1 前言前言前言前言 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。 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的主要方法,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。电力网供给用户的 是交流电，而在许多场合，例如电解、蓄电池的充电、直流电动机等，需要用直流 电。要得到直流电，除了直流发电机外，最普遍应用的是利用各种半导体元件产生 直流电。这个方法中，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。 由于电力电子技术是将电子技术和控制技术引入传统的电力技术领域，利用半 导体电力开关器件组成各种电力变换电路实现电能和变换和控制，而构成的一门完 整的学科。故其学习方法与电子技术和控制技术有很多相似之处，因此要学好这门 课就必须做好课程设计，因而我们进行了此次课程设计。又因为整流电路应用非常 广泛，而单相全控桥式晶闸管整流电路又有利于夯实基础，故我们将单结晶体管触 发的单相晶闸管全控整流电路这一课题作为这一课程的课程设计的课题。 2 目录目录目录目录 一、一、设计课题设计课题3 3 1.11.1 课程设计的内容课程设计的内容.3.3 1.21.2 设计条件设计条件.3.3 1.31.3 要求完成的主要任务要求完成的主要任务.3.3 二、二、设计方案的选择设计方案的选择44 2.12.1 单相桥式全控整流电路单相桥式全控整流电路.4.4 2.22.2 单相双半波可控整流电路单相双半波可控整流电路.4.4 2.32.3 具体供电方案具体供电方案.5.5 三、三、单相双半波晶闸管整流电路设计单相双半波晶闸管整流电路设计.6.6 3.13.1 总总电路原理电路原理框框图图66 3.23.2 晶闸管工作原理晶闸管工作原理66 3.33.3 参数的计算参数的计算8 8 主电路中各元件参数的计算主电路中各元件参数的计算.8.8 变压器的参数计算变压器的参数计算1010 3.43.4 元件的选择元件的选择1010 整流元件的选择整流元件的选择1010 保护电路保护电路的工作原理及元器件的选择的工作原理及元器件的选择1111 四、四、相控触发电路原理图及工作原理相控触发电路原理图及工作原理1313 4.14.1 相控触发芯片的选择相控触发芯片的选择1313 4.24.2 相控触发工作原理及电路原理图相控触发工作原理及电路原理图1414 五、单相双半波整流电路的五、单相双半波整流电路的 MATLABMATLAB 仿真实验仿真实验1515 5.15.1 MATLABMATLAB 软件介绍软件介绍.15.15 5 5.2.2 系统建模与参数设置系统建模与参数设置1515 模型的建立模型的建立.15.15 模型电路参数的设置模型电路参数的设置.15.15 模型电路的波形显示模型电路的波形显示.16.16 六、结论六、结论.20.20 七、参考文献七、参考文献.21.21 附录附录.22.22 附录附录.23.23 3 一、一、一、一、设计课题设计课题设计课题设计课题 单相双半波晶闸管整流电路的设计（反电势、电阻负载） 1.11.1课程设计的内容课程设计的内容 了解课程设计任务书所规定的设计内容； 查阅资料文献，了解所选题目的具体要求、国内外现状，熟悉实验装置的结构、 功能，看懂现有的技术、工程图纸（电气原理图、控制板原理图、电气接线 图） ； 在熟悉工作原理的基础上实现系统中各主要部分的功能； 总结实验数据，分析结果，得出结论，撰写5000 字以上的设计报告（包括 前言、目录、正文、结论、参考文献） 。 设计报告正文必须包括以下内容： 主电路选型; 主电路参数的计算：包括无源器件和有源器件的具体型号及设计参数，根 据工作条件考虑各项电气参数; 电路的驱动、保护原理设计：包括晶闸管、MOSFET 或IGBT 元件的驱动、 控制和保护电路; A3或A4 幅面的主电路图及触发电路图(或驱动电路图); 仿真：利用PSPICE 或Matlab/Simulink 仿真软件分析电路的工作过程。 1 1. .2 2设计条件：设计条件： 电源电压：交流100V/50Hz 输出功率：5000W 移相范围30o150o 反电势：E=70V 1.1.3 3要求完成的主要任务：要求完成的主要任务： 主电路设计 （包括整流元件定额的选择和计算等） ,讨论晶闸管电路对电网及 系统功率因数的影响。 触发电路设计。触发电路选型（可使用集成触发器） ，同步信号的产生等。 晶闸管的过电压保护与过电流保护电路设计，计算保护元件参数并选择保护 元件型号。 提供系统电路图纸不少于一张。 利用仿真软件分析电路的工作过程。 4 二、二、二、二、设计方案的选择设计方案的选择设计方案的选择设计方案的选择 2.1 单相桥式全控整流电路单相桥式全控整流电路 图 2-1 单相桥式全控整流电路图 此电路对每个导电回路进行控制，无须用续流二极管，也不会失控现象，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，变压器的利用率也高。并且单相桥式全控整流电路具有输出电流脉 动小，功率因素高的特点。但是，电路中需要四只晶闸管，且触发电路要分时触 发一对晶闸管，电路复杂，两两晶闸管导通的时间差用分立元件电路难以控制。 2.22.2 单相双半波可控整流电路单相双半波可控整流电路 图 2-2 单相双半波可控整流电路 单相双半波可控整流电路又称单相全波可控整流电路。此电路变压器是带中心 抽头的， 在 u2 正半周 T1 工作， 变压器二次绕组上半部分流过电流。 u2 负半周， VT2 工作，变压器二次绕组下半部分流过反方向的电流。单相全波可控整流电路的 U d 波形与单相全控桥的一样，交流输入端电流波形一样，变压器也不存在直流磁化的 问题。当接其他负载时，也有相同的结论。因此，单相全波与单相全控桥从直流输 + - V T1 V T2 V T3V T4 U1U2 + - + + - - U U1 1 U U2 2 U U2 2 + + + + - - - - + + - - E E R R u u0 0 + + - - i iD D1 1 i iD D2 2 i i0 0 V T1 V T2 5 入端或者从交流输入端看均是一致的。适用于输出低压的场合作电流脉冲大（电阻 性负载时）。 相比于单相全控整流电路，单相全波中变压器结构较复杂，材料的消耗多。单 相全波只用 2 个晶闸管，比单相全控桥少 2 个，相应地，门极驱动电路也少 2 个； 但是晶闸管承受的最大电压是单相全控桥的 2 倍。单相全波导电回路只含 1 个晶闸 管，比单相桥少 1 个，因而管压降也少 1 个。 在比较两者的电路结构的优缺点以后决定选用单相全波可控整流电路作为主 电路。 2.32.3 具体供电方案具体供电方案 变压器一次侧接入电源电压为：交流 100V/ 50Hz。变压器二次侧电压则根据已 知条件提供的参数计算。 6 三、三、三、三、单相双半波晶闸管整流电路设计单相双半波晶闸管整流电路设计单相双半波晶闸管整流电路设计单相双半波晶闸管整流电路设计 3.13.1 总总电路原理电路原理框框图图 图 3-1 总电路原理框图 该电路主要由四部分构成，分别为电源，过电保护电路，整流电路和触发电路 构成。输入的信号经变压器变压后通过过电保护电路，保证电路出现过载或短路故 障时，不至于伤害到晶闸管和负载。在电路中还加了防雷击的保护电路。然后将经 变压和保护后的信号输入整流电路中。 在电路中,过电保护部分我们分别选择的快速熔断器做过流保护,而过压保护则 采用 RC 电路。整流部分电路则是根据题目的要求，我们选择学过的单相全波整流 电路。该电路的结构和工作原理是利用晶闸管的开关特性实现将交流变为直流的功 能。单结晶体管直接触发电路的移相范围变化较大，而且由于是直接触发电路它的 结构比较简单。一方面是方便我们对设计电路中变压器型号的选择。 设计电路如图 2-2 单相双半波可控整流电路所示。 3.23.2 晶闸管工作原理晶闸管工作原理 图 3-2 晶闸管的内部结构和等效电路 7 晶闸管由四层半导体（P1、N1、P2、N2）组成，形成三个结 J1（P1N1） 、J2（N1P2）、 J3（P2N2） ，并分别从 P1、P2、N2引入 A、G、K 三个电极，如图 3-2(a)所示。由于具 有扩散工艺，具有三结四层结构的普通晶闸管可以等效成如图 3-2（b）所示的两个 晶闸管 T1（P1-N1-P2）和（N1-P2-N2）组成的等效电路。 一个 PNPN 四层结构的两端器件，可以看成电流放大系数分别为 1 和 2 的 211 PNP和 221 NPN晶体管， 其中 2 J结为共用集电结。 当器件加正向电压时。 正偏 1 J结 注入空穴经过 1 N区的输运，到达集电极结（ 2 J）空穴电流为 A I 1 ；而正偏的 3 J结 注入电子，经过 2 P区的输运到达 2 J结的电流为 K I 2 。由于 2 J结处于反向，通过 2 J 结的电流还包括自身的反向饱和电流 CO I。 由上图中的参数可以得到： 1 和 2 分别是晶体管 1 V和 2 V的共基极电流增益， 1CBO I和 2CBO I分别是 1 V和 2 V 的共基极漏电流。 晶闸管导通与关断两个状态是由阳极电压、阳极电流和门极电流共同决定的。 通常用伏安特性曲线来描述它们之间的关系，如图 3-3 所示。 图 3-3 晶闸管的伏安特性曲线 当晶闸管 AK V加正向电压时， 1 J和 3 J正偏， 2 J反偏，外加电压几乎全部降落在 2 J结上， 2 J结起到阻断电流的作用。随着 AK V的增大，只要 BOAK VV，通过阳极 电流 A I都很小，因而称此区域为正向阻断状态。当 AK V增大超过 BO V以后，阳极电 流突然增大，特性曲线过负阻过程瞬间变到低电压、大电流状态。晶闸管流过由负 载决定的通态电流 T I，器件压降为 1V 左右，特性曲线 CD 段对应的状态称为导通 状态。通常将 BO V及其所对应的 BO I称之为正向转折电压和转折电流。晶闸管导通后 )(1 21 212 + + = CBOCBOG A III I 8 能自身维持同态，从通态转换到断态，通常是不用门极信号而是由外部电路控制， 即只有当电流小到称为维持电流 H I的某一临界值以下，器件才能被关断。 当晶闸管处于断态（ BOAK VV）时，如果使得门极相对于阴极为正，给门极通 以电流 G I，那么晶闸管将在较低的电压下转折导通。转折电压 BO V以及转 电流 BO I都是 G I的函数， G I越大， BO V越小。如图 3 所示，晶闸管一旦导通后，即 使去除门极信号，器件仍然然导通。 当晶闸管的阳极相对于阴极为负，只要 ROAK VV， A I很小，且与 G I基本无关。 但反向电压很大时（ ROAK VV） ，通过晶闸管的反向漏电流急剧增大，表现出晶闸 管击穿，因此称 RO V为反向转折电压和转折电流。 3.33.3 参数的计算参数的计算 主电路中各元件参数的计算主电路中各元件参数的计算 单相全波整流带反电动势电阻负载电路如图 2-2 所示，波