单相半控桥式整流电路的设计说明
单相半控桥式整流电路设计
摘要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。
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。
整流电路的应用十分广泛。
广泛的应用于直流电动机、电镀、电解电源、同步发电机励磁、通信系统电源灯。
本设计研究了单相半控桥式整流电路，对整流电路的原理及特点进行了分析，对整流元件进行了参数计算并选择出了合适的器件。
本设计选择KJ004集成触发器做为晶闸管的触发电路，详细的介绍了KJ004的工作原理。
本设计还设计了合理的保护电路。
最后利用simulink搭建仿真模型。
关键词：半控整流，驱动电路，保护电路，simulink仿真单相半控桥式整流电路设计1 主电路的设计1.1设计目的(1)、把从电力电子技术课程中所学到的理论和实践知识，在课程设计实践中全综合的加以运用，使这些知识得到巩固、提高，并使理论知识与实践技能密切结合起来。
(2)、初步树立起正确的设计思想，掌握一般电力电子电路设计的基本方法和技能，培养观察、分析和解决问题及独立设计的能力，训练设计构思和创新能力。
(3)、培养具有查阅参考文献和技术资料的能力，能熟悉或较熟悉地应用相关手册、图表、国家标准，为今后成为一名合格的电气工程技术人员进行必须的基本技能和基本素质训练。
1.2整流电路的选择整流电路是电力电子电路中出现最早的一种，整流电路是把交流电能转换为直流电能的电路。
大多数整流电路由变压器、整流主电路和滤波器等组成。
20世纪70年代以后，主电路多用硅整流二极管和晶闸管组成。
滤波器接在主电路与负载之间，用于滤除脉动直流电压中的交流成分。
变压器设置与否视具体情况而定。
变压器的作用是实现交流输入电压与直流输出电压间的匹配以及交流电网与整流电路之间的电隔离。
电力电子学课程设计说明书单相半控桥式晶闸管整流电路的设计
北京交通大学海滨学院电力电子学课程设计说明书单相半控桥式晶闸管整流电路的设计（阻感负载）学生姓名刘楷鹏.学号09142087 .专业电气工程及其自动化班级0902指导教师杨国庆.完成时刻2012-5-10 .摘要随着科学技术的日趋进展,人们对电路的要求也愈来愈高,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、性能稳固,利用它能够方便地取得大中、小各类容量的直流电能,是目前取得直流电能的主要方式,取得了普遍应用。
可是晶杂管相控整流电路中随着触发角α的增大，电流中谐波分量相应增大，因此功率因素很低。
把逆变电路中的SPWM控制技术用于整流电路，就组成了PWM整流电路。
通过对PWM整流电路的适当控制，能够使其输入电流超级接近正弦波，且和输入电压同相位，功率因素近似为1。
这种整流电路称为高功率因素整流器，它具有普遍的应用前景。
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类电力变换电路实现电能和变换和控制，而组成的一门完整的学科。
故其学习方式与电子技术和控制技术有很多相似的地方，因此要学好这门课就必需做好实验和课程设计，因此咱们进行了这次课程设计。
又因为整流电路应用超级普遍，而三相晶闸管半控整流电路又有利于夯实基础，故咱们单结晶体管触发的单相晶闸管半控整流电路这一课题作为这一课程的课程设计的课题。
关键词：电力电子相控流PWM 整流课程设计目录1.摘要 (2)2. 设计目的与要求 (4).3. 电器元件选择 (5)4. 辅助电路的设计 (6)驱动电路的设计保护电路的设计电流上升率、电压上升率的抑制保护5. 主体电路的设计 (13)单相半控式晶闸管整流电路图主电路设计与原理分析6. 设计总结 (15)7. 参考文献 (16)8.附录 (16)参数计算二．设计目的与要求设计目的“电力电子技术”课程设计时在教学及实验的基础上，对课程所学理论知识的深化高。
单相桥式半控整流电路
摘要电力电子技术课程设计是在教学及实验基础上，对课程所学理论知识的深化和提高。
本次课程设计要完成单相桥式半控整流电路的设计，对电阻负载供电，并使输出电压在0到180伏之间连续可调，由于是半控电路，因此会用到晶闸管与电力二极管。
此外，还要用MATLAB对设计的电路进行建模并仿真，得到电压与电流波形，对结果进行分析。
关键词：半控整流晶闸管目录1 设计内容及要求 (1)2 电路的设计及工作原理 (2)3 元器件的选择 (4)3.1 晶闸管 (4)3.1.1 晶闸管的结构与工作原理 (4)3.1.2 晶闸管的选择 (5)3.2 电力二极管 (6)4 触发电路 (8)5 MATLAB建模与仿真 (9)6 心得体会 (12)参考文献 (13)单相桥式半控整流电路的设计1 设计内容及要求本次课程设计要求设计一个单相桥式半控整流电路，对电阻负载供电，其中R=10Ω，要求直流输出电压在0～180伏连续可调。
设计成功后，用MATLAB 对所设计的电路进行建模并仿真，获得相应的电压与电流波形，根据波形分析设计方法的可行性。
2 电路的设计及工作原理单相相控整流电路可分为单相半波、单相全波和单相桥式相控流电路，它们所连接的负载性质不同就会有不同的特点。
而负载性质又分为带电阻性负载、电阻-电感性负载和反电动势负载时的工作情况。
单相桥式半控整流电路带电阻负载的电路图如图2-1所示。
图2.1 单相桥式半控整流电路带电阻负载在单向桥式半控整流电路中，VT1和VD4组成一对桥臂，VD2和VT3组成另一对桥臂。
在u正半周（即a点电位高于b点电位），若4个管子均不导通，负载电流i d为零，u d也为零，VT1、VD4串联承受电压u，设VT1和VD4的漏电阻相等，则各承受u的一半。
若在触发角α处给VT1加触发脉冲，VT1和VD4即导通，电流从电源a端经VT1、R、VD4流回电源b端。
当u过零时，流经晶闸管的电流也降到零，VT1和VD4关断。
单相半控桥式整流电路
一、实验基本内容1.实验名称：单相半控桥整流电路实验2.已知条件：a)工作电路原理图图1 工作原理图b)理想工作波形c)产生失控现象的原因及理论结果对于单相桥式半控整流电路，在正常运行的情况下，如果突然把触发脉冲切断或者将触发延迟角α增大到180°，电路将产生“失控”现象。
失控原因：正在导通的晶闸管的关断必须依赖后续晶闸管的开通，如果后续晶闸管不能导通，则已经导通的晶闸管就无法关断。
失控结果：失控后，一个晶闸管持续导通，两个二极管轮流导通，整流输出电压波形为正弦半波，即半周期为正弦波，另外半周期为零，输出电压平均值恒定。
d)各物理量基本数量关系（感性负载）Ⅰ.输出直流电压平均值U dU d=1π2παsinwtd(wt)=0.9U21+cosα2Ⅱ.负载电流平均值I d=U dR =0.45U2R1+cosα2Ⅲ.流过晶闸管的电流有效值I VTI VT=I VD=π−α2πI dⅣ.流过晶闸管的电流平均值I dVTI dVT=I dVD=π−α2πI dⅤ.变压器二次电流有效值I2I2=1πI d2d(ωt)π+αα=I d=2I VTⅥ.续流二极管电流有效值I VD RI VTR =απI dⅦ.续流二极管电流平均值I dVT RI dVTR =απI d3.实验目标：a)实现控制触发脉冲与晶闸管同步；b)观测单相半控桥在纯阻性负载时的移相控制特点，测量最大移相范围及输入-输出特性；c)观测单相半控桥在阻-感性负载时的输出状态，制造失控现象并讨论解决方案。
二、实验条件1.主要设备仪器a)电力电子及电气传动教学实验台i.型号MCL-Ⅲ型ii.生产厂商浙江大学求是公司b)Tektronix示波器i.型号TDS2012ii.主要参数带宽:100MHz最高采样频率：1GS/sc)数字万用表i.型号GDM-81452.小组人员分工u 2abVT1VT2VD2VD4Ru da)实验主要操作人辅助操作人电流表监控影像记录数据记录b)报告实验基本内容描述实验图片整理实验图片处理实验条件阐述实验过程叙述数据处理电路仿真讨论思考题讨论结果整理实验综合评估报告整合排版三、实验原理1.阻性负载如图所示为带阻性负载时单相桥式半控整流电路。
单相桥式半控整流电路
单相桥式半控整流电路一.单相桥式半控整流电路手册1.单相桥式半控整流电路原理图如图1-1所示图1-1二.工作原理单相桥式半控整流电路在电阻性负载时的工作情况与全控电路完全相同。
当在阻感性负载工作时，当电源电压u2在正半周期，控制角为a 时触发晶闸管VT1使其导通，电源经VT1和VD4向负载供电。
当u2过零变负时，由于电感的作用使VT1继续导通。
因a点电位低于b点电位，使得电流从VD4转移至VD2,电流不再流经变压器二次绕组，而是由VT1和VD2续流。
此阶段忽略器件的通态压降，则ud=0,不像全控电路那样出现ud为负的情况。
在u2负半周控制角为a时触发VT3使其导通，则向VT1加反压使之关断，u2经VT3和VD2向负载供电。
u2过零变正时，VD4导通。
VT3和VD4续流，ud又为零。
此后重复以上过程。
若无续流二极管，则当a突然增大至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lid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，称为失控。
有续流二极管VD时，续流过程由VD完成，在续流阶段晶闸管关断，避免了某一个晶闸管持续导通从而导致失控的现象。
三.波形分析利用matlab仿真,能够直观地观察整流电路波形的变化（注:从上至下，第一个为电源电压波形，第二个为品闸管VT1两端电压波形，第三个为VT2两端电压波形，第四个为负载电流，第五个为负载两端电压波形，第六个为触发脉冲。
）1.单相桥式半控整流电路电阻性负载。
仿真原理图如图波形图如图3T-2（Q=30）RUEdeMrwO（apUy^muUtionCodeBohHelp比”—卜的❶•图3@■,M。
I图3-1-1图3-1-22.单相桥式半控整流电路阻感性负载仿真原理图如图3-2-1,波形图如图3-2-2（Q=30）RUEde M E OhpUrCugr«mitmuhtionAni>/aiiCedeBobH«lp3.单相桥式半控整流电路反电势负载仿真原理图如图3-3-1,波形图如图3-3-20dt4%图3-2-1 图3-2-2fita(dieMewOiaplayCUgMm^muiatcnAna^atCodebchHelp图3-3-1 :臼z-八1A图3-3-2四.电路参数晶闸管承受的最大正向电压和反向电压分别为七/2U 和&U 。
单相桥式半控整流电路的设计
2.2主要元器件的选择
1)晶闸管的选取
图2晶闸管的结构及符号
晶闸管是在晶体管基础上发展起来的一种大功率半导体器件。它的出现使半导体器件由弱电领域扩展到强电领域。晶闸管也像半导体二极管那样具有单向导电性，但它的导通时间是可控的，主要用于整流、逆变、调压及开关等方面。
晶闸管是具有三个PN结的四层结构, 其结构及符号如图2所示。由于单相桥式半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。
单结晶体管触发电路输出的脉冲电压的宽度，主要决定于电容器放大电的时间常数。R1或C太小，放电快，触发脉冲的宽度小，不能使晶闸管触发。因为晶闸管从阻断状态到完全导通需要一定时间，一般在10uf以下，所以触发脉冲的宽度必须在10uf以上。但是，若C值太大，由于充电时间常数（RP+R）C的最小值决定于最小控制角，则（RP+R）就必须很小，如上所述，这将引起单结晶体管的直通现象。如果R1太大，当单结晶体管尚未导通时，其漏电流就可能在R1上产生较大的电压，这个电压加在晶闸管的控制极上而导致误触发。一般规定，晶闸管的不触发电压为0.15~0.3V，所以上述电压不应大于这个数值。
3）晶闸管 提取路径：Simulink\SimpowerSystem\Power Electronics\Thyristor
（3）随着发射极电流ie不断上升，Ve不断下降，降到V点后，Ve不在降了，这点V称为谷点，与其对应的发射极电压和电流，称为谷点电压，Vv和谷点电流Iv。
（4）过了V点后，发射极与第一基极间半导体内的载流子达到了饱和状态，所以uc继续增加时，ie便缓慢地上升，显然Vv是维持单结晶体管导通的最小发射极电压，如果Ve＜Vv，管子重新截止。
单相桥式整流电路设计说明
《电力电子技术》课程设计任务书一、设计课题一单相桥式整流电路设计二、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=600H,R=500 欧姆 .2、技术要求 :(1).电网供电电压为单相220V；(2).电网电压波动为+5%－-10%；(3).输出电压为0～200V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前言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。
但是晶杂管相控整流电路中随着触发角α的增大，电流中谐波分量相应增大，因此功率因素很低。
把逆变电路中的SPWM控制技术用于整流电路，就构成了PWM整流电路。
通过对PWM整流电路的适当控制，可以使其输入电流非常接近正弦波，且和输入电压同相位，功率因素近似为1。
这种整流电路称为高功率因素整流器，它具有广泛的应用前景第 1 章方案的选择单相桥式整流电路可分为单相桥式相控整流电路和单相桥式半控整流电路，它们所连接的负载性质不同就会有不同的特点。
下面分析两种单相桥式整流电路在带电感性负载的工作情况。
单相半控整流电路的优点是：线路简单、调整方便。
弱点是：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。
单相半控桥式晶闸管整流电路设计
单相半控桥式晶闸管整流电路设计
首先，我们需要选取合适的晶闸管。
选择晶闸管时，需要考虑电流、
电压和功率的要求，以确保晶闸管能够正常工作并满足应用需求。
第二步是设计电流限制电路。
电流限制电路用于限制电流通过晶闸管
的大小，以防止晶闸管因过载而损坏。
一种常见的电流限制电路是采用电
流互感器，通过测量电流并输出反馈信号，以控制晶闸管的导通角度。
此外，还可以使用电流变压器或电阻器来实现电流限制。
接下来，我们需要设计控制电路。
控制电路用于控制晶闸管的导通角度，并确定晶闸管何时开启和关闭。
常用的控制电路包括脉冲宽度调制（PWM）控制和零点检测控制。
在PWM控制中，通过调制输入信号的脉冲
宽度来控制晶闸管的导通角度。
而零点检测控制则是通过检测电压波形的
零点来判断晶闸管的开启和关闭时机。
此外，为了确保整流电路的稳定性和安全性，还需要添加电容滤波电
路和过压保护电路。
电容滤波电路用于平滑输出电压，减少电压波动；而
过压保护电路则用于防止电压超出设定范围，保护电路和设备。
最后，根据设计的电路参数和需求进行计算和选取其他元器件，如电阻、电感、二极管等。
通过计算和仿真，验证电路的性能和稳定性，确保
整流电路能够正常工作。
总结起来，设计单相半控桥式晶闸管整流电路需要考虑晶闸管的选取、电流限制电路、控制电路、电容滤波电路和过压保护电路等因素。
通过综
合考虑这些因素，并进行计算和仿真，可以设计出一个性能稳定的单相半
控桥式晶闸管整流电路。
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Kf=IVT/ Id= /2=0.707，
晶闸管的额定电流为：IT= KfId/1.57=2.5A,取2倍电流安全储备，并考虑晶闸管元件额定电流系列取5A。
晶闸管元件额定电压 U2= 100=141.4V，取2～3倍电压安全储备，并考虑晶闸管额定电压系列取300V。
令 时，
指导教师签名：
课程负责人签名：
年 月 日
1
1.1 设计的主要参数及要求：
设计要求：1、电源电压：交流220V/50Hz
2、输出电压围：20V-50V
3、最大输出电流：10A
4、具有过流保护功能，动作电流：12A
5、具有稳压功能
6、电源效率不低于70%
1.2 设计的主要功能
单相桥式半控整流电路的工作特点是晶闸管触发导通，而整流二极管在阳极电压高于阴极电压时自然导通。单相桥式整流电路在感性负载电流连续时，当相控角α<90°时，可实现将交流电功率变为直流电功率的相控整流；在α>90°时，可实现将直流电返送至交流电网的有源逆变。在有源逆变状态工作时，相控角不应过大，以确保不发生换相（换流）失败事故。
（2）具有稳压功能。
2、设计要求
（1）合理选择晶闸管型号；
（2）完成电路理论设计、绘制电路图、电路图典型波形并进行模拟仿真。
二、主要参考资料
[1] 王兆安，黄俊，电力电子技术（第4版）[M]，北京：机械工业，2000.
[2] 王兆安，明勋，电力电子设备设计和应用手册（第2版）[M]，北京：机械工业，2005.
输出电流的平均值：
2.3 参数计算
输出电压平均值：
U =0.9U2
输出电流平均值：
= Ud/R
a)流过晶闸管电流有效值：
I = /
波形系数：
K = I / = /2
交流侧相电流的有效值:
I = ·I
续流管电流有效值：
I = ·I
令 0时，U2=220V,P出=50V×10A=500W。
Ud=0.9U2(1+ )/2=198V
方案二：采用LM339、ICL8083等构成的驱动电路虽然效果不是很好，但是它完全是硬件驱动，能更好的锻炼人的知识运用和能力的开发。
两个方案相比较而言我选择方案二。
3.2.2 驱动电路的设计
晶闸管门极触发信号由触发电路提供，由于晶闸管电路种类很多，如整流、逆变、交流调压、变频等；所带负载的性质也不相同，如电阻性负载、电阻—电感性负载、反电势负载等。尽管不同情况对触发电路的要求也不同，但是其基本的要求却是相同的，具体如下
这时Th2和D1都因承受反向电压而截至。同样，在电压u2的负半周时，Th2和D2承受正向电压。这时，如对晶闸管Th2引入触发信号，则Th2和D2导通，电流的通路为：u2-→Th2→R→D2→u2+。
这时Th1和D1处于截至状态。显然，与单相半波整流相比较，桥式整流电路的输出电压的平均值要大一倍，即
输出电压的平均值：
其对应波形原理图如图3.1所示
图 3.1 系统原理框图
图 3.2 波形原理图
3.2 驱动电路
3.2.1Leabharlann 驱动电路方案方案一：采用专用集成芯片产生驱动信号。专用集成芯片对于整个系统来说非常好：集成度高，不易产生各种干扰；产生的驱动信号精确度高，更便于系统的精确度：简单、省事，易于实现。但是，专用集成芯片的价格比较昂贵且不易购买；对于锻炼个人能力用专用芯片业很难达到效果。
3
3.1 系统总体原理框图
单相半控桥式整流电路的设计，我们首先对电路原理进行分析，通过分析，结合具体的性能指标求出相应的参数，然后在Matlab仿真软件中建立仿真模型，仿真模型采用交流输入电源，使用晶闸管和二极管作为整流器件，通过不断仿真、调试、不断修改参数，知道符合正确的参数要求。其系统原理框图如下图2.1
2.
2.1 主电路方案论证
方案
单相桥式半控整流电路虽然具有电路简单、调整方便、使用元件少等优点，而且不会导致失控显现，续流期间导电回路中只有一个管压降，少了一个管压降，有利于降低损耗。
方案
不含续流二极管的电路具有自续流能力，但一旦出现异常，会导致：一只晶闸管与两只二极管之间轮流导电，其输出电压失去控制，这种情况称之为“失控”。失控时的的输出电压相当于单相半波不可控整流时的电压波形。在失控情况下工作的晶闸管由于连续导通很容易因过载而损坏。因为半导体本身具有续流作用，半控电路只能将交流电能转变为直流电能，而直流电能不能返回到交流电能中去，即能量只能单方向传递。
a）触发信号应有足够的功率
这些指标在产品样本中均已标明，由于晶闸管元件门极参数分散性大，且触发电压、电流手温度影响会发生变化。例如元件温度为1000C时触发电流、电压值比在室温时低2—3倍；元件温度为-400C时触发电流、电压值比在室温时高2—3倍；为了使元件在各种工作条件下都能可靠的触发，可参考元件出厂的实验数据或产品目录，设计触发电路的输出电压、电流值，并留有一定的裕量。一般可取两倍左右的触发电流裕量，而触发电压按触发电流的大小来决定，但是应注意不要超过晶闸管门极允许的峰值功率和平均功率极限值。
经过比较本设计选择方案一含续流二极管的单相半控桥式整流电路能更好的达到设计要求。
2.2 主电路结构及其工作原理
单相桥式半控整流电路虽然具有电路简单、调整方便、使用元件少等优点，但却有整流电压脉动大、输出整流电流小的缺点。其使用的电路图如下图2.1所示。
图2.1 主体电路结构原理图
在交流输入电压u2的正半周（a端为正）时，Th1和D1承受正向电压。这时如对晶闸管Th1引入触发信号，则Th1和D1导通电流的通路为u2+→Th1→R→D1→u2-。
工业应用技术学院
课程设计任务书
题目单相半控桥式晶闸管整流电路的设计
专业、班级学号
主要容、基本要求、主要参考资料等：
一、主要容
（1）电源电压：交流220V/50Hz
（2）输出电压围：20V-50V
（3）最大输出电流：10A
（4）电源效率不低于70%
二、基本要求
1、主要技术指标
（1）具有过流保护功能，动作电流为12A；
[4] 康华光，大钦，电子技术基础-模拟部分（第5版）[M]，北京：高等教育，2005.
[4] 治明，电力电子器件基础[M]，北京：机械工业，2005.
[5] 吴丙申，模拟电路基础[M]，北京：北京理工大学，2007.
[6] 马建国，孟宪元，电力设计自动化技术基础[M]，北京：清华大学，2004.
完 成 期 限：
IVT= Id=Id=10.8A时，
此时流过续流二极管的电流最大为10.8A，取2倍电流安全储备，并考虑晶闸管元件额定电流系列取20A。
续流二极管两端的最大电压为Ud=220V, 取2～3倍电压安全储备，并考虑晶闸管额定电压系列去220V。所以选择续流二极管额定电压为220V,额定电流为20A的晶闸管和二极管，电感取无穷大，L=150H，R=20 。