单相桥式半控整流电路课程设计

高级工电力电子课程设计

设计题目: 单相桥式半控整流电路设计专业: 电气自动化技术

班级: ZG1008 学号: 102020010812

学生姓名: 何云生

指导老师: 刘小玲

设计时间 :2012年6月14日

前言

电力电子器件是电力电子技术发展的基础。正是大功率晶闸管的发明，使得半导体变流技术从电子学中分离出来，发展成为电力电子技术这一专门的学科。而二十世纪九十年代各种全控型大功率半导体器件的发明，进一步拓展了电力电子技术应用和覆盖的领域和范围。电力电子技术的应用领域已经深入到国民经济的各个部门，包括钢铁、冶金、化工、电力、石油、汽车、运输以及人们的日常生活。功率范围大到几千兆瓦的高压直流输电，小到一瓦的手机充电器，电力电子技术随处可见。

电力电子技术在电力系统中的应用中也有了长足的发展，电力电子装置与传统的机械式开关操作设备相比有动态响应快，控制方便，灵活的特点，能够显著地改善电力系统的特性，在提高系统稳定、降低运行风险、节约运行成本方面有很大潜力。

单相桥式整流电路的优点：输出电压高、变压器利用率高、脉动小。

单相桥式整流电路的缺点：二极管的数量多，二极管的正向电阻不为零，整流电路内阻大，损耗也较大。目前有不同性能指标的集成电路作为桥式整流电路，称之为“整流桥堆”。

目录

第 1 章．设计任务书 (3)

第 2 章．方案选择 (4)

2.1．主电路的选择 (4)

2.1．触发电路的选择 (5)

2.3．保护电路的选择 (7)

第 3 章．主电路设计 (11)

3.1.主电路的设计 (11)

3.2.工作原理 (12)

3.3.参数计算 (13)

3.4．变压器的选取 (15)

第 4 章．触发电路的设计 (16)

4.1.触发电路的设计 (16)

4.2.保护电路的设计 (17)

第 5 章．总路的设计 (18)

5.1.工作原理 (18)

5.2.波形图 (19)

第 6 章. 设计小结 (20)

参考文献 (21)

第1章．设计任务书

设计任务：

1）.进行方案比较，并选择方案。

2）.完成主电路的设计，和各主要元器件的选择。

3）.触发电路和保护电路设计，各主要原器件的选择。

4) .主电路中主要输出电压和电流波形。

设计要求：

1）. 设计一单相桥式半控整流电路，对RL负载供电，其中R=500Ω，L=700mH。

2）.电网供电电压为单相220V,50Hz.输出功率为1KW.

3). 要求直流输出电压在0～100伏连续可调。

第2章．方案的选择

2.1主电路选择

电路简图如下：

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的情况，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的波形，即为失控。

所以选择加续流二极管的方案，以免发生失控现象。

单相桥式整流电路的优点：输出电压高、变压器利用率高、脉动小。

单相桥式整流电路的缺点：二极管的数量多，二极管的正向电阻不为零，整流电路内阻大，损耗也较大。目前有不同性能指标的集成电路作为桥式整流电路，称之为“整流桥堆”。

2.2触发电路选择

晶闸管的导通控制信号由触发电路提供，触发电路的类型按组成器件分为：

A单结晶体管触发电路、

a)结构示意b)等效电路c)图形符号d)外形及管脚

用万用表来判别单结晶体管的好坏：选择R×1k电阻挡进行测量，若某个电极与另外两个电极的正向电阻小于反向电阻，则该电极为发射极e，接着测量另外两个电极的正反向电阻值应该相等。

优点：

单结晶体管触发电路结构简单，调节方便，输出脉冲前沿陡，抗干扰能力强，对于控制精度要求不高的小功率系统，可采用单结晶体管触发电路来控制；

缺点

不能直接用于触发电路，必须有同步电路和张弛震荡电路。只能产生窄脉冲，输出功率小，移相范围也小，常用于50A以下的单相电路。

图a 为单结晶体管触发电路

B 晶体管触发电路、集成触发电路。

图为KC41六路双窄脉冲形成器

KC41电路是脉冲逻辑电路。当把移相触发器的触发胲冲输入到KC41电路的1~6端时，由输入二极管完成了补脉冲，再由T 1~T 6电流放大分六路输出。补脉冲按+A →-C ，-C →+B ，+B →-A ，-A →+C ，+C →-B ，-B →+A 顺序排列组合。T 7是电子开关，当控制7#端接逻辑“0”电平时T 7截止，各路有输出触发脉冲。当

控制7#

端接逻辑“1”电平（+15V ）时，T 7导通，各种无输出触发脉冲。 集成触发电路

优点:

a 同步电压值范围较宽且只需三相同步电压。

b 输出是脉冲列式的双脉冲，脉冲电压体积小。

对于大容量晶闸管一般采用晶体管或集成电路组成的触发电路。

220 V

T

A

D

R 41 k Ω

B U Z

R 31 k Ωe R 2

390 Ω

b 2b 1

＋－

u C C

0.47 μF

R 1

100 Ω

＋－

u g V 1

V 2

V 3

V 4

R L

＋－

u o (a )

RP

2.3保护电路的选择

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。

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（见下图）。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：

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下所示

过流保护原理图

2. 过压保护

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。

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。见图下

阻容三角抑制过电压压敏电阻过压

过电压保护的第二种方法是采用电子电路进行保护。常见的电子保护原理图如下图所示：

过电压保护电路

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

第3章·主电路设计

3.1主电路设计

单相桥式半控整流电路有续流二极管与无需流二极管的区别：单相桥式半控整流电路有两种形式。一种是有续流二极管，另一种是无续流二极管。结构有所不同，原理也不同。下面是第一种情况的分析：

加续流二极管VDR, 以避免可能发生的失控现象。有续流二极管VDR时，续流过程由VDR完成，在续流阶段晶闸管关断，这就避免了某一个晶闸管持续导通而导致失控现象.同时，续流期间导电回路只有一个管压降，少了一个管压降，有利于降低损耗。第二种情况，无续流二极管，则当a突然增大至180度或触发脉冲消失时，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Ud为正弦半波 ， 既半周期Ud另外半周期Ud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波形，称为失控。

3.2工作原理：

在单相桥式半控整流电路中，电网电压经变压器到整流电路，整流部分由两个晶闸管VT1、VT3和两个二极管VD2和VD4组成，如下图2-1所示。由于负载为阻感负载，因此在电路中加了续流二极管VDR，以免发生失控现象。实际运行中如果没有徐i，则当α突然增大至180°或者触发脉冲丢失时，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Ud成为正弦半波，即半周期Ud为正弦，另外半周期Ud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，称为失控。

在U2正半周，触发角α处给晶闸管VT1加触发脉冲，U2经VT1和VT4向负载供电。U2过零变负时，因电感作用使电流连续，VDR导通，Ud为零。此时为负的U2通过VDR向VT1施加反压使其关断。而此时由刚才L中储存的能量正好保证了电流在VDR-R-L回路中流通，此过程也就是续流的过程。也就是说此时如果忽略VDR的管压降，则在续流期间Ud为零，就不会像全控桥电路那样出现Ud 为负的现象了。

在U2负半周，当晶闸管在触发角α处给晶闸管VT3加触发脉冲，U2经过VT3和VD2向负载供电。U2过零变正的时候，同样因电感作用使电流连续，VDR导通，Ud为零。此时为负的U2通过VDR向VT3施加反压使其关断。L中储存的能量保证电流在VDR-R-L回路中流通。也就是说如果忽略VDR的管压降，则在续流期间Ud为零，Ud也就不会出现为负的现象了。

2

01(sin )()22

m T m

I I I wt d wt ππ==?()0

1sin ()2m

T AV M I I I wtd wt π

π

π

=

=

?

3.3参数计算

由于单相桥式半空整流电路带电感性负载主电路主要原件是晶闸管，所以选取原件主要考虑晶闸管的参数及选取原则。

1.额定电压TN U

通常取断态重复峰值电压U DRM 和反向重复峰值电压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，一般取额定电压应为正常工作峰值电压U TM 的2～3倍，以保证电路的工作安全。

因此晶闸管额定电压：U TN =min(U DR M ，U RRM )

U TN =( 2 ~ 3 )U TM

2.额定电流I T(A V)

又称为额定通态平均电流，国标规定为晶闸管在环境温度为40°C 和规定的冷却状态下，稳定结温不超过额定结温时所允许留过的最大贡品正弦半波电流的平均值。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，可能要超过管子所能提供的极限，使管子由于过热而损坏。使用时应按十几电流与通态平均电流有效值相等的原则来选取晶闸管，而且应留有一定的裕量，一般取 1.5～2倍。正弦半波电流平均值I T(A V)电流有效值I T 和电流最大值I m 三者的关系为：

222

2211cos 1cos 2sin ()0.922d U U U wtd wt U πααα

ππ++===?222200283TM U U V V

==?=

各种有直流分量的电流波形，其电流波形的有效值I T 与I T(A V)之比，称为这个电流的波形系数，用Kf 表示。因此在正弦半波情况下电流波形系数为：

本设计要求带阻感性负载，则有：

当α=0°时，Ud 取最大值180V 既而得出U2=200V ，α=180°时，Ud =0，则α角的移相范围为0～180°。晶闸管承受的最大电压为：

考虑到2～3倍的安全裕量，则晶闸管的额定电压为：

晶闸管承受的最大电流d I 为：

那么单独流过一个晶闸管的电流有效值为：

考虑（1.5～2）倍的安全裕量则晶闸管的额定电流为：

因此晶闸管的型号：KP15—700

() 1.572

T f T AV I K I π

===(23)283(566849)N U V V

=?= 20.9180

1810

d U I A

R ===118

12.722

d VT I I A

===12.7

(1.52)(1216)1.57

N I A

=?=

3.维持电流I H

维持电流是指使晶闸管维持导通所必需的最小电流，一般为几十到几百毫安。I H 与结温有关，结温越高，则I H 越小。 4.擎住电流I L

擎住电流是指晶闸管刚从断态转入通态并且移除触发脉冲后，能维持导通所需的最小电流。对同一晶闸管来说，通常I L 约为I H 的2～4倍。 5断态电压临界上升率du/dt

断态电压临界上升率是指在额定结温和门极开路的情况下，不导致晶闸管从断态到通态转换的外加电压最大上升率，一般为每微妙几十伏，实际使用中电压

上升率必须低于此临界值。 6通态电流临界上升率di/dt

通态电流临界上升率是指在规定条件下，晶闸管能承受而无有害影响的最大通态电流上升率。如果电流上升太快，则晶闸管一开通，便会有很大的电流集中在门及附近的小区域内，从而造成局部过热而使晶闸管烧坏。

3.4变压器的选取

根据参数计算得出2U =200V ，又有电网电压1U =220V ，那么可以计算出变压器变比K 为：

不考虑变压器损耗时，则变压器的容量为3200V A ?。

12220

1.1200

U K U =

==

第4章·触发电路及保护电路设计

4.1触发电路的设计

晶体管触发电路

上图为KC41六路双窄脉冲形成器

KC41电路是脉冲逻辑电路。当把移相触发器的触发胲冲输入到KC41电路的1~6端时，由输入二极管完成了补脉冲，再由T1~T6电流放大分六路输出。补脉冲按+A→-C，-C→+B，+B→-A，-A→+C，+C→-B，-B→+A顺序排列组合。T7是电子开关，当控制7#端接逻辑“0”电平时T7截止，各路有输出触发脉冲。当控制7#端接逻辑“1”电平（+15V）时，T7导通，各种无输出触发脉冲。

4.2保护电路的设计

1．晶闸管的过电流保护

过电流可分为过载和短路两种情况，可采用多种保护措施。对于晶闸管初开通时引起的较大的di/dt，可在晶闸管的阳极回路串联入电感进行抑制；根据设计要求对于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接入快速熔短器进行保护。如图1所示

1、串联电感及熔断器抑制回路

2．晶闸管的过电压保护

晶闸管的过电压保护主要考虑换相过电压抑制。晶闸管从导通到关断时，线路上的电感会释放能量产生过电压，称为关断过电压，亦称为换相过电压。为使元件免受换相过电压的危害，防止大电流突变击穿电容，一般在元件的两端并联RC电路。如图2所示：

2、并联RC电路阻容吸收回路

第5章．总电路的设计

工作原理：

在U2正半周，触发角α处给晶闸管VT1加触发脉冲，U2经VT1和VT4向负载供电。U2过零变负时，因电感作用使电流连续，VDR导通，Ud为零。此时为负的U2通过VDR向VT1施加反压使其关断。而此时由刚才L中储存的能量正好保证了电流在VDR-R-L回路中流通，此过程也就是续流的过程。也就是说此时如果忽略VDR的管压降，则在续流期间Ud为零，就不会像全控桥电路那样出现Ud 为负的现象了。

在U2负半周，当晶闸管在触发角α处给晶闸管VT3加触发脉冲，U2经过VT3和VD2向负载供电。U2过零变正的时候，同样因电感作用使电流连续，VDR导通，Ud为零。此时为负的U2通过VDR向VT3施加反压使其关断。L中储存的能量保证电流在VDR-R-L回路中流通。也就是说如果忽略VDR的管压降，则在续流期间Ud为零，Ud也就不会出现为负的现象了。

波形图：