单相桥式整流电路课程设计报告

电力电子课程设计报告

目录

一、设计任务说明 (3)

二、设计方案的比较 (4)

三、单元电路的设计和主要元器件说明 (6)

四、主电路的原理分析 (9)

五、各主要元器件的选择： (12)

六、驱动电路设计 (14)

七、保护电路 (16)

八、元器件清单 (21)

九、设计总结 (22)

十、参考文献 (23)

一、设计任务说明

1.设计任务：

1)进行设计方案的比较，并选定设计方案；

2)完成单元电路的设计和主要元器件说明；

3)完成主电路的原理分析，各主要元件的选择；

4)驱动电路的设计，保护电路的设计；

5)利用仿真软件分析电路的工作过程；

2.设计要求：

1)单相桥式相控整流的设计要求为：

负载为感性负载，L=700mH，R=500Ω

2)技术要求：

A.电网供电电压为单相220V；

B.电网电压波动为5%——10%；

C.输出电压为0——100V;

二、设计方案的比较

单相桥式整流电路有两种方式，一种是单相桥式全控整流电路，一种是单相桥式半控整流电路。主要方案有三种：

方案一：

采用单相桥式全控整流电路，电路图如下：

对于这个电路，每一个导电回路中有两个晶闸管，即用两个晶闸管同时导通以控制导电的回路，不需要续流二极管，不会出现失控现象，整流效果好，波形稳定。变压器二次绕组不含直流分量，不会出现变压器直流磁化的问题，变压器利用率高。

方案二：

采用单相桥式半控整流电路，电路图如下：

相较于单相桥式全控整流电路，对每个导电回路进行控制，只需一个晶闸管，而另一个用二极管代替，这样使电路连接简便，且

降低了成本，降低了损耗。但是若无续流二极管，当α突然增大到180°或触发脉冲丢失时，会发生一个晶闸管持续导通而两个二极管轮流导通的情况，这使d U成为正弦半波，级半周期d U为正弦波，另外半周期d U为零，其平均值保持恒定，相当于单相半波不可控整流电路时的波形，即失控现象。因此该电路在实际应用中需要加设续流二极管。

综上所述：单相桥式半控整流电路具有线路简单、调整方便的优点。但输出电压脉动冲大，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。而单相桥式全控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。因此选择方案一的单相桥式全控整流电路。

三、单元电路的设计和主要元器件说明 1. 单相桥式全控整流电路，如图所示：

由一台变压器、四个晶闸管经过桥接而成，负载为阻感负载。晶闸管1VT 和4VT 组成一对桥臂，2VT 和3VT 组成另一对桥臂。

2.主要元器件——晶闸管

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。

1）晶闸管的分类：

晶闸管按其关断、导通及控制方式可

分为普通晶闸管（SCR ）、双向晶闸管（TRIAC ）、逆导晶闸管（RCT ）、门极关断晶闸管（GTO ）、BTG 晶闸管、温控晶闸管（TT 国外，TTS

国内）和光控晶闸管（LTT）等多种。晶闸管按其引脚和极性可分为二极晶闸管、三极晶闸管和四极晶闸管。晶闸管按其封装形式可分为金属封装晶闸管、塑封晶闸管和陶瓷封装晶闸管三种类型。其中，金属封装晶闸管又分为螺栓形、平板形、圆壳形等多种；塑封晶闸管又分为带散热片型和不带散热片型两种。晶闸管按电流容量可分为大功率晶闸管、中功率晶闸管和小功率晶闸管三种。通常，大功率晶闸管多采用金属壳封装，而中、小功率晶闸管则多采用塑封或陶瓷封装。晶闸管按其关断速度可分为普通晶闸管和快速晶闸管，快速晶闸管包括所有专为快速应用而设计的晶闸管，有常规的快速晶闸管和工作在更高频率的高频晶闸管，可分别应用于400HZ和10KHZ以上的斩波或逆变电路中。（备注：高频不能等同于快速晶闸管）

2）工作原理

晶闸管在工作过程中，它的阳极（A）和阴极（K）与电源和负载连接，组成晶闸管的主电路，晶闸管的门极G和阴极K与控制晶闸管的装置连接，组成晶闸管的控制电路。

半控型晶闸管的工作条件：

①晶闸管承受反向阳极电压时，不管门极承受何种电压，晶闸管都处于反向阻断状态。

②晶闸管承受正向阳极电压时，仅在门极承受正向电压的情况下晶闸管才导通。这时晶闸管处于正向导通状态，这就是晶闸

管的闸流特性，即可控特性。

③晶闸管在导通情况下，只要有一定的正向阳极电压，不论门极电压如何，晶闸管保持导通，即晶闸管导通后，门极失去作用。门极只起触发作用。

④晶闸管在导通情况下，当主回路电压（或电流）减小到接近于零时，晶闸管关断。

全控型晶闸管的工作条件：

①晶闸管承受反向阳极电压时，不管门极承受何种电压，晶闸管都处于反向阻断状态。

②晶闸管承受正向阳极电压时，仅在门极承受正向电压（或电流）的情况下晶闸管才导通。这时晶闸管处于正向导通状态。

③晶闸管导通后，门极加反向电流或失去电压，晶闸管关断；或者门极正常，但主电路电压（或电流）减少到接近于零时，晶闸管也关断。

四、主电路的原理分析 主电路为单相桥式全控整流电路。对于阻感负载，假设电路已工作于稳态，d i 的平均值不变。2u 的波形如图所示，在2u 的正半周期，触发角α处给晶闸管1VT 和4VT 加触发脉冲使其开通，2d u u =。负载中有电感存在使负载电流不能突变，电感对负载电流起平波左右，假设负载电感很大，负载电流d i 连续且波形近似为一条水平线，其波形如图。2u 过零变负时，由于电感的作用，晶闸管1VT 和4VT 中仍流过电流d i ，并不关断。至t ωπα=+时刻，给2VT 和3VT 加触发脉冲，因2VT 和3VT 本已承受正电压，故两管导通。2VT 和3VT 导通后，2u 通过2VT 和3VT 分别向1VT 和4VT 施加反压使1VT 和4VT 关断，流过1VT 和4VT 的电流迅速转移到2VT 和3VT 上，此过程称为换相，亦称换流。至下一周期重复上述过程，如此循环下去，d u 的波形如图所示，其平均值为

2221222sin ()cos 0.9cos d u U td t U U πααωωααππ+===?

当0α=时，020.9d U U =；90α=

时，0d u =。晶闸管移相范围为0°~90°。

单相桥式全控整流电路带阻感负载时，晶闸管1VT 和4VT 的电压波形如图所示，晶闸管承受的最大反向电压均为22U 。晶闸管导通角θ与α无关，均为180°，其电流波形如图所示。平均值有

效值分别为12dVT d I I =和10.7072VT d d I I I ==。变压器二次电流2i 的波形为正负各180°的矩形波，如图所示，其相位由α角决定，有效值2d I I =。

整流电路参数计算：

1）整流输出电压的平均值：

2221222sin ()cos 0.9cos d u U td t U U πααωωααππ+===?

当0α=时，d U 取得最大值100V 即20.9100d U U V ==得2111U V =

当90α= 时，0d U =。α角的移相范围为90°。

2）整流输出电压的有效值为：

2221(2sin )()111U U t d t U V πααωωπ+===?

3）整流电流的平均值为：

20.9cos 0.2d d d d U U I A R R α===

4）整流电流的有效值为：

0.2d I I A ==

5）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，电流的平均值和有效值相等，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：

平均值：

10.1222T dT d d d I I I I A θπππ==== 有效值：10.141222T T d d d I I I I A θπππ====

6）每个晶闸管承受的最大正、反向电压等于

22156.978U =。

五、各主要元器件的选择： 1. 晶闸管的选择：

1）电压定额

晶闸管的额定电压通常取晶闸管的DRM U (断态重复峰值电压）和RRM U （反向重复峰值电压）中较小的标值作为该器件的额定电压。选用时，额定电压要留有一定裕量，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。即min{,}Tn DRM RRM U U U =且(2~3)Tn TM U U ≥。

因此，222111157TM

U U V ==?=；考虑到留2~3倍的裕量，所以取

400Tn U V = 2）电流定额

通态平均电流()T AV I 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。这也是标称其额定电流的参数。通常按照实际波形的电流与晶闸管允许的最大正弦半波电流（其平均值即通态平均电流()T AV I ）所造成的发热效应相等（即有效值相等）的原则来选取晶闸管的此项电流定额，并应留一定的裕量。一般取其通态平均电流为按此原则所得计算结果的1.5~2倍。

因2T I

I =，

则晶闸管的额定电流为：

()0.2

(1.5~2)(1.5~2)(1.5~2)0.091.572 1.57T

TN AV I I A ≥==?

因此，取()1TN AV I A =

2. 变压器的选择

变压器的变比为1

22202

111U k U ==≈

在不考虑损耗的情况下，选择整流变压器的容量为：

2221110.222.2S U I U I V A ===?=?

六、驱动电路设计

晶闸管的电流容量越大，要求的触发功率越大，对于大中电流容量的晶闸管，为了保证其触发脉冲具有足够的功率，往往采用由晶体管组成的触发电路。晶体管触发电路按同步电压的形式不同，分为正弦波和锯齿波两种。同步电压为锯齿波的触发电路，不受电网波动和波形畸变的影响，移相范围宽，应用广泛。因此，这里采用同步电压为锯齿波的触发电路。

同步电压为锯齿波的触发电路输出可为双窄脉冲，也可为单窄脉冲。它由三个基本环节构成：脉冲的形成与放大、锯齿波的形成和脉冲移相同步环节。电路图如下：

各点的电压波形为：

锯齿波是由开关V2管来控制的：

1）V2开关的频率就是锯齿波的频率——由同步变压器所接的交流电压决定；

2）V2由导通变截止期间产生锯齿波——锯齿波起点基本就是同步电压由正变负的过零点；

3）V2截止状态持续的时间就是锯齿波的宽度——取决于充电时间常数R1C1；

七、保护电路

晶闸管的保护电路，大致可以分为两种情况：一种是在适当的地方安装保护器件，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。

1.晶闸管的过流保护

晶闸管设备产生过电流的原因可以分为两类:一类是由于整流电路内部原因, 如整流晶闸管损坏, 触发电路或控制系统有故障等; 其中整流桥晶闸管损坏类较为严重, 一般是由于晶闸管因过电压而击穿,造成无正、反向阻断能力，它相当于整流桥臂发生永久性短路，使在另外两桥臂晶闸管导通时，无法正常换流，因而产生线间短路引起过电流.另一类则是整流桥负载外电路发生短路而引起的过电流，这类情况时有发生，因为整流桥的负载实质是逆变桥, 逆变电路换流失败，就相当于整流桥负载短路。另外，如整流变压器中心点接地，当逆变负载回路接触大地时，也会发生整流桥相对地短路。

①对于第一类过流，即整流桥内部原因引起的过流，以及逆变器负载回路接地时，可以采用第一种保护措施，最常见的就是

接入快速熔短器的方式。见图1。快速熔短器的接入方式共有三种，其特点和快速熔短器的额定电流见表1。

方式特点额定电流备注

A型熔断器与每一个元件串

联，能可靠地保护每一

个元件

1.57

RN T

I I

平均电流

B型能在交流、直流和元件

短路时起保护作用，可

靠性稍有降低

RN C D

I K I

K：交流侧线

电流与D I之比

D

I：整流输出

电流

C型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

RN D

I I

电流

表一：快速熔断器的接入方式、特点和额定电流

三种接入方式均可使用在单相桥式整流电路中，因此选A型更为可靠。如下图所示：

②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。电子电路保护原理图如下：

图二

可控硅触发脉冲是由一个电平信号Uk来控制，当Uk为“1”电

平时，可控硅触发脉冲关断，则整流装置输出为0。当Uk为“0”电平时，可控硅触发脉冲正常输出，则整流装置输出电压为Ud。图6中，R1，R2，N组成比较器，通过RP1来设置过流保护值；V1为钳位二极管，Uk为可控硅触发脉冲输出的控制信号。当整流装置输出电流超出额定值的20%时，电流反馈UIF>URP1，则比较器输出为“0”电平，使三极管V2截止，此时Uk为“1”电平，使整流装置输出电压为0。钳位二极管V1保证系统在出现过流时，比较器输出电位为“0”电平，使整流装置可靠关断。

2.过压保护

电力电子装置中可能

发生的过电压分为外因过

电压和内因过电压两类。

外因过电压主要来自雷击

和系统中的操作过程等外

部原因，内因过电压主要

来自电力电子装置内部器

件的开关过程，过电压保

护有避雷保护、利用非线性过电压保护、元器件保护、利用储能元器件保护、利用引入电压检测的电子保护电路作过电压保护。这次我们采用储能元件保护即阻容保护。

3.电流上升率、电压上升率的抑制保护

①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0.1mm/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。

②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。