电力电子技术课程设计

电力电子技术

课程设计

题目:单相全控桥式整流电路的设计(反电势，电阻负载）院系名称：电气工程学院

专业班级：电气F1202

学生姓名：周旭东

学号：0903

指导教师：臧义

目录

前言 (2)

1.题目要求 (3)

设计条

件 (3)

主要任

务 (3)

2.主电路设计 (3)

主电路原理

图 (3)

主电路工作原

理 (4)

整流参数计

算 (4)

晶闸管元件的选

取 (5)

3.驱动电路设计 (7)

芯片介绍 (7)

相控触发工作原理及电路原理

图 (11)

4.保护电路设计 (12)

过电压保护电路设

计 (12)

过电流保护电路设

计 (12)

电流上升率、电压上升率的抑制保

护 (13)

仿真 (14)

系统建模与参数设

置 (14)

仿真结

果 (18)

设计心得 (23)

参考文献 (23)

附图 (24)

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学科。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。

本次课程设计主要是对单相全控桥式晶闸管整流电路的研究。首先是对单相全控桥式晶闸管整流电路的整体设计，包括主电路，触发电路，保护电路。主电路中包括电路参数的计算，器件的选型；触发电路中包括器件的选择，参数设计；保护电路包括过电压保护，过电流保护，电压上升率抑制，电流上升率抑制。之后对整体电路进行Matlab仿真，最后对仿真结果进行分析与总结。

1.题目要求

设计条件：

1）电源电压：交流100V/50Hz

2）输出功率：500W

3）移相范围30°~ 150°

4）反电势：E=70V

主要任务：

1）主电路设计（包括整理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。

2）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。 3）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。

4）提供系统电路图纸不少于一张。

5）利用仿真软件分析电路的工作过程。

2.主电路设计

主电路原理图

图单相全控桥式晶闸管整流电路

主电路工作原理

在单相桥式全控整流电路中（忽略主电路各部分电感），晶闸管VT 1和VT 4组成一对桥臂，VT 2和VT 3组成另一对桥臂。在u 2正半周（即a 点电位高于b 点电

位），若4个晶闸管均不导通，负载电流i d 为零，由于反电动势的存在，u d = E ，VT 1、VT 4串联承受电压u 2-E ，设VT 1和VT 4的漏电阻相等，则各承受u 2-E 的一半。

若在触发角α处给VT 1和VT 4加触发脉冲，且u 2 > E 时，VT 1和VT 4承受正压导通，

电流从电源a 端经VT 1、R 、VT 4流回电源b 端，此时u d = u 2。当u 2 = E 时，流经

晶闸管的电流下降到零，VT 1和VT 4关断。

在u 2负半周，仍在触发延迟角α处触发VT 2和VT 3（VT 2和VT 3的α= 0处为

ωt=π），VT 2和VT 3导通，电流从电源b 端流出，经VT 3、R 、VT 2流回电源a 端。

到u 2 = E 时，电流又降为零，VT 2和VT 3关断。此后又是VT 1和VT 4导通，如此循

环地工作下去，整流电压u d 和晶闸管VT 1、VT 4两端电压波形分别如图所示。

图 输出电压电流波形

如图，只有在u 2瞬时值的绝对值大于反电动势即|u 2| > E 时，才有晶闸管

承受正电压，才有导通的可能。晶闸管导通后，，R

E -u i d d =，直至 |u 2| = E ，i d 即降至0使得晶闸管关断，此后u d = E 。与电阻负载时相比，晶闸管提前了电角度δ停止导电，如图所示，δ称为停止导电角。2

U 2E arcsin =δ。 整流参数计算

最大输出电压平均值UdM

由2U 2E arcsin =δ得，停止导电角为?

当晶闸管导通时，输出电压u d = u 2，当u d < E 时，晶闸管阻断，此时u d =E 。

因此，最大输出电流平均值为：I dmax =P/U dm =500/=

负载电阻R

在一个周期内，瞬时功率分为两部分。一部分是当晶闸管阻断时，电流为零，瞬时功率为零；另一部分是当晶闸管导通时

由最大输出功率P=500W 得

R=(U dm -E)/I dmax =/=Ω。

最大输出电流平均值

=(U dM -E)/R=/=

最大输出电流有效值

流过晶闸管的电流有效值

流过晶闸管的电流平均值

晶闸管元件的选取

额定电压UN

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正向峰值电压。

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。

通态峰值电压U TM ：晶闸管通以某一规定倍数的额定通态平均电流时的瞬态

电压峰值。

通常取晶闸管的U DRM 和U RRM 中较小的标值作为该器件的额定电压。选用时，

额定电压要留一定裕量，一般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压的2~3倍。

不考虑晶闸管通态峰值电压U TM 和电路中电感引起的换相重叠角。晶闸管承受的最大反向电压为：V 4.141V 2100U 22==

故晶闸管的额定电压为：()V 2.424~8.282V 4.1413~2U N =?，取。

额定电流IN

通态平均电流I T （AV ）：国际规定通态平均电流为晶闸管在环境温度为40℃和

规定的冷却状态下，稳定结温不超过额定结温时所允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。这也是额定电流的参数。在选取时按照实际波形的电流与晶闸管所允许的最大正弦半波电流（其平均值即通态平均电流I T （AV ））所造成的发热效

应相等（及有效值相等）的原则来选取晶闸管的此项定额，并留一定的裕量。

同样不考虑晶闸管通态峰值电压U TM 和电路中电感引起的换相重叠角。晶闸

管流过的电流有效值最大为： I dmax =

晶闸管额定电流为：

I

N =（ ~ 2）I

dmax

=（ ~ ）A,所以取10A

晶闸管型号参数：

根据额定电压和额定电流，选取4个KP10。满足设计要求。

3.驱动电路的设计

对于使用晶闸管的电路，在晶闸管阳极加正向电压后，还必须在门极与阴极之间加触发电压，使晶闸管在需要导通的时刻可靠导通。驱动电路亦称触发电路。根据控制要求决定晶闸管的导通时刻，对变流装置的输出功率进行控制。触发电路是变流装置中的一个重要组成部分，变流装置是否能正常工作，与触发电路有直接关系，因此，正确合理地选择设计触发电路及其各项技术指标是保证晶闸管变流装置安全，可靠，经济运行的前提。

TCA785芯片介绍

TCA785是德国西门子(Siemens)公司于1988年前后开发的第三代晶闸管单片移相触发集成电路，它是取代TCA780及TCA780D的更新换代产品，其引脚排列与TCA780、TCA780D和国产的KJ785完全相同，因此可以互换。目前，它在国内变流行业中已广泛应用。与原有的KJ系列或KC系列晶闸管移相触发电路相比，它对零点的识别更加可靠，输出脉冲的齐整度更好，而移相范围更宽，且由于它输出脉冲的宽度可人为自由调节，所以适用范围较广。

TCA785引脚排列、各引脚的功能及用法

TCA785是双列直插式16引脚大规模集成电路。它的引脚排列如图所示。

图 TCA785的引脚排列

各引脚的名称、功能及用法如下：

引脚16(VS)：电源端。使用中直接接用户为该集成电路工作提供的工作电源正端。

引脚1(OS)：接地端。应用中与直流电源VS、同步电压VSYNC及移相控制信号V11的地端相连接。

引脚4(Q1)和2(Q2)：输出脉冲1与2的非端。该两端可输出宽度变化的脉冲信号，其相位互差180°，两路脉冲的宽度均受非脉冲宽度控制端引脚13(L)的控制。它们的高电平最高幅值为电源电压VS，允许最大负载电流为10mA。若该两端输出脉冲在系统中不用时，电路自身结构允许其开路。

引脚14(Q1)和15(Q2)：输出脉冲1和2端。该两端也可输出宽度变化的脉冲，相位同样互差180°，脉冲宽度受它们的脉宽控制端引脚12(C12)的控制。两路脉冲输出高电平的最高幅值为5VS。

引脚13(L)：非输出脉冲宽度控制端。该端允许施加电平的范围为—5VS，当该端接地时，Q1、Q2为最宽脉冲输出，而当该端接电源电压VS时，Q1、Q2为最窄脉冲输出。

引脚12(C12)：输出Q1、Q2脉宽控制端。应用中，通过一电容接地，电容C12的电容量范围为150—4700pF，当C12在150—1000pF范围内变化时，Q1、Q2输出脉冲的宽度亦在变化，该两端输出窄脉冲的最窄宽度为100μs，而输出宽脉冲的最宽宽度为2000μs。

引脚11(V11)：输出脉冲Q1、Q2或Q1、Q2移相控制直流电压输入端。应用中，通过输入电阻接用户控制电路输出，当TCA785工作于50Hz，且自身工作电源电压Vs为15V时，则该电阻的典型值为15kΩ，移相控制电压V11的有效范

围为—Vs-2V，当其在此范围内连续变化时，输出脉冲Q1、Q2及Q1，Q2的相位便在整个移相范围内变化，其触发脉冲出现的时刻为：

trr=(V11 R9 C10)/(VREF K)

式中 R9、C10、VREF──分别为连接到TCA785引脚9的电阻、引脚10的电容及引脚8输出的基准电压；K──常数。

为降低干扰，应用中引脚11通过μF的电容接地，通过μF的电容接正电源。

引脚10(C10)：外接锯齿波电容连接端。C10的实用范围为500pF—1μF。该电容的最小充电电流为10μA。最大充电电流为1mA，它的大小受连接于引脚9的电阻R9控制，C11两端锯齿波的最高峰值为VS-2V，其典型后沿下降时间为80μs。

引脚9(R9)：锯齿波电阻连接端。该端的电阻R9决定着C10的充电电流，其充电电流可按下式计算：I10=VREFK/R9

连接于引脚9的电阻亦决定了引脚10锯齿波电压幅度的高低，锯齿波幅值为： V10=VREFK/(R9 C10) ，电阻R9的应用范围为3 300kΩ。

引脚8(VREF)：TCA785自身输出的高稳定基准电压端。负载能力为驱动10块CMOS集成电路，随着TCA785应用的工作电源电压VS及其输出脉冲频率的不同，VREF的变化范围为—，当TCA785应用的工作电源电压为15V，输出脉冲频率为50Hz时，VREF的典型值为，如用户电路中不需要应用VREF，则该端可以开路。

引脚7(QZ)和3(QV)：TCA785输出的两个逻辑脉冲信号端。其高电平脉冲幅

值最大为VS-2V，高电平最大负载能力为10mA。QZ为窄脉冲信号，它的频率为输出脉冲Q2与Q1或Q1与Q2的两倍，是Q1与Q2或Q1与Q2的或信号，QV为宽脉冲信号，它的宽度为移相控制角φ+180°，它与Q1、Q2或Q1、Q2同步，频率与Q1、Q2或Q1、Q2相同，该两逻辑脉冲信号可用来提供给用户的控制电路作为同步信号或其它用途的信号，不用时可开路。

引脚6(I)：脉冲信号禁止端。该端的作用是封锁Q1、Q2及Q1、Q2的输出脉冲，该端通常通过阻值10kΩ的电阻接地或接正电源，允许施加的电压范围为—VS，当该端通过电阻接地，且该端电压低于时，则封锁功能起作用，输出脉冲被封锁。而该端通过电阻接正电源，且该端电压高于4V时，则封锁功能不起作用。该端允许低电平最大灌电流为，高电平最大拉电流为。

引脚5(VSYNC)：同步电压输入端。应用中需对地端接两个正反向并联的限幅二极管，该端吸取的电流为20—200μA，随着该端与同步电源之间所接的电阻阻值的不同，同步电压可以取不同的值，当所接电阻为200kΩ时，同步电压可直接取AC220V。

基本设计特点

TCA785的基本设计特点有：能可靠地对同步交流电源的过零点进行识别，因而可方便地用作过零触发而构成零点开关；它具有宽的应用范围，可用来触发普通晶闸管、快速晶闸管、双向晶闸管及作为功率晶体管的控制脉冲，故可用于由这些电力电子器件组成的单管斩波、单相半波、半控桥、全控桥或三相半控、全控整流电路及单相或三相逆变系统或其它拓扑结构电路的变流系统；它的输入、输出与CMOS及TTL电平兼容，具有较宽的应用电压范围和较大的负载驱动能力，每路可直接输出250mA的驱动电流；其电路结构决定了自身锯齿波电压的范围较

宽，对环境温度的适应性较强，可应用于较宽的环境温度范围(-25—+85°C)和工作电源电压范围—+18V)。

极限参数

电源电压：+8—18V或±4—9V；

移相电压范围：—VS-2V;

输出脉冲最大宽度：180°；

最高工作频率：10—500Hz；

高电平脉冲负载电流：400mA；

低电平允许最大灌电流：250mA；

输出脉冲高、低电平幅值分别为VS和；

同步电压随限流电阻不同可为任意值；

最高工作频率：10—500Hz；

工作温度范围：军品 -55—+125℃，工业品 -25—+85℃，民品 0—+70℃。

相控触发工作原理及电路原理图

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，电路图如图所示。

图相控触发电路原理图

4.保护电路的设计

在电力电子器件电路中，除了电力电子器件参数要选择合适，驱动电路设计

良好外，采用合适的过电压保护，过电流保护，du/dt保护和di/dt保护也是必不可少的。

过电压保护电路设计

所谓过压保护，即指流过晶闸管两端的电压值超过晶闸管在正常工作时所能承受的最大峰值电压Um都称为过电压。

产生过电压的原因一般由静电感应、雷击或突然切断电感回路电流时电磁感应所引起。其中，对雷击产生的过电压，需在变压器的初级侧接上避雷器，以保护变压器本身的安全；而对突然切断电感回路电流时电磁感应所引起的过电压，一般发生在交流侧、直流侧和器件上，因而，下面介绍单相桥式全控整流主电路的电压保护方法。

直流侧与交流侧过电压保护

采用阻容保护易影响系统的快速性，并且会造成加大。因此，一般不采用阻容保护，而只用压敏电阻作过电压保护。

晶闸管过电压保护

抑制晶闸管关断国电与一般采用在晶闸管两端并联阻容保护电路，一般由经验值表确定阻容参数值。

过电流保护电路设计

电力电子电路运行不正常或者发生故障时，可能会发生过电流现象。过电流分载和短路两种情况。一般电力电子均同时采用几种过电压保护措施，怪提高保护的可靠性和合理性。在选择各种保护措施时应注意相互协调。通常，电子电路作为第一保护措施，快速熔断器只作为短路时的部分区断的保护，直流快速断路器在电子电力动作之后实现保护，过电流继电器在过载时动作。

在选择快熔时应考虑：

1）电压等级应根据快熔熔断后实际承受的电压来确定。

2）电流容量应按照其在主电路中的接入方式和主电路连接形式确定。快熔一般与电力半导体体器件串联连接，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It值应小于被保护器件的允许It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。

快熔对器件的保护方式分为全保护和短保护两种。全保护是指无论过载还是短路均由快熔进行保护，此方式只适用于小功率装置或器件使用裕量较大的场合。短路保护方式是指快熔只要短路电流较大的区域内起保护作用，此方式需与其他过电流保护措施相配合。

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。

电流上升率、电压上升率的抑制保护

电流上升率di/dt的抑制

晶闸管初开通时电流集中在靠近门极的阴极表面较小的区域，局部电流密度很大，然后以μs的扩展速度将电流扩展到整个阴极面，若晶闸管开通时电流上升率di/dt过大，会导致PN结击穿，必须限制晶闸管的电流上升率使其在合适的范围内。其有效办法是在晶闸管的阳极回路串联入电感。如下图所示:

图串联电感抑制回路

电压上升率dv/dt的抑制

加在晶闸管上的正向电压上升率dv/dt也应有所限制,如果dv/dt过大，由于晶闸管结电容的存在而产生较大的位移电流，该电流可以实际上起到触发电流的作用，使晶闸管正向阻断能力下降，严重时引起晶闸管误导通。为抑制dv/dt

的作用，可以在晶闸管两端并联R-C阻容吸收回路。如图所示：

图并联R-C阻容吸收回路

仿真

系统建模与参数设置

单相全控桥式整流电路模型主要由交流电源、同步触发器、晶闸管全桥、电阻-反电动势负载、测量等部分组成。Matlab仿真模型如下图所示：

图单相全控桥式晶闸管整流电路仿真模型

各个参数设置如下：

①触发电路参数：

图触发电路参数

Phase delay：晶闸管1、4，参数设为（360）*α，α为触发角；

晶闸管2、3，参数设为+（360）*α。

②交流电源参数：

图交流电源参数

③反电动势参数：

图反电动势参数

④晶闸管参数：

图晶闸管参数

仿真结果

1）α=30°

图α=30°

2）α=60°

图α=60°

3）α=90°

图α=90°

4）α=120°

图α=120°

5）α=150°

图α=150°

设计心得：

通过这次课程设计，我加深了对整流电路的理解，进一步熟悉了触发电路与保护电路的设计，学会了将课本上的理论知识应用到实践中，提高了实践能力。同时在设计时借助MATLAB软件进行系统模型仿真，进一步熟悉了MATLAB语言及其应用，用该软件对该电路进行分析，大大简化了计算和绘图步骤。同时该次课程设计，还用到了protel软件进行原理图的绘制，使我熟练地掌握了protel 绘图的技巧。