单相桥式整流电路设计

《电力电子技术》课程设计任务书

一、设计课题一

单相桥式整流电路设计

二、设计要求

1、单相桥式相控整流得设计要求为:

负载为感性负载,L=600H,R=500欧姆、

2、技术要求:

(1)、电网供电电压为单相220V;

(2)、电网电压波动为+5%－-10%;

(3)、输出电压为0～200V

在整个设计中要注意培养灵活运用所学得电力电子技术知识与创造性得思维方式以及创造能力要求具体电路方案得选择必须有论证说明,要说明其有哪些特点。主电路具体电路元器件得选择应有计算与说明。课程设计从确定方案到整个系统得设计,必须在检索、阅读及分析研究大量得相关文献得基础上,经过剖析、提炼,设计出所要求得电路(或装置)。课程设计中要不断提出问题,并给出这些问题得解决方法与自己得研究体会。

在整个设计中要注意培养独立分析与独立解决问题得能力

前言

随着科学技术得日益发展,人们对电路得要求也越来越高,由于在生产实际中需要大小可调得直流电源,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、小各种容量得直流电能,就是目前获得直流电能得主要方法,得到了广泛应用。但就是晶杂管相控整流电路中随着触发角α得增大,电流中谐波分量相应增大,因此功率因素很低。把逆变电路中得SPWM控制技术用于整流电路,就构成了PWM整流电路。通过对PWM整流电路得适当控制,可以使其输入电流非常接近正弦波,且与输入电压同相位,功率因素近似为1。这种整流电路称为高功率因素整流器,它具有广泛得应用前景

第1章方案得选择

单相桥式整流电路可分为单相桥式相控整流电路与单相桥式半控整流电路,它们所连接得负载性质不同就会有不同得特点。下面分析两种单相桥式整流电路在带电感性负载得工作情况。

单相半控整流电路得优点就是:线路简单、调整方便。弱点就是: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得半波,没有直流磁化问题,变压器利用率高得优点。

单相全控式整流电路其输出平均电压就是半波整流电路2倍,在相同得负载下流过晶闸管得平均电流减小一半;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得就是单相全控桥式整流电路。

根据以上得比较分析因此选择得方案为单相全控桥式整流电路(负载为阻感性负载)。

1、1元器件得选择

1.1.1晶闸管得介绍

1)晶闸管得结构

晶闸管就是大功率器件,工作时产生大量得热,因此必须安装散热器。

晶闸管有螺栓型与平板型两种封装

引出阳极A、阴极K与门极(或称栅极)G三个联接端。

对于螺栓型封装,通常螺栓就是其阳极,能与散热器紧密联接且安装方便

平板型封装得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1、1

2.晶闸管得工作原理图

晶闸管由四层半导体(P

1、N

1

、P

2

、N

2

)组成,形成三个结J

1

(P

1

N

1

)、J

2

(N

1

P

2

)、

J 3(P

2

N

2

),并分别从P

1

、P

2

、N

2

引入A、G、K三个电极,如图1、2(左)所示。由于具

有扩散工艺,具有三结四层结构得普通晶闸管可以等效成如图1、2(右)所示得两

个晶闸管T

1(P

1

-N

1-

P

2

)与(N

1

-P

2

-N

2

)组成得等效电路。

1.1.2 可关断晶闸管

可关断晶闸管简称GTO。

可关断晶闸管得结构

GTO得内部结构与普通晶闸管相同,都就是PNPN四层结构,外部引出阳极Ａ、阴极Ｋ与门极Ｇ如图1、3。与普通晶闸管不同, GTO就是一种多元胞得功率集成器件,内部包含十个甚至数百个共阳极得小GTO元胞,这些GTO元胞得阴极与门极在器件内部并联在一起,使器件得功率可以到达相当大得数值。

1)可关断晶闸管得工作原理

GTO得导通机理与SCR就是完全一样得。 GTO一旦导通之后,门极信号就是可以撤除得,在制作时采用特殊得工艺使管子导通后处于临界饱与,而不像普通晶闸管那样处于深饱与状态,这样可以用门极负脉冲电流破坏临界饱与状态使其关断。 GTO在关断机理上与SCR就是不同得。门极加负脉冲即从门极抽出电流(即抽出饱与导通时储存得大量载流子),强烈正反馈使器件退出饱与而关断。

1.1.3 晶闸管得派生器件

在晶闸管得家族中,除了最常用得普通型晶闸管之外,根据不同得得实际需要,珩生出了一系列得派生器件,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)与光控晶闸管。

可关断晶闸管具有普通晶闸管得全部优点,如耐压高,电流大等。同时它又就是全控型器件,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。

1、2整流电路

我们知道,单相整流器得电路形式就是各种各样得,整流得结构也就是比较多得。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

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α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,只就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得情况,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得波形,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 1、5

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,变压器得利用率也高。

综上所述,针对她们得优缺点,我们采用方案二,即单相桥式全控整流电路。

第2章辅助电路得设计

2、1驱动电路得设计

2.1.1触发电路得论证与选择

1)单结晶体管得工作原理

单结晶体管原理单结晶体管(简称UJT)又称基极二极管,它就是一种只有PN 结与两个电阻接触电极得半导体器件,它得基片为条状得高阻N型硅片,两端分

别用欧姆接触引出两个基极b

1与b

2

。在硅片中间略偏b

2

一侧用合金法制作一个P

区作为发射极e。其结构,符号与等效电如图2、1所示。

2)单结晶体管得特性

从图一可以瞧出,两基极b

1与b

2

之间得电阻称为基极电阻。

Rb

b =rb

1

+rb

2

式中:Rb

1——第一基极与发射结之间得电阻,其数值随发射极电流i

e

而变

化,rb

2为第二基极与发射结之间得电阻,其数值与i

e

无关;发射结就是PN结,与二

极管等效。

若在两面三刀基极b

2,b

1

间加上正电压Vb

b

,则A点电压为:

V A =[rb

1

/(rb

1

+rb

2

)]vb

b

=(rb

1

/rb

b

)vb

b

=ηVb

b

式中:η——称为分压比,其值一般在0、3—0、85之间,如果发射极电压V

E 由零逐渐增加,就可测得单结晶体管得伏安特性,见图2、2:

(1)当V e〈ηVb b时,发射结处于反向偏置,管子截止,发射极只有很小得漏电流

I

ceo

。

(2)当V

e ≥ηVb

b

+VD VD为二极管正向压降(约为0、7V),PN结正向导通,I

e

显

著增加,rb

1阻值迅速减小,V

e

相应下降,这种电压随电流增加反而下降得特性,称

为负阻特性。管子由截止区进入负阻区得临界P称为峰点,与其对应得发射极电

压与电流,分别称为峰点电压I

p 与峰点电流I

p

。I

p

就是正向漏电流,它就是使单结

晶体管导通所需得最小电流,显然V

p =ηVb

b

。

(3)随着发射极电流I

e 得不断上升,V

e

不断下降,降到V点后,V

e

不再下降了,

这点V称为谷点,与其对应得发射极电压与电流,称为谷点电压V

v 与谷点电流I

v

。

(4)过了V后,发射极与第一基极间半导体内得载流子达到了饱与状态,所以

u c 继续增加时,i

e

便缓慢得上升,显然V

v

就是维持单结晶体管导通得最小发射极电

压,如果V

e 〈V

v

,管子重新截止。

单结晶体管得主要参数

①基极间电阻Rb

b 发射极开路时,基极b

1

,b

2

之间得电阻,一般为2-10千欧,

其数值随温度得上升而增大。

②分压比η由管子内部结构决定得参数,一般为0、3--0、85。

③eb

1间反向电压Vcb

1

b

2

开路,在额定反向电压Vcb2下,基极b1与发射极e

之间得反向耐压。

④反向电流I

eo b

1

开路,在额定反向电压Vcb

2

下,eb

2

间得反向电流。

⑤发射极饱与压降V

eo 在最大发射极额定电流时,eb

1

间得压降。

⑥峰点电流I

p

单结晶体管刚开始导通时,发射极电压为峰点电压时得发射极电流。

2.1.2触发电路

晶闸管触发主要有移相触发、过零触发与脉冲列调制触发等。触发电路对其产生得触发脉冲要求:

①触发信号可为直流、交流或脉冲电压。

②触发信号应有足够得功率(触发电压与触发电流)。

③触发脉冲应有一定得宽度,脉冲得前沿尽可能陡,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触发脉冲必须与晶闸管得阳极电压同步,脉冲移相范围必须满足电路要求。

1)单结晶体管触发电路

电路图如图2、3(a)所示。

2)单结晶体管自激震荡电路

从图2、3(a)可知,经D

1-D

2

整流后得直流电源UZ一路径R2、R

1

加在单结晶

体管两个基极b

1、b

2

之间,另一路通过Re对电容C充电,发射极电压u

e

=u

c

按指数

规律上升。U

c 刚冲点到大于峰点转折电压U

p

得瞬间,管子e-b

1

间得电阻突然变小,

开始导通。电容C开始通过管子e-b

1迅速向R

1

放电,由于放电回路电阻很小,故

放电时间很短。随着电容C放电,电压U

e

小于一定值,管子BT又由导通转入截止,

然后电源又重新对电容C充电,上述过程不断重复。在电容上形成锯齿波震荡电

压,在R

1

上得到一系列前沿很陡得触发尖脉冲us, 如图2、3(b)所示其震荡频率为

f=1/T=1/R

e

CLn(1/1-η)

式中η=0、3～0、9就是单结晶体管得分压比。即调节R

e

,可调节振荡频率

2.1.3同步电源

步电压又变压器TB获得,而同步变压器与主电路接至同一电源,故同步电压

于主电压同相位、同频率。同步电压经桥式整流、稳压管D

Z 削波为梯形波u

DZ

,而

削波后得最大值U

Z 既就是同步信号,又就是触发电路电源、当U

DZ

过零时,电容C

)

1

ln(

η

C

R

T

e

经e-b

1、R

1

迅速放电到零电压、这就就是说,每半周开始,电容C都从零开始充电,

进而保证每周期触发电路送出第一个脉冲距离过零得时刻(即控制角α)一致,实现同步、

2.1.4移相控制

当R

e 增大时,单结晶体管发射极充电到峰点电压U

p

得时间增大,第一个脉冲

出现得时刻推迟,即控制角α增大,实现了移相。

2.1.5脉冲输出

触发脉冲u

g 由Ｒ

1

直接取出,这种方法简单、经济,但触发电路与主电路有直

接得电联系,不安全。对于晶闸管串联接法得全控桥电路无法工作。所以一般采用脉冲变压器输出。

2、2保护电路得设计

2.2.1 保护电路得论证与选择

电力电子系统在发生故障时可能会发生过流、过压,造成开关器件得永久性损坏。过流、过压保护包括器件保护与系统保护两个方面。检测开关器件得电流、电压,保护主电路中得开关器件,防止过流、过压损坏开关器件。当输出电压或输入电流超过允许值时,借助整流触发控制系统使整流桥短时内工作于有源逆变工作状态,从而抑制过电压或过电流得数值。

2.2.2过电流保护

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;均能引起装置或其她元件得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得过电流保护。

采用快速熔断器作过电流保护,其接线图(见图2、4)。

A型熔断器

特点:就是熔断器与每一个元件串连,能可靠得保护每一个元件。

B型熔断器

特点:能在交流、直流与元件短路时起保护作用,其可靠性稍有降低

C型熔断器

特点:直流负载侧有故障时动作,元件内部短路时不能起保护作用

对于第二类过流,即整流桥负载外电路发生短路而引起得过电流,则应当采用电子电路进行保护。常见得电子保护原理图如2、9所示

2、3 过压保护

设备在运行过程中,会受到由交流供电电网进入得操作过电压与雷击过电压

得侵袭。同时,设备自身运行中以及非正常运行中也有过电压出现。过电压保护得第一种方法就是并接R-C 阻容吸收回路,以及用压敏电阻或硒堆等非线性元件加以抑制。见图2、5与图2、6过电压保护得第二种方法就是采用电子电路进行保护。常见得电子保护原图如图2、7所示:

2、4 电流上升率、电压上升率得抑制保护

1) 电流上升率di/dt 得抑制 。如下图2、8所示: 2) 电压上升率dv/dt 得抑制 如图2、9所示:

第3章 主体电路得设计

3、1主要电路原理及说明

当负载由电阻与电感组成时称为阻感性负载。单相桥式整流电路带阻感性负载得电路如图5、1所示。由于电感储能,而且储能不能突变因此电感中得电流不能突变,即电感具有阻碍电流变化得作用。当流过电感中得电流变化时,在电感两端将产生感应电动势,引起电压降U L

负载中电感量得大小不同,整流电路得工作情况及输出U d 、i d 得波形具有不同 得特点。当负载电感量L 较小(即负载阻抗角φ),控制角α〉φ时,负载上得电流不连续;当电感L 增大时,负载上得电流不连续得可能性就会减小;当电感L 很大,且ωL d ﹥﹥R d 示时,这种负载称为大电感负载。此时大电感阻止负载中电流得变化,负载电流连续,可瞧作一条水平直线。各电量得波形图如图3、1所示。

在电源电压u 2 正半周期间, 晶闸管T 1 、T 2 承受正向电压,若在ωt=α时触发,T 1 、T 2 导通,电流经T 1 、负载、T 2 与T r 二次形成回路,但由于大电感得存在,u 2 过零变负时,电感上得感应电动势使T 1 、T 2 继续导通,直到T 3、T 4 被触发时,T 1 、T 2 承受反向电压而截止。输出电压得波形出现了负值部分。在电源电压u 2 负半周期间,晶闸管T 3、T 4 承受正向电压,在ωt=α+π时触发,T 3、T 4 导通,T 1 、T 2 反向则制,负载电流从T 1 、T 2 中换流至T 3、T 4中。在ωt=2π时,电压u 2过零,T 3、T 4因电感中得感应电动势一直导通,直到下个周期T 1 、T 2 导通时,T 3、T 4因加反向电压才截止。值得注意得就是,只有当α〈=π/2时,负载电流才连续,当α〉π/2时,负载电流不连续,而且输出电压得平均值均接近于零,因此这种电路控制角得移相范围就是0—π/2。

3、2电感负载可控整流电路

3.2.1 单相全控桥式整流电路

在生产实践中,除了电阻性负载外, 最常见得负载还有电感性负载, 如电动机得励磁绕组,整流电路中串入得滤波电抗器等。 为了便于分析与计算, 在电路图中将电阻与电感分开表示。 当整流电路带电感性负载时,整流工作得物理过程与电压、 电流波形都与带电阻性负载时不同。因为电感对电流得变化有阻碍作用,即电感元件中得电流

图 3、1

负载电流连续时,整流电压平均值可按下式计算:

输出电流波形因电感很大,平波效果很好而呈一条水平线。两组晶闸管轮流导电,一个周期中各导电180°, 且与α无关, 变压器二次绕组中电流i 2得波形就是对称得正、负方波。负载电流得平均值I d 与有效值I 相等,其波形系数为1。

在这种情况下:

当α=0°时,U d =0、9U 2;

当α=90°时,U d =0,其移相范围为90°。 晶闸管承受得最大正、反向电压都就是。 流过每个晶闸管得电流平均值与有效值分别

3、3主电路得设计

3.3.2原理图分析

该电路主要由四部分构成,分别为电源,过电保护电路,整流电路与触发电路构成。输入得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与负载。在电路中还加了防雷击得保护电路。然后将经变压与保护后得信号输入整流电路中。整流电路中得晶闸管在触发信号得作用下动作,以发挥整流电路得整流作用。3、4 主要元器件得说明

α

απ

ωωπα

πα

cos 9.0cos 2

2)(sin 21

222U U t td U U d ==

=

?+d d d V V d d d V dV I I I I I I I I 2

2

2221

22===

===πππθπππθ

由于单相桥式全控整流带电感性负载主电路主要元件就是晶闸管,所以选取元件时主要考虑晶闸管得参数及其选取原则。3.4.1晶闸管得主要参数如下: ①额定电压U Tn

通常取U DRM 与U RRM 中较小得,再取靠近标准得电压等级作为晶闸管型得额定电压。在选用管子时,额定电压应为正常工作峰值电压得2～3倍,以保证电路得工作安全。晶闸管得额定电压 {}RRM DRM Tn U U U ,m in =

U Tn ≥(2～3)U TM (3.4.1)

U TM :工作电路中加在管子上得最大瞬时电压 ②额定电流I T(AV)

I T(AV) 又称为额定通态平均电流。其定义就是在室温40°与规定得冷却条件下,元件在电阻性负载流过正弦半波、导通角不小于170°得电路中,结温不超过额定结温时,所允许得最大通态平均电流值。将此电流按晶闸管标准电流取相近得电流等级即为晶闸管得额定电流。要注意得就是若晶闸管得导通时间远小于正弦波得半个周期,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得极限,使管子由于过热而损坏。 在实际使用时不论流过管子得电流波形如何、导通角多大,只要其最大电流有效值I TM ≤ I Tn ,散热冷却符合规定,则晶闸管得发热、温升就能限制在允许得范围。I Tn :额定电流有效值,根据管子得I T(AV) 换算出, I T(AV) 、I TM I Tn 三者之间得关系:

Im 5.02Im/)()sin (Im 2/10

2===?π

ωωπt d t I Tn (3.4.2)

Im 318.0Im/)(sin Im 2/10

)(===?πωωππ

t td I AV T (3.4.3)

波形系数:有直流分量得电流波形,其有效值I 与平均值d I 之比称为该波形得波形系数,用K f 表示。 d

f I I

K =

(3.4.2) 额定状态下, 晶闸管得电流波形系数

57.12

)

(==

=

π

AV T Tn f I I K (3.4.6)

晶闸管承受最大电压为V V U U TM 236167222=?==

考虑到2倍裕量,取500V 、

晶闸管得选择原则:

Ⅰ、所选晶闸管电流有效值I Tn 大于元件 在电路中可能流过得最大电流有效值。

Ⅱ、 选择时考虑(1、5～2)倍得安全余量。即

I Tn ＝1、57 I T(AV) ＝(1、5～2)I TM

I T(AV)≥(1、5～2)

57

.1I

TM

(3.4.7)

因为I T =I/2

,则晶闸管得额定电流为()AV T I =12、5A(输出电流得有效

值为最小值,所以该额定电流也为最小值)考虑到2倍裕量,取25A 、即晶闸管得额定电流至少应大于25A 、在本次设计中我选用4个KP20-4得晶闸管、

Ⅲ、 若散热条件不符合规定要求时,则元件得额定电流应降低使用。 ③ 通态平均管压降 U T(AV) 。指在规定得工作温度条件下,使晶闸管导通得正弦波半个周期内阳极与阴极电压得平均值,一般在0、4～1、2V 。④ 维持电流I H 。指在常温门极开路时,晶闸管从较大得通态电流降到刚好能保持通态所需要得最小通态电流。一般I H 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I g 。在常温下,阳极电压为6V 时,使晶闸管能完全导通所需得门极电流,一般为毫安级。

⑥ 断态电压临界上升率du/dt 。在额定结温与门极开路得情况下,不会导致晶闸管从断态到通态转换得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,晶闸管能承受得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,有很大得电流集中在门极附近得小区域内,从而造成局部过热而损坏晶闸管。3.4.3 变压器得选取

根据参数计算可知:变压器应选变比为1、5,容量至少为22、5V ·A 。

3、5性能指标分析:

整流电路得性能常用两个技术指标来衡量:一个就是反映转换关系得用整流输出电压得平均值表示;另一个就是反映输出直流电压平滑程度得,称为纹波系数。1)整流输出电压平均值

d U =

()t td ωωπ

α

πα

sin U 21

2?+=

απ

cos 2

22U =αcos 9.02U (3.5.1)

2)纹波系数

纹波系数r K 用来表示直流输出电压中相对纹波电压得大小,即

d

d d Lr

r U U U U U K 2

22-==

、设计总结

通过单相全控桥式整流电路得设计,使我加深了对整流电路得理解,让我对电力电子该课程产生了浓烈得兴趣。

整流电路得设计方法多种多样,且根据负载得不同,又可以设计出很多不同得电路。其中单相全控桥式整流电路其负载我们用得多得主要就是电阻型、带大电感型,接反电动势型。它们各自有自己得优点。对于一个电路得设计,首先应该对它得理论知识很了解,这样才能设计出性能好得电路。整流电路中,开关器件得选择与触发电路得选择就是最关键得,开关器件与触发电路选择得好,对整流电路得性能指标影响很大。这次得课程设计就是我收获最大得一次,虽然中途遇到了不少困难,但还就是被我逐步解决了。通过这次课程设计我对于文档得编排格式有了一定得掌握,这对于以后得毕业设计及工作需要都有很大得帮助,在完成课程设计得同时我也在复习一遍电力电子这门课程,把以前一些没弄懂得问题这次弄明白了很多。

参考文献

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王兆安,黄俊、电力电子技术、第四版、北京:机械工业出版社,2000