流电路是电力电子技术中最为重要，也是应用得最为广泛的电路，不仅应用于一般工业领域，也广泛应用于交通运输、电力系统、通信系统、能源系统及其他领域。
因此，对三相桥式全控整流电路的相关参数和不同性质负载的工作情况进行对比分析与研究具有一定的现实意义，这不仅是习电力电子电路理论学的重要一环，而且对工程实践的实际应用具有预测和指导作用。
图2.5三相桥式全控整流电路原理图
三相桥式全控整流电路，共阴极组——阴极连接在一起的3个晶闸管（VT1，VT3，VT5）共阳极组一—阳极连接在一起的3个晶闸管（VT4,VT6,VT2）。
按如图所示的连接方式则可使晶闸管按从1至6的顺序导通。
2.3.1带纯电阻负载时的工作情况
假设将电路中的晶闸管换作二极管进行分析，此时，对于共阴极组的三个晶闸管，阳极所接交流电压值最大的一个导通，对于共阳极组的三个晶闸管，阴极所接交流电压值最低（或者说负得最多）的导通。
这样，任意时刻共阳极组和共阴极组中各有一个晶闸行处于导通状态。
（1）α=0°时的情况
图2.6三相桥式全控整流电路带电阻负载α=0°时的波形图
此时，各晶闸管均在自然换相点出换相。
由图中变压器二次侧绕组相电压与线电压波形关系可以看出，各自然换相点既是相电压交点，也是线电压交点。
所以即可从相电压分析也可从线电压分析。
从相电压波形看，共阴极组晶闸管导通时，以变压器二次侧的的中点n为参考点，整流输出电压Udl为相电压在正半周的包络线；共阳极组导通时，整流输出电压Ud2为相电压在负半周的包络线，Ud=Ud1-Ud2是两者的差值，将其对应到线电压波形上，即为线电压在正半周的包络线。
直接从线电压波形看，由于共阴极组中处于通态的晶闸管对应的是最大的相电压，而共阳极组中处于通态的晶闸管对应的是最小的相电压，输出整流电压Ud为这两个相电压相减，是线电压中最大的一个，因此输出整流电压Ud的波形为线电压在正半周期的包络线。
将波形中的一个周期等分为6段，每段为60度，如图2.6所示，每一段中导通的晶闸管及输出整流电压的情况如表2.1所示。
由该表可见，6个晶闸管的导通顺序为VT1－VT2－VT3－VT4－VT5－VT6。
表2.1晶闸管导通情况
时段
1
2
3
4
5
6
共阴极组中导通的晶闸管
VT1
VT1
VT3
VT3
VT5
VT5
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