1单相桥式整流电路设计单相桥式整流电路可分为单相桥式相控整流电路和单相桥式半控整流电路， 它们所连接的负载性质不同就会有不同的特点。下面分析两种单相桥式整流电路 在带电感性负载的工作情况。单相半控整流电路的优点是：线路简单、调整方便。弱点是：输出电压脉动 冲大，负载电流脉冲大（电阻性负载时），且整流变压器二次绕组中存在直流分 量,使铁心磁化，变压器不能充分利用。而单相全控式整流电路具有输出电流脉 动小，功率因数高，变压器二次电流为两个等大反向的半波，没有直流磁化问题， 变压器利用率高的优点。单相全控式整流电路其输出平均电压是半波整流电路2倍，在相同的负载下 流过晶闸管的平均电流减小一半；且功率因数提高了一半。单相半波相控整流电路因其性能较差，实际中很少采用，在中小功率场合采 用更多的是单相全控桥式整流电路。根据以上的比较分析因此选择的方案为单相全控桥式整流电路（负载为阻感 性负载）。元器件的选择晶闸管的介绍【晶管又称为晶体闸流管，可控硅整流（Silicon Con trolled Rectifier-SCR），开辟了电力电子技术迅速发展和广泛应用的崭新时代；20世 纪80年代以来，开始被性能更好的全控型器件取代。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1） 晶闸管的结构晶闸管是大功率器件，工作时产生大量的热，因此必须安装散热器。 晶闸管有螺栓型和平板型两种封装引出阳极A、阴极K和门极（或称栅极）G三个联接端。对于螺栓型封装，通常螺栓是其阳极，能与散热器紧密联接且安装方便 平板型封装的晶闸管可由两个散热器将其夹在中间内部结构：四层三个结如图图晶闸管的外形、内部结构、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2）晶闸管的工作原理图c)d)晶闸管由四层半导体（P、N、P、N ）组成，形成三个结J （PN ）、J （NP ）、112 2 1112 12J（PN），并分别从P、P、N引入A、G、K三个电极，如图（左）所示。由于具32 2122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（右）所示的两个12-P -N ）组成的等效电路。2 一晶闸管的驱动过程更多的是称为触发，产生注入门极的触发电流I的电路G称为门极触发电路。也正是由于能过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。其他几种可能导通的情况： 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：光控晶闸管只有门极触发是最精确、迅速而可靠的控制手段。可关断晶闸管可关断晶闸管简称GTO。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。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GTO元胞的阴极和门极在器 件内部并联在一起，使器件的功率可以到达相当大的数值。1）可关断晶闸管的工作原理GTO的导通机理与SCR是完全一样的。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 管那样处于深饱和状态，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是不同的。门极加负脉冲即从门极抽出电流（即 抽出饱和导通时储存的大量载流子），强烈正反馈使器件退出饱和而关断。晶闸管的派生器件在晶闸管的家族中，除了最常用的普通型晶闸管之外，根据不同的的实际需 要，珩生出了一系列的派生器件，主要有快速晶闸管（FST）、双向晶闸管（TRIAL）、 可关断晶闸管（GTO）、逆导晶闸管、（RCT）和光控晶闸管。可关断晶闸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 我们选择可关断晶闸管。整流电路我们知道，单相整流器的电路形式是各种各样的，整流的结构也是比较多的。因此在做设计之前我们主要考虑了以下几种方案: 方案1：单相桥式半控整流电路电路简图如下：图单相桥式半控整流电路 对每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！如果不加续流二极管，当a突然增大至180或出发脉冲丢失 时，由于电感储能不经变压器二次绕组释放，只是消耗在负载电阻上，会发生一 个晶闸管导通而两个二极管轮流导通的情况，这使ud成为正弦半波，即半周期 ud为正弦，另外半周期为ud为零，其平均值保持稳定，相当于单相半波不可控 整流电路时的波形，即为失控。所以必须加续流二极管，以免发生失控现象。方案2：单相桥式全控整流电路电路简图如下：图单相桥式全控整流电路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。方案3：单相半波可控整流电路电路简图如下:LR图单相半波可控整流电路此电路只需要一个可控器件，电路比较简单，VT的a移相范围为180。但输出脉动大，变压器二次侧电流中含直流分量，造成变压器铁芯直流磁化。为 使变压器铁心不饱和，需增大铁心截面积，增大了设备的容量。实际上很少应用 此种电路。方案4：单相全波可控整流电路:图单相全波可控整流电路%此电路变压器是带中心抽头的，结构比较复杂，只要用2个可控器件，单相 全波只用2个晶闸管，比单相全控桥少2个，因此少了一个管压降，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。不存在 直流磁化的问题，适用于输出低压的场合作电流脉冲大（电阻性负载时），且 整流变压器二次绕组中存在直流分量，使铁心磁化，变压器不能充分利用。而单 相全控式整流电路具有输出电流脉动小，功率因数高，变压器二次电流为两个等 大反向的半波，没有直流磁化问题，变压器利用率高的优点。相同的负载下流过 晶闸管的平单相全控式整流电路其输出平均电压是半波整流电路2倍，在均电流 减小一半；且功率因数提高了一半。根据以上的比较分析因此选择的方案为单相全控桥式整流电路（负载为阻感性负 载）。综上所述，针对他们的优缺点，我们采用方案二，即单相桥式全控整流电 路。主电路设计b)图主电路工作波形图电路如图和图所示。为便于讨论，假设电路已工作于稳态。(1)工作原理在电源电压u正半周期间，VT1、VT2承受正向电压，若在t 时触发，2VT1、VT2导通，电流经VT1、负载、VT2和T二次侧形成回路，但由于大电感的存在，u过零变负时，电感上的感应电动势使VT1、VT2继续导通，直到VT3、2VT4被触发导通时，VT1、VT2承受反相电压而截止。输出电压的波形出现了负值 部分。在电源电压u负半周期间，晶闸管VT3、VT4承受正向电压，在t =兀+时2触发，VT3、VT4导通，VT1、VT2受反相电压截止，负载电流从VT1、VT2中换流至VT3、VT4中在et = 2兀时，电压u过零，VT3、VT4因电感中的感应电动势一2直导通，直到下个周期VT1、VT2导通时，VT3、VT4因加反向电压才截止。 值得注意的是，只有当时a 2，负载 电流不连续，而且输出电压的平均值均接近零，因此这种电路控制角的移相范围整流电路参数计算1. 在阻感负载下电流连续，整流输出电压的平均值为(2-1)_2 2U = J+a*：2U sin td ( t) = U cos a= 0.9U cos a d 兀a2兀 22由设计任务有电感L = 700mH，电阻R = 5000 , U二220V，则输出电压2 平均值U的最大值可由下式可求得。dU 二 0.9U cos0 二 0.9 X 220 x 1 二 198V(2-2)d2可见，当a在0兀/2范围内变化时，整流器可在0198V范围内取值。2. 整流输出电压有效值为U = 1：丄i K+a (41U sint)2d(t)二 U 二 220V(2-3)兀a22U 198 UI d d500 +(2 x 3Rb+5(2x 0L7)3. 整流输出电流平均值为：UdR + (2兀 fL)=0.3625A = 3625mA= 0.3625A = 362.5m-4)5002 + (2X3.14X50X0.7)24. 在一个周期内每组晶闸管各导通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I和有效值I相等，其波形系数为1。d流过每个晶闸管的电流平均值与有效值分别为：I -豎 I - I - -1 - 0.5 x 0.3625A - 0.18125A - 181.25mA(2-5)dT 2 兀 d2 兀 d 2 d-岛IT2兀d咅 Id -gx0.3625A-0.25636A-256.36mA(2-6)5、晶闸管在导通时管压降u =0,故其波形为与横轴重合的直线段；VT1和VT2加 T正向电压但触发脉冲没到时，VT3、VT4已导通，把整个电压u加到VT1或VT2 2上，则每个元件承受的最大可能的正向电压等于2U ； VT1和VT2反向截止时 2漏电流为零，只要另一组晶闸管导通，也就把整个电压u 2加到VT1或VT2上，故两个晶闸管承受的最大反向电压也为J2U。22 辅助电路的设计驱动电路的设计触发电路的论证与选择1) 单结晶体管的工作原理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b和b。在硅片中间略偏b 一侧用合金法制作一个P1 2 2区作为发射极e。其结构，符号和等效电路如图所示。O I立bl图单结晶体管2) 单结晶体管的特性从图一可以看出，两基极b和b之间的电阻称为基极电阻。12Rb =rb +rbb12式中：Rb第一基极与发射结之间的电阻，其数值随发射极电流i而变1e化，rb为第二基极与发射结之间的电阻，其数值与i无关；发射结是PN结，与 2e二极管等效。若在两面三刀基极b, b间加上正电压Vb，则A点电压为：21bV 二rb / (rb +rb ) vb = (rb /rb ) vb = nVbA112b1 bbb式中：n称为分压比，其值一般在一之间，如果发射极电压v由零逐E渐增加，就可测得单结晶体管的伏安特性，见图：图单结晶体管的伏安特性(1) 当vnVb时，发射结处于反向偏置，管子截止，发射极只有很小的eb漏电流I。ceo(2) 当V三nVb+VD VD为二极管正向压降(约为)，PN结正向导通，I显ebe著增加，rb阻值迅速减小，V