单相桥式全控整流电路

《电力电子技术》课程设计说明书

单相桥式全控整流电路

系、部：_电气与信息工程学院

学生姓名：刘亚龙

指导教师：曹志平

专业：电气工程及其自动化

班级：电气本1004班

完成时间：2013年6月13日

摘要

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实验和课程设计，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，而锯齿波移相触发三相晶闸管全控整流电路又有利于夯实基础，故我们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。

关键字：单结晶体管；单相晶闸管

目录

1 课程设计目的与要求 (1)

1.1课程设计目的 (1)

1.2课程设计的预备知识 (1)

1.3 课程设计要求 (1)

2 课程设计方案的选择 (2)

2.1整流电路 (2)

2.2元器件的选择 (2)

2.2.1晶闸管 (2)

2.2.2 可关断晶闸管 (3)

3 主电路的设计 (4)

3.1系统总设计框图 (4)

3.2系统主体电路原理及说明 (4)

3.3原理图的分析 (5)

4 辅助电路的设计 (7)

4.1驱动电路的设计 (7)

4.1.1触发电路 (7)

4.2保护电路的设计 (8)

4.2.1 主电路的过电压保护电路设计 (8)

4.2.2主电路的过电流保护电路设计 (9)

4.2.3电流上升率、电压上升率的抑制保护 (9)

5 元器件和电路参数计算 (11)

5.1. 晶闸管的基本特性 (11)

5.1.1．静态特性 (11)

图10 晶闸管门极伏安特性 (12)

5.1.2．动态特性 (12)

5.2晶闸管基本参数 (13)

5.2.1晶闸管的主要参数说明 (13)

5.2.2晶闸管的选型 (14)

5.2.3变压器的选取 (15)

5.3性能指标分析 (15)

5.4元器件清单 (15)

6 系统仿真 (16)

1 课程设计目的与要求

1.1课程设计目的

“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。因此，通过电力电子计术的课程设计达到以下几个目的：

1）培养综合应用所学知识，并设计出具有电压可调功能的直流电源系统的能力；

2）较全面地巩固和应用本课程中所学的基本理论和基本方法，并初步掌整流电路设计的基本方法。

3）培养独立思考、独立收集资料、独立设计的能力；

4）培养分析、总结及撰写技术报告的能力。

1.2课程设计的预备知识

熟悉电力电子技术课程、电机学课程的相关知识。

1.3 课程设计要求

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=500欧姆.

2、技术要求:

1)、电源电压：交流100V/50Hz

2)、输出功率：500W

3)、移相范围0o~90o

按课程设计指导书提供的课题，根据基本要求及参数独立完成设计。

2 课程设计方案的选择

2.1整流电路

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。

单相桥式全控整流电路（电阻-电感性负载）

电路简图如下：

T

L

u

(a)

图1 单相桥式全控整流电路简图

此电路对每个导电回路进行控制，与单相桥式半控整流电路相比，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。

单相全控桥式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。

单相全控桥式整流电路其输出平均电压是半波整流电路2倍，在相同的负载下流过晶闸管的平均电流减小一半，且功率因数提高了一半。

根据以上的分析，我选择的方案为单相全控桥式整流电路（负载为电阻-电感性负载）。

2.2元器件的选择

2.2.1晶闸管

晶管又称为晶体闸流管，可控硅整流（Silicon Controlled Rectifier--

SCR），开辟了电力电子技术迅速发展和广泛应用的崭新时代; 20世纪80年代以来，开始被性能更好的全控型器件取代。能承受的电压和电流容量最高，工作可靠，以被广泛应用于相控整流、逆变、交流调压、直流变换等领域，成为功率低频（200Hz以下）装置中的主要器件。晶闸管往往专指晶闸管的一种基本类型--普通晶闸管。广义上讲，晶闸管还包括其许多类型的派生器件。

1）晶闸管的结构

晶闸管是大功率器件，工作时产生大量的热，因此必须安装散热器。引出阳极A、阴极K和门极（或称栅极）G三个联接端。

2）晶闸管的门极触发条件

（1）: 晶闸管承受反向电压时，不论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通；

（2）：晶闸管承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情况下晶闸管才能导通；

（3）：晶闸管一旦导通门极就失去控制作用；

（4）：要使晶闸管关断，只能使其电流小到零一下。

的电路称为晶闸管的驱动过程更多的是称为触发，产生注入门极的触发电流Ｉ

Ｇ

门极触发电路。也正是由于能过门极只能控制其开通，不能控制其关断，晶闸管才被称为半控型器件。

2.2.2 可关断晶闸管

可关断晶闸管简称GTO

1）可关断晶闸管的工作原理

图2 GTO的结构、等效电路和图形符号

GTO的导通机理与SCR是完全一样的。 GTO一旦导通之后，门极信号是可以撤除的，在制作时采用特殊的工艺使管子导通后处于临界饱和，而不像普通晶闸管那样处于深饱和状态，这样可以用门极负脉冲电流破坏临界饱和状态使其关断。 GTO在关断机理上与SCR是不同的。门极加负脉冲即从门极抽出电流（即抽出饱和导通时储存的大量载流子），强烈正反馈使器件退出饱和而关断。

3 主电路的设计

3.1系统总设计框图

系统原理方框图如3所示：

图3 系统原理方框图

3.2系统主体电路原理及说明 T i 2

i d

L

R

u d

VT 3

VT 1VT 2VT 4

u 1u

2(a)

图4 阻感性负载电路（a ）、工作波形（b ）

假设

，工作于稳定状态，负载电流连续，近似为一平直的直线。 工作原理

在电源电压2u 正半周期间，VT1、VT2承受正向电压，若在αω=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，2u 过零变负时，电感上的感应电动势使VT1、VT2继续导通，直到VT3、保护电路

单相电源输出 驱动电路 负载电路

整流电路 R L >>ω

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2u 负半周期间，晶闸管VT3、VT4承受正向电压，在απω+=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πω2=t 时，电压2u 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2πα≤时，负载电流d i 才连续，当2

πα>时，负载电流不连续，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2

0π-。 （1）输出电压平均值

d U 和输出电流平均值d I (1) (2) （2）晶闸管的电流平均值dT I 和有效值T I (3)

(4) （3）输出电流有效值I 和变压器二次电流有效值2I

(5)

（4）晶闸管所承受的最大正向电压和反向电压均为 3.3原理图的分析

()()()ααωωαπαcos 9.0cos π22d sin 2π12

22d U U t t U U ===?+R

U I d d =d T 21I I =d dT 2

1I I =d I I I ==22

2U

L u1

图5 电路原理图

该电路主要由四部分构成，分别为电源，过电保护电路，整流电路和触发电路构成。输入的信号经变压器变压后通过过电保护电路，保证电路出现过载或短路故障时，不至于伤害到晶闸管和负载。在电路中还加了防雷击的保护电路。然后将经变压和保护后的信号输入整流电路中。整流电路中的晶闸管在触发信号的作用下动作，以发挥整流电路的整流作用。

在电路中,过电保护部分我们分别选择的快速熔断器做过流保护,而过压保护则采用RC电路。这部分的选择主要考虑到电路的简单性，所以才这样的保护电路部分。整流部分电路则是根据题目的要求，选择的我们学过的单相桥式整流电路。该电路的结构和工作原理是利用晶闸管的开关特性实现将交流变为直流的功能。触发电路是由设计题目而定的，题目要求了用单结晶体管直接触发电路。单结晶体管直接触发电路的移相范围变化较大，而且由于是直接触发电路它的结构比较简单。一方面是方便我们对设计电路中变压器型号的选择。

4 辅助电路的设计

4.1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。

4.1.1触发电路

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。

4.2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。

4.2.1 主电路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。

1.交流侧过电压保护

过电压产生过程：电源变压器初级侧突然拉闸，使变压器的励磁电流突然切断，铁芯中的磁通在短时间内变化很大，因而在变压器的次级感应出很高的瞬时电压。

保护方法：阻容保护

2.直流侧过电压保护

过电压产生过程：当某一桥臂的晶闸管在导通状态突然因果载使快速熔断器熔断时，由于直流住电路电感中储存能量的释放，会在电路的输出端产生过电压。

保护方法：阻容保护

整流主电路

交流侧直流侧

图6 主电路的过电压保护

4.2.2主电路的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。

4.2.3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。如下图7所示:

图7 串联电感抑制回路

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。如图8所示：

图8 并联R-C阻容吸收回

5 元器件和电路参数计算

5.1. 晶闸管的基本特性

5.1.1．静态特性

静态特性又称伏安特性，指的是器件端电压与电流的关系。这里介绍阳极伏安特性和门极伏安特性。

（1）阳极伏安特性

晶闸管的阳极伏安特性表示晶闸管阳极与阴极之间的电压U ak与阳极电流i a 之间的关系曲线，如图9所示。

图9 晶闸管阳极伏安特性

①正向阻断高阻区；②负阻区；③正向导通低阻区；④反向阻断高阻区

阳极伏安特性可以划分为两个区域：第Ⅰ象限为正向特性区，第Ⅲ象限为反向特性区。第Ⅰ象限的正向特性又可分为正向阻断状态及正向导通状态。（2）门极伏安特性

，门极伏安特性就是指这个PN结晶闸管的门极与阴极间存在着一个PN结J

3

上正向门极电压U g与门极电流I g间的关系。由于这个结的伏安特性很分散，无法找到一条典型的代表曲线，只能用一条极限高阻门极特性和一条极限低阻门极特性之间的一片区域来代表所有元件的门极伏安特性，如图10阴影区域所示。

图10 晶闸管门极伏安特性

5.1.2．动态特性

晶闸管常应用于低频的相控电力电子电路时，有时也在高频电力电子电路中得到应用，如逆变器等。在高频电路应用时，需要严格地考虑晶闸管的开关特性，即开通特性和关断特性。

（1）开通特性

晶闸管由截止转为导通的过程为开通过程。图11给出了晶闸管的开关特性。在晶闸管处在正向阻断的条件下突加门极触发电流，由于晶闸管内部正反馈过程及外电路电感的影响，阳极电流的增长需要一定的时间。从突加门极电流时刻到阳极电流上升到稳定值I T的10%所需的时间称为延迟时间t d，而阳极电流从10%I T 上升到90%I T所需的时间称为上升时间t r，延迟时间与上升时间之和为晶闸管的开通时间t gt=t d+t r，普通晶闸管的延迟时间为0.5～1.5μs，上升时间为0.5～3μs。延迟时间随门极电流的增大而减少，延迟时间和上升时间随阳极电压上升而下降。

图11 晶闸管的开关特性

（2）关断特性

通常采用外加反压的方法将已导通的晶闸管关断。反压可利用电源、负载和辅助换流电路来提供。

要关断已导通的晶闸管，通常给晶闸管加反向阳极电压。晶闸管的关断，就

是要使各层区内载流子消失，使元件对正向阳极电压恢复阻断能力。突加反向阳极电压后，由于外电路电感的存在，晶闸管阳极电流的下降会有一个过程，当阳极电流过零，也会出现反向恢复电流，反向电流达最大值I RM 后，再朝反方向快

速衰减接近于零，此时晶闸管恢复对反向电压的阻断能力。

5.2晶闸管基本参数

5.2.1晶闸管的主要参数说明

1、额定电压U Tn

通常取U DRM 和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 {}RRM DRM Tn U U U ,m in =

U Tn =（2～3）U TM

U TM ：工作电路中加在管子上的最大瞬时电压

2、额定电流I T(AV)

I T(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。

I Tn ：额定电流有效值，根据管子的I T(AV) 换算出，

I T(AV) 、I TM I Tn 三者之间的关系：

TM

Tn I t d t I 5.02Im/)()sin (Im 2/102===?πωωπ (6) TM AV T I t td I 318.0Im/)(sin Im 2/10)(===?πωωππ (7)

3、 维持电流I H

维持电流是指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。维持电流与结温有关，结温越高，维持电流越小，晶闸管越难关断。

4、 掣住电流I L

晶闸管刚从阻断状态转变为导通状态并撤除门极触发信号，此时要维持元件

导通所需的最小阳极电流称为掣住电流。一般掣住电流比维持电流大（2～4）倍。

5、通态平均管压降 U T(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 。

6、门极触发电流I g 。在常温下，阳极电压为6V 时，使晶闸管能完全导通所

用的门极电流，一般为毫安级。

7、 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。

8、 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。

9、波形系数：有直流分量的电流波形，其有效值I 与平均值d I 之比称为该波形的波形系数，用K f 表示。 d f I I

K =

(8) 额定状态下， 晶闸管的电流波形系数

57

.12)(===πAV T Tn

f I I K (9)

5.2.2晶闸管的选型

该电路为大电感负载，电流波形可看作连续且平直的。

V U d 100=时，不计控制角余量按o 0=α计算 由29.0U U d = 得 9.02Ud U ==111V 考虑2倍裕量：2U 取222V

晶闸管的选择原则：

Ⅰ、所选晶闸管电流有效值Tn I 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

TM AV T Tn I I I )2~5.1(57.1)(==

57

.1)2~5.1()(TM AV T I I ≥ 当A d 5=I 时，

晶闸管额定电流

A Id I AV T 2.357.1557.1)(===

考虑2倍裕量：)(AV d I 取6.4A

所以在本次设计中我选用4个KP10-3的晶闸管。

5.2.3变压器的选取

根据参数计算可知:变压器应选变比为,

容量至少为VA 500。 5.3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

d U =()t td ωωπαπαsin U 21

2?+=απcos 2

22U =αcos 9.02U (10)

2)纹波系数

纹波系数r K 用来表示直流输出电压中相对纹波电压的大小，即

d d d Lr r U U U U U K 222-== （11）

5.4元器件清单

2.21002202===V V U U K d

6 系统仿真

带电阻电感性负载的仿真：

启动MATLAB，进入SIMULINK后建文档，绘制单相桥式全控整流电路模型，如图，双击各模块，在出现的对话框内设置模块。

图12 单相桥式全控整流电路模型

设置好各模块参数，单击工具栏“Simulation”菜单下的“Start”命令进行仿真。双击各模块，得到仿真结果。