单相双半波晶闸管整流电路设计(纯电阻负载)

《电力电子技术》课程设计任务书

一、设计课题目

单相双半波晶闸管整流电路设计（纯电阻负载）

二、设计要求

1、单相双半波晶闸管整流电路的设计要求为：

负载为阻性负载.

2、技术要求:

(1) 电网供电电压：交流100V/50Hz；

(2) 输出功率：500W；

(3) 移相范围：0°—180°；

在整个设计中要注意培养灵活运用所学的电力电子技术知识和创造性的思维方式以及创造能力要求具体电路方案的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的选择应有计算和说明。课程设计从确定方案到整个系统的设计，必须在检索、阅读及分析研究大量的相关文献的基础上，经过剖析、提炼，设计出所要求的电路（或装置）。课程设计中要不断提出问题，并给出这些问题的解决方法和自己的研究体会。

在整个设计中要注意培养独立分析和独立解决问题的能力。要求学生在教师的指导下，独力完成所设计的系统主电路、控制电路等详细的设计（包括计算和器件选型）。

课题设计的主要内容是供电方案的选定，主电路的设计，电路元件的选择，保护电路的选择，主电路的分析说明，主电路元器件的计算和选型，以及控制电路设计。报告最后给出所设计的主电路和控制电路标准电路图。

前述

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。

一、单相双半波晶闸管整流电路供电方案的选择

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。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。

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）。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。

具体供电方案

电源电压：交流100V/ 50Hz

单相双半波晶闸管整流电路主电路设计

1. 主电路原理图

单相全波整流电路如图(a)所示，波形图如图(b)所示。

图(a) 单相全波整流电路

图（b）单相全波整流电路及波形图

根据图中(b)可知，单相全波整流电路的输出电压与桥式整流电路的输出电压相同。

(1) 输出平均电压为：

(2)流过负载的平均电流为：

(3)二极管所承受的最大反向电压为：

(4)单相全波整流电路的脉动系数s与单相桥式整流电路相同：

在单相全波整流电路的变压器中，只有交流电流流过;而在半波和桥式整流电路中，均有直流分量流过。单相全波整流电路的总体性能优于单相半波和桥式整流电路，故广泛应用于直流电源中。

2. 变压器二次侧电压的计算

电源电压交流100/ 50Hz ，输出功率：500W ，移相范围：0° -180°。设R=1.25Ω ,α=0°

U d =25V

3．变压器一、二次侧电流的计算

P=Id2R Id=20A

U1/Ud=100/25 N1/N2=4/1 I1=I d/4=5 A

4．变压器容量的计算

S=U

1i

1

=100×5=0.5kVA

5．变压器型号的选择

N1:N2=4：1 ; S=0.5kV A

三、电路元件的选择

整流元件的选择

由于单相双半波整流带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。

（1）整流元件中电压、电流最大值的计算

1).晶闸管的主要参数如下：

①额定电压U NVT

（1） 断态重复峰值电压U DRM

断态重复峰值电压是在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的峰值电压。

（2）反向重复峰值电压U RRM

反向重复峰值电压是在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的反向峰值电压。

通常取U DRM 和U RRM 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，额定电压要留有一定裕量，应为正常工作时晶闸管所承受峰值电压的2～3倍，以保证电路的工作安全。

晶闸管的额定电压 {}RRM DRM NVT U U U ,min =

U NVT ≥（2～3）22U 2 （3-1） U NVT ：工作电路中加在管子上的最大瞬时电压

U NVT =(2--3)22U 2=（141.4-212.1）V

通过晶闸管的电流的平均值I vT(AV) ②额定电流I NVT

I vt(AV)=I d /2=10A Im=πI Vt(AV)=31.4A （2）整流元件型号的选择

晶闸管的选择原则：

⒈所选晶闸管电流有效值I VT 大于元件在电路中可能流过的最大电流有效值。 2.选择时考虑（1.5～2）倍的安全裕量。即

VT NVT I I )2~5.1(≥/1.57=（19.1-25.5）A I NVT =20A 则晶闸管的额定电流为I NVT =20A. 在本次设计中选用2个KP20-2的晶闸管.

四、保护元件的选择

(1)变压器二次侧熔断器的选择

采用快速熔断器是电力电子装置中最有效、应用最广的一种过电流保护措施。在选择快熔时应考虑：

1）电压等级应根据熔断后快熔实际承受的电压来确定。

2）电流容量应按其在主电路中的接入方式和主电路联结形式确定。快熔一般与电力半导体器件串联连接，在小容量装置中也可串接于阀侧交流母线或直流母线中。

3）快熔的t

I2值、

I2值应小于被保护器件的允许t

4）为保证熔体在正常过载情况下不熔化，应考虑其时间电流特性。

因为晶闸管的额定电流为20A,快速熔断器的熔断电流大于1.5倍的晶闸管额定电流，所以快速熔断器的熔断电流为30A。

(2)晶闸管保护电路的选择

1)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；均能引起装置或其他元件的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的过电流保护。

2)过电压保护

设备在运行过程中，会受到由交流供电电网进入的操作过电压和雷击过电压的侵袭。同时，设备自身运行中以及非正常运行中也有过电压出现。因此，必须对电力电子装置进行适当的过电压保护。

(3)保护电路原理图及工作原理

图4.0 过流、过电压保护电路

五、单相双半波整流电路的相控触发器电路

（1）相控触发电路原理图及工作原理

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。触发电路对其产生的触发脉冲要求：

①触发信号可为直流、交流或脉冲电压。

②触发信号应有足够的功率（触发电压和触发电流）。

③触发脉冲应有一定的宽度，脉冲的前沿尽可能陡，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的阳极电压同步，脉冲移相范围必须满足电路要求。单结晶体管触发电路：

由单结晶体管构成的触发电路具有简单、可靠、抗干扰能力强、温度补偿性能好，脉冲前沿徒等优点，在容量小的晶闸管装置中得到了广泛应用。他由自激震荡、同步电源、移相、脉冲形成等部分组成，电路图如图5.0所示。

（2）相控触发芯片的选择

相控触发电路芯片选择KJ004集成触发电路芯片构成的集成触发器KJ004

可控硅移相电路可控硅移相触发电路适用于单相、三相全控桥式供电装置中,作可控硅的双路脉冲移相触发。器件输出两路相差180度的移相脉冲,可以方便地构成全控桥式触发器线路。电路具有输出负载能力大、移相性能好、正负半周脉冲相位均衡性好、移相范围宽、对同步电压要求低,有脉冲列调制输出端等功能与特点。

六、 单相双半波整流电路设计 总设计结果

（1） 晶闸管工作原理

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 1N 1）、J 2（N 1P 2）、J 3（P 2N 2），并分别从P 1、P 2、N 2引入A 、G 、K 三个电极，如图6.0(左)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6.0（右）所示的两个晶闸管T 1（P 1-N 1-P 2）和（N 1-P 2-N 2）组成的等效电路。

图6.0 晶闸管的内部结构和等效电路

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1α和2α的

211P N P 和221N P N 晶体管，其中2J 结为共用集电结。当器件加正向电压时。正偏

1J 结注入空穴经过1N 区的输运，到达集电极结（2J ）空穴电流为A I 1α；而正偏

的3J 结注入电子，经过2P 区的输运到达2J 结的电流为K I 2α。由于2J 结处于反向，通过2J 结的电流还包括自身的反向饱和电流CO I 。

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6.3所示。

图6.1 晶闸管的伏安特性曲线

当晶闸管AK V 加正向电压时，1J 和3J 正偏，2J 反偏，外加电压几乎全部降落在2J 结上，2J 结起到阻断电流的作用。随着AK V 的增大，只要BO AK V V <，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（BO AK V V <）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RO AK V V <，A I 很小，且与G I 基本无关。但反向电压很大时（RO AK V V ≈），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

V为反向转折电压和转折电流。

RO

（2）总电路的原理框图

系统原理方框图如图所示：

(3)总电路原理图

(4)总电路工作原理

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。整流电路中的晶闸管在触发信号的作用下动作，以发挥整流电路的整流作用。

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。这部分的选择主要考虑到电路的简单性，所以才这样的保护电路部分。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。触发电路是由设计题目而定的，题目要求了用单结晶体管直接触发电路。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。

(5)绘制输出波形(即Ud ,id 波形)

(6)绘制触发信号波形

总结：

通过单相双半波整流电路的设计，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厚的兴趣。

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。为以后深入的学习自动化专业做铺垫。

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颇大的帮助，在完成课程设计的同时我也在复习一遍电力电子技术这门课程，把以前一些没弄懂的问题基本掌握了。

参考文献：

王兆安黄俊编著电力电子技术（第四版）机械工业出版社

林渭勋编著电力电子电路浙江大学出版社

邵丙衡编著电力电子技术清华大学出版社

陈志明编著电力电子器件基础机械工业出版社