单相全控桥式晶闸管整流电路的设计(阻感负载)电力电子课程设计 2

绪 论

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。

第一章 理论分析及元件介绍

1.1方案比较及选择

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：单相桥式全控整流电路 电路简图如下：

图 1.1

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2：单相半波可控整流电路： 电路简图如下：

图 1.2

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。

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，我们采用方案一，即单相桥式全控整流电路。

1.2元器件介绍

1.2.1 晶闸管（SCR）的介绍

晶闸管（Thyristor）是晶体闸流管的简称，又可称做可控硅整流器，以前被简称为可控硅；1957年美国通用电器公司开发出世界上第一款晶闸管产品，并于1958年将其商业化；晶闸管是PNPN四层半导体结构，它有三个极：阳极，阴极和门极； 晶闸管具有硅整流器件的特性，能在高电压、大电流条件下工作，且其工作过程可以控制、被广泛应用于可控整流、交流调压、无触点电子开关、逆变及变频等电子电路中。

外形有螺栓型和平板型两种封装，引出阳极A、阴极K和门极（控制端）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。

图1.3 晶闸管的外形、结构和电气图形符号和模块外形

a)晶闸管类型b)内部结构c)电气图形符号

1.2.2 晶闸管的工作原理

在分析SCR的工作原理时，常将其等效为两个晶体管V1和V2串级而成。其工作过程如下：UGK>0→产生IG→V2通→产生IC2→V1通→IC1↗→IC2↗→出现强烈的正反馈，G极失去控制作用，V1和V2完全饱和，SCR饱和导通。

晶闸管导通后，即使去掉门极电流，仍能维持导通。

图1.4 晶闸管的双晶体管模型及其工作原理

a) 双晶体管模型 b) 工作原理

晶闸管基本工作特性归纳：

承受反向电压时(UAK <0)，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(即UAK >0，IGK >0才能开通)。

（1）晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用；

（2）要使晶闸管关断，只能使晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下 。 1.2.3 门极可关断晶闸管（GTO）的介绍

门极可关断晶闸管（Gate-Turn-Off Thyristor—GTO）也是晶闸管（Thyristor）的一种派生器件，但可以通过在门极施加负脉冲使其关断，因而属于全控型器件；它和普通晶闸管一样，也是PNPN四层结构，外部引出三个极，阳极，阴极和门极；工作条件同普通晶闸管；其主要用于兆瓦级以上的大功率场合。

图1.5 GTO的结构、等效电路和图形符号

1.2.4 可关断晶闸管的工作原理

可关断晶闸管也属于PNP四层三端结构，其等效电路与普通晶闸管相同。尽管它与普通晶闸管在结构和触发导通原埋上相同，但两者的关断原理及关断方式却截然不同。普通晶闸管导通后欲使其关断，必须使正向电流低于维持电流IH，或施加反问电压强迫关断。而可关断晶闸管导通后欲使其关断，只要在控制极上加负向触发脉冲即可。这种关断原理上的区别就在于晶闸管导通之后的饱和状态不同。普通晶闸管在导通之后即处于深饱和状态，而可关断晶闸管导通后只处于临界饱和状态，所以只要给控制极上加上负向触发信号即可关断。

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。

第二章 总体设计方案介绍

2.1总的设计方案

整个设计主要分为主电路、触发电路、保护电路三个部分。

电源 → 变压器→ 整流电路 →负载 ↓变压器→触发电路↑

2.2主电路的设计

2.2.1整流电路及波形图：

图2.1单相桥式全控整流电路

u

u 2 w t O d I d I d I d I d I d O i d O i V

1,4 O i T

V2,3 O T i 2 O u

V1,4 T O w t w t w t w t w t w t 图 2.2 单相全控桥式整流电路阻感负载时的电路及其波形

2.2.2工作原理：

在电源电压u2正半周期间，VT1、VT2承受正向电压，若在t时触发，VT1、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，

u2过零变负时，电感上的感应电动势使VT1、VT2继续导通，直到VT3、VT4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u2负半周期间，晶闸管VT3、VT4承受正向电压，在t时触发，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t2时，电压u2过零，VT3、VT4因电感中的感应电动势一直导通，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，负载电流id才连续，当时，负载

22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是02。

2.3保护电路的设计

2.3.1 保护电路的论证与选择

电力电子系统在发生故障时可能会发生过流、过压，造成开关器件的永久性损坏。过流、过压保护包括器件保护和系统保护两个方面。检测开关器件的电流、电压，保护主电路中的开关器件，防止过流、过压损坏开关器件。检测系统电源输入、输出及负载的电流、电压，实时保护系统，防止系统崩溃而造成事故。例如，R-C阻容吸收回路、限流电感、快速熔断器、压敏电阻或硒堆等。再一种则是采用电子保护电路，检测设备的输出电压或输入电流，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的数值。 2.3.2 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。采用快速熔断器作过电流保护，其接线图（见图2.3）。熔断器是最简单的过电流保护元件，但最普通的熔断器由于熔断特性不合适，很可能在晶闸管烧坏后熔断器还没有熔断，快速熔断器有较好的快速熔断特性，一旦发生过电流可及时熔断起到保护作用。最好的办法是晶闸管元件上直接串快熔，因流过快熔电流和晶闸管的电流相同，所以对元件的保护作用最好，这里就应用这一方法快熔抑制过电流电路图如下图所示：

图2.3 快速熔短器的接入方法

A型熔断器

特点：是熔断器与每一个元件串连，能可靠的保护每一个元件。 B型熔断器

特点：能在交流、直流和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的过电流，则应当采用电子电路进行保护。常见的电子保护原理图如2.4所示：

图2.4 过流保护原理图

在此我们采用容阻吸收回路，即采用快速熔断器的方法来进行过电流保护。 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I2t值应小于被保护器件的允许I2t值、

（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10A,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15A。

图2.5过电流保护

2.3.3 过电压保护电路

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。

过电压保护的第一种方法是并接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2.6和图2.7。

图2.6阻容三角抑制过电压 图2.7 压敏电阻过压

过电压保护的第二种方法是采用电子电路进行保护。常见的电子保护原图如图2.8所示：

图2.8 过电压保护电路

在此我们采用储能元件保护即阻容保护。 单相阻容保护的计算公式如下：

C6i0%S2U2 R2.3S2U2 （2.1）

UK% （2.2） i0%S:变压器每相平均计算容量（VA） U2：变压器副边相电压有效值 （V） i0%:变压器激磁电流百分值 Uk%：变压器的短路电压百分值。

当变压器的容量 在（10----1000）KVA里面取值时i0%=（4----10）在里面取值，Uk%=（5----10）里面取值。

电容C的单位为μF，电阻的单位为欧姆 电容C的交流耐压≥1.5Ue

Ue：正常工作时阻容两端交流电压有效值。

根据公式算得电容值为4.8μF,交流耐压为165V，电阻值为12.86Ω， 在设计中我们取电容为5μF，电阻值为13Ω。

图2.9晶闸管的过电压保护

3.4触发电路的设计

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）。

由闸管的门极伏安特性曲线可知，同一型号的晶闸管的门极伏安特性的分散性很大，所以规定晶闸管元件的门极阻值在某高阻和低阻之间，才可能算是合格的产品。晶闸管器件出厂时，所标注的门极触发电流Igt、门极触发电压U是指该型号的所有合格器件都能被触发导通的最小门极电流、电压值，所以在接近坐标原点处以触发脉冲应一定的宽度且脉冲前沿应尽可能陡。由于晶闸管的触发是有一个过程的，也就是晶闸管的导通需要一定的时间。只有当晶闸管的阳极电流即主回路电流上升到晶闸管的掣住电流以上时，晶闸管才能导通，所以触发信号应有足够的宽度才能保证被触发的晶闸管可靠的导通，对于电感性负载，脉冲的宽度要宽些，一般为0.5~1MS，相当于50HZ、18度电度角。为了可靠地、快速地触发大功率晶闸管，常常在 触发脉冲的前沿叠加上一个触发脉冲。 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。

触发脉冲的宽度要能维持到晶闸管彻底导通后才能撤掉，晶闸管对触发脉冲的

幅值要求是：在门极上施加的触发电压或触发电流应大于产品提出的数据，但也不能太大，以防止损坏其控制极，在有晶闸管串并联的场合，触发脉冲的前沿越陡越有利于晶闸管的同时触发导通。

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。 例如单相全控桥式整流电路带电阻性负载时，要求触发脉冲的移项范围是0度~180度，带大电感负载时，要求移项范围是0度~90度；三相半波可控整流电路电阻性负载时，要求移项范围是0度~90度。 ⑤触发脉冲与主电路电源必须同步。

为了使晶闸管在每一个周期都以相同的控制角被触发导通，触发脉冲必须与电源同步，两者的频率应该相同，而且要有固定的相位关系，以使每一周期都能在同样的相位上触发。触发电路同时受控于电压uc与同步电压us控制。

第三章 整流电路的参数计算与元件选取

3.1 整流电路参数计算

1）整流输出电压的平均值可按下式计算

Ud=

12U2sintdt=

22U2cos=0.9U2cos （3.1）

当α=0时，Ud取得最大值,即Ud= 0.9 U2。从U2=100可以而得出Ud=90V，α=90o

时，Ud=0。α角的移相范围为90o。 2）整流输出电压的有效值为

U12U2sintdt=U =100V （3.2）

223）整流电流的平均值和有效值分别为

IdUdU0.92cos （3.3） RdRdIUU2 （3.4） RdRd4)在一个周期内每组晶闸管各导通180°，两组轮流导通，变压器二次电流是正、负对称的方波，电流的平均值Id和有效值I相等，其波形系数为1。

流过每个晶闸管的电流平均值和有效值分别为：

IdVTT1IdIdId （3.5） 222IVTT1IdIdId （3.6） 2225)晶闸管在导通时管压降uT=0,故其波形为与横轴重合的直线段；VT1和VT2加正向电压但触发脉冲没到时，VT3、VT4已导通，把整个电压u2加到VT1或VT2上，则每个元件承受的最大可能的正向电压等于2U2;VT1和VT2反向截止时漏电流为零，只要另一组晶闸管导通，也就把整 个电压u2加到VT1或VT2上，故两个晶闸管承受的最大反向电压也为2U2。

3.2 元件选取

由于单相桥式全控整流带电感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).晶闸管的主要参数如下：

①额定电压UTn

通常取UDRM和URRM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，额定电压应为正常工作峰值电压的2～3倍，以保证电路的工作安全。

晶闸管的额定电压 UTnminUDRM,URRM

UTn ≥（2～3）UTM （3.7） UTM ：工作电路中加在管子上的最大瞬时电压 ②额定电流IT(AV)

IT(AV) 又称为额定通态平均电流。其定义是在室温40°和规定的冷却条件下，元件在电阻性负载流过正弦半波、导通角不小于170°的电路中，结温不超过额定结温时，所允许的最大通态平均电流值。将此电流按晶闸管标准电流取相近的电流等级即为晶闸管的额定电流。

要注意的是若晶闸管的导通时间远小于正弦波的半个周期，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的极限，使管子由于过热而损坏。

在实际使用时不论流过管子的电流波形如何、导通角多大，只要其最大电流有效值ITM ≤ ITn ,散热冷却符合规定，则晶闸管的发热、温升就能限制在允许的范围。

ITn ：额定电流有效值，根据管子的IT(AV) 换算出， IT(AV) 、ITM ITn 三者之间的关系： ITn1/2(Imsint)2d(t)02Im （3.8）

IT(AV)1/2Imsintd(t)0Im2 （3.9）

波形系数：有直流分量的电流波形，其有效值IT与平均值ITd之比称为该波形的波形系数，用Kf表示。

KfIT （3.10） ITd额定状态下， 晶闸管的电流波形系数 2ImIKfTn1.11 （3.11）

ImIT(AV)Ud=

1222U2cos=0.9U2cos （3.12） 2U2sintdt=

晶闸管承受最大电压为UTM2U22100V141V考虑到2倍裕量，取300V。

晶闸管的选择原则：

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

Ⅱ、 选择时考虑（1.5～2）倍的安全余量。即ITn ＝0.707IT(AV) ＝（1.5～2）ITM

ITM （3.13） 1.11因为ITI/2,则晶闸管的额定电流为ITAV=10A(输出电流的有效值为最小值，所IT(AV)(1.5~2)以该额定电流也为最小值)考虑到2倍裕量,取20A.即晶闸管的额定电流至少应大于20A. 在本次设计中我选用4个KP20-4的晶闸管.

Ⅲ、 若散热条件不符合规定要求时，则元件的额定电流应降低使用。 ③ 通态平均管压降 UT(AV) 。指在规定的工作温度条件下，使晶闸管导通的正弦波半个周期内阳极与阴极电压的平均值，一般在0.4～1.2V。

④ 维持电流IH 。指在常温门极开路时，晶闸管从较大的通态电流降到刚好能保持通态所需要的最小通态电流。一般IH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Ig 。在常温下，阳极电压为6V时，使晶闸管能完全导通所需的门极电流，一般为毫安级。

⑥ 断态电压临界上升率du/dt。在额定结温和门极开路的情况下，不会导致晶闸管从断态到通态转换的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，晶闸管能承受的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，有很大的电流集中在门极附近的小区域内，从而造成局部过热而损坏晶闸管。

3.3单相桥式整流电路的性能指标分析：

整流电路的性能常用两个技术指标来衡量：一个是反映转换关系的用整流输出电压的平均值表示；另一个是反映输出直流电压平滑程度的，称为纹波系数。 1)整流输出电压平均值

Ud=

12U2sintdt=

22U2cos=0.9U2cos （3.14）

2)纹波系数

纹波系数Kr用来表示直流输出电压中相对纹波电压的大小，即

22KULrU2UdrUdUd

3.15）

（

第四章 实验与仿真

4.1 仿真软件matlab介绍

MATLAB的名称源自Matrix Laboratory，它是一种科学计算软件，专门以矩阵的形式处理数据。MATLAB将高性能的数值计算和可视化集成在一起，并提供了大量的内置函数，从而被广泛地应用于科学计算、控制系统、信息处理等领域的分析、仿真和设计工作，而且利用MATLAB产品的开放式结构，可以非常容易地对MATLAB的功能进行扩充，从而在不断深化对问题认识的同时，不断完善MATLAB产品以提高产品自身的竞争能力。

Simulink是基于MATLAB的框图设计环境，可以用来对各种动态系统进行建模、分析和仿真，它的 建模范围广泛，可以针对任何能够用数学来描述的系统进行建模，例如航空航天动力学系统、卫星控制制导系统、通讯系统、船舶及汽车动力学系统等等，其中包括连续、离散，条件执行，事件驱动，单速率、多速率和混杂系统等等。Simulink提供了利用鼠标拖放的方法建立系统框图模型的图形界面，而且Simulink还提供了丰富的功能块以及不同的专业模块集合，利用Simulink几乎可以做到不书写一行代码完成整个动态系统的建模工作。

4.2 仿真模型

图4.1仿真电路

4.3 仿真波形及其分析

仿真结果如下：

图4.2 α=30°时各电流及电压波形

图4.3 α=60°时各电流及电压波形

图4.4 α=90°时各电流及电压波形

2 单相全控桥式整流电路阻感负载时的理论波形如下所示： O u d

O i

V1,4 O i T

V2,3 O T i 2

O u

V1,4 T O

O i d I d I I d I d d w t I d w t w t w t w t w t w t u

图4.5 理论波形

通过上述实验仿真与理论波形的比较，可知此设计基本符合设计要求。 仿真参数设置如下：

图4.6 对电阻、电感参数的设置 图4.7 对晶闸管参数的设置

图4.8 α=30°时对触发源参数的设置 图4.9 α=60°时对触发源参数的设置

图4.10 α=90°时对触发源参数的设置

第五章 心得体会

通过单相桥式全控整流电路的设计，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，碰到的难题就是对相关参数的计算，因为在学习中没能很好的系统的总结相关知识。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。为以后深入的学习专业知识做铺垫。

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

[1]、王兆安、黄俊主编、电力电子技术、机械工业出版社 [2]、陈志明主编、电力电子器件基础、机械工业出版社 [3]、林渭勋主编、电力电子电路、浙江大学出版社 [4]、苏玉刚、陈渝光主编、电力电子技术、重庆大学出版社 [5]、林辉、王辉主编、电力电子技术、武汉理工大学出版社