1、 電力電子技術課程設計手冊單相橋式整流電路設計目錄1. 設計任務說明 3.2. 選項選擇. 42.1 設備介紹 42.2 整流電路對比 63. 輔助電路設計 93.1 驅動電路設計 93.2 保護電路設計 133.3 過壓保護 143.4 電流上升率和電壓上升率抑制保護 15四、主電路設計 164.1 主電路原理及說明 164.2 感性負載可控整流電路 164.3 主電路設計 174.5主要部件說明 184.5 性能指標分析 204.6 零件清單 215. 設計總結. 226. 參考文獻. 23一、單相橋式整流電路設計說明一、設計任務及要求： （一）設計任務： 1、對比設計方案，選擇設計方案；

2、 2、完成單元電路的設計和主要元器件的描述； 3.完成主電路原理分析，各主要元器件的選型； 4、驅動電路和保護電路的設計； （2）設計要求： 1、單相橋式相控整流器的設計要求是： 1）。負載為感性負載，L=700mH，R=500歐。二、技術要求： （1）。電網供電電壓為220V單相； (2)。電網電壓波動+5%-10%； (3) 輸出電壓為0100V。2. 方案的選擇單相橋式整流電路可分為單相橋式全控整流電路和單相橋式半控整流電路，根據電路的性質不同有不同的特點。它們連接到的負載。下面分析兩個帶感性負載的單相橋式整流電路的工作情況。單相半控整流電路的優點是：電路簡單，調整方便。缺點是：輸出電壓

3、脈沖大，負載電流脈沖大（阻性負載時），整流變壓器次級繞組中有直流分量，使鐵心磁化，變壓器不能充分利用。單相全控整流電路具有輸出電流脈沖小、功率因數高、變壓器二次電流兩個相等的相反半波、無直流磁化問題、變壓器利用率高等優點。單相全控整流電路的平均輸出電壓是半波整流電路的兩倍，相同負載下流過晶閘管的平均電流減少一半；功率因數增加一半。單相半波可控整流電路由于性能較差，在實際應用中很少使用，更多的單相全控橋式整流電路用于中小功率應用。根據以上對比分析，選擇的方案是單相全控橋式整流電路（負載為阻性和感性負載）。2.1。組件的選擇2.1.1 晶閘管介紹晶體管又稱晶閘管、可控硅（Silicon Contr

4、olled Rectifier-SCR），開創了電力電子技術快速發展和廣泛應用的新紀元；由控制裝置代替。能承受最高電壓和電流容量，工作可靠。廣泛應用于相控整流、逆變、交流穩壓、直流變換等領域，已成為電力低頻（200Hz以下）器件中的主要器件。晶閘管常指晶閘管的一種基本類型普通晶閘管。從廣義上講，晶閘管還包括其多種類型的衍生物2.1.1.1 晶閘管的結構晶閘管是大功率器件，工作時會產生大量熱量，因此必須安裝散熱器。概要：螺栓型和扁平型封裝。電氣圖形符號：引出陽極A、陰極K和柵極（或柵極）G三個接線端子。模塊形狀：對于螺栓式封裝，螺栓通常是它的陽極，可以與散熱器緊密連接，易于安裝。扁平型封裝的晶閘

5、管可以被兩個散熱片夾在中間。外部結構：四層三結如圖2-1所示。圖2-1晶閘管外形、零件結構、電氣圖形符號及模塊外形a) 晶閘管外形 b) 部件結構 c) 電氣圖形符號 d) 模塊外形2.1.1.2 晶閘管工作原理圖晶閘管由四層半導體（P 1 、N 1 、P 2 、N 2 ）組成，形成三個結J 1 （P 1 N 1 ）、J 2 （N 1 P 2 ）、J 3 （P 2 N 2 ) ，分別從P 1 、P 2和N 2引入三個電極A、G和K ，如圖2-2（左）所示。由于擴散過程，一個三結四層結構的普通晶閘管可以等效為兩個晶閘管T 1 (P 1 -N 1- P 2 )和(N 1 -P )，如圖2-2(右)

6、 2 - N 2 ) 形成等效電路。圖 2-2 晶閘管的部分結構及等效電路注入柵極的IG稱為柵極觸發電路。正是由于門只能控制導通，不能控制關斷，晶閘管才被稱為半控器件。其他幾種可能的開啟情況：1）陽極電壓上升到一個比較高的值引起雪崩效應；2）陽極電壓上升率du/dt過高；3）結溫較高；4）光直接照射硅片，即光觸發：只有光控晶閘管的門極觸發是最準確、最快速、最可靠的控制方式。2.1.2 關斷晶閘管關斷晶閘管簡稱為GTO。它具有普通晶閘管的所有優點，如高耐壓、大電流。同時，它是一個全控器件，即在正柵極脈沖電流觸發時開啟，在負脈沖電流觸發時關閉。2.1.2.1 關斷晶閘管的結構GTO的外部結構與普通

7、晶閘管相同。它是一個 PNPN 四層結構。如圖 2-3 所示，陽極 A、陰極 K 和柵極 G 從外部引出。與普通晶閘管不同，GTO是一種多單元功率集成器件。小型GTO電池包含十個甚至上百個共陽極，這些GTO電池的陰極和柵極在器件部分并聯，使器件的功率可以達到可觀的數值。圖2-3 GTO的結構、等效電路及圖形符號2.1.2.2 關斷晶閘管的工作原理GTO的傳導機制與SCR的傳導機制完全相同。 GTO一旦導通就可以去掉門極信號，并采用特殊工藝使管子在導通后處于臨界飽和狀態，而不是像普通晶閘管那樣處于深度飽和狀態，可以被負向破壞柵極脈沖電流。臨界飽和條件將其關閉。 GTO 與 SCR 的關斷機制不同

8、。當對柵極施加負脈沖時，從柵極汲取電流（即提取飽和導通時存儲的大量載流子），強正反饋使器件退出飽和并關斷。2.1.3 晶閘管的導數在晶閘管家族中，除了最常用的普通晶閘管外，根據不同的實際需要，還生產了一系列衍生器件，主要有快速晶閘管（FST）、雙向可控硅（TRIAL）、關斷晶閘管等。 (GTO)、反向導通晶閘管、(RCT)和光控晶閘管。2.2 整流電路我們知道，單相整流器的電路形式多種多樣，整流器結構也很多。因此，在進行設計之前，我們主要考慮了以下幾個選項：方案一：單相橋式半控整流電路電路圖如下：圖 2-4控制每個導電回路，比全控橋少一個控制器件，用二極管代替，有利于降低損耗！如果不加續流二極

9、管，當突然增大到180或啟動脈沖丟失時，由于電感儲能并沒有通過變壓器次級繞組釋放，只消耗在負載電阻上，而一個晶閘管將被打開，兩個二極管將被打開。在交變導通的情況下，這使得ud為半正弦波，即半周ud為正弦波，另一半周ud為零，其平均值保持穩定，相當于波形單相半波不可控整流電路，即失控。因此，必須增加一個續流二極管以避免失控。方案二：單相橋式全控整流電路電路圖如下：圖 2-5該電路在不使用續流二極管的情況下控制每個導電回路，并且不會失控。負載形式多樣，整流效果好，波形穩定，應用廣泛。在變壓器次級繞組中，正負半周電流方向相反，波形對稱，平均值為零，即直流分量為零。變壓器不存在直流磁化問題，變壓器的利

10、用率也很高。方案三：單相半波可控整流電路：電路圖如下：圖 2-6該電路只需要一個可控器件，電路比較簡單，VT的a相移范圍為180 。但輸出脈沖較大，變壓器二次側電流中含有直流分量，導致變壓器鐵芯直流磁化。為了使變壓器鐵芯不飽和，需要增加鐵芯的截面積，增加設備的容量。事實上，這種電路很少使用。方案四：單相全波可控整流電路：電路圖如下：圖 2-7該電路中的變壓器有一個中心抽頭，結構比較復雜。只要用兩個可控器件，單相全波只用兩個晶閘管，比單相全控橋少兩個，所以管壓降少一個，對應的還有也少了2個門極驅動電路，但是晶閘管能承受的最大電壓是單相全控橋的2倍。不存在直流充磁問題，適用于輸出電壓低、電流脈沖大

11、的場合（阻性負載時），且整流變壓器次級繞組中存在直流分量，使鐵芯充磁，變壓器不能充分利用。本發明的單相全控整流電路具有輸出電流脈沖小、功率因數高、變壓器二次電流兩個相等相反的半波、無直流磁化問題、變壓器利用率高等優點。相同負載下，流過晶閘管的扁平單相全控整流電路平均輸出電壓是半波整流電路的兩倍，平均電流降低一半，功率因數提高一半.根據以上對比分析，選擇的方案是單相全控橋式整流電路（負載為阻性和感性負載）。綜上所述，鑒于它們的優缺點，我們采用第二種方案，即單相橋式全控整流電路。3、驅動電路的設計3.1 驅動電路設計3.1.1 觸發電路的演示與選擇3.1.1.1 單結晶體管的工作原理單結晶體管原理

12、單結晶體管（簡稱UJT）又稱基極二極管，是一種只有一個PN結和兩個電阻接觸電極的半導體器件。其襯底為條狀高阻N型硅片。端子分別引出具有歐姆接觸的兩個基極電極b 1和b 2 。在略微偏向b 2側的硅晶片的中間，通過合金化制成P區作為發射極e。其結構、符號及等效電量見圖3-1。圖 3-13.1.1.2單結晶體管的特性由圖3-1 可知，b 1和 b 2兩個基極之間的電阻稱為基極電阻。r b b = r b 1 + rb 2式中： rb 1 第一基極與發射結之間的電阻，其值隨發射極電流i e而變化，rb 2為第二基極與發射結之間的電阻，其值與i e無關緊要；發射結是一個PN結，相當于一個二極管。雙面三

13、極底座b 2和b 1之間加一個正電壓v b b ，A點電壓為：V A =rb 1 /(rb 1 +rb 2 )vb b =(rb 1 /rb b )vb b = v b b式中：稱為分壓比，其值一般在0.3-0.85之間。如果發射極電壓V E從零開始逐漸增大，就可以測量出單結晶體管的伏安特性，如圖3-2所示：圖 3-2 單結晶體管的伏安特性( 1) 當V e Vb b時，發射結處于反偏，管子關斷，發射極只有很小的漏電流I ceo 。(2) 當V e Vb b +VD VD 為二極管正向壓降（約0.7V）時，PN結正向導通，I e明顯增大，rb 1的阻值迅速減小，V e相應減小。電壓隨電流增大而

14、減小的特性稱為負電阻特性。管子從截止區進入負阻區的臨界P稱為峰點，對應的發射極電壓和電流分別稱為峰點電壓Ip和峰點電流Ip 。 I p是正向泄漏電流，它是開啟單結晶體管所需的最小電流，顯然 V p = Vbb 。隨著發射極電流I e 的不斷上升，V e繼續下降。到達點 V 后，V e不再下降。該點V稱為谷點，對應的發射極電壓和電流稱為谷電壓V v和谷電流I v 。(4) V經過后，發射極和第一基極之間半導體的載流子達到飽和狀態，所以當u c繼續增大時，i e緩慢上升。顯然，V v是為了維持單結晶體管的導通。的最小發射極電壓，如果 V e 時，負載上的電流是不連續的；當電感L增加時，負載上電流不

15、連續的可能性會降低；當電感 L 很大，且 L d R d時，這種負載稱為大感性負載。這時，大電感阻止了負載中電流的變化，負載電流是連續的，可視為一條水平直線。各電源的波形圖如圖4-1（右）所示。在電源電壓u 2的正半周期間，晶閘管T 1和T 2承受正向電壓。如果在t=時觸發，則T 1和T 2導通，電流流過T 1 、負載、T 2和Tr兩次。形成了一個回路，但由于大電感的存在，當u 2過零變為負時，電感上的感應電動勢使T 1和T 2繼續導通，直到T 3和T 4被觸發，并且T 1和T 2發生逆反應。切斷電壓。輸出電壓的波形有負部分。在電源電壓u 2的負半周期間，晶閘管T 3和T 4 承受正向電壓，當

16、t= + 時觸發， T 3和T 4導通，T 1和T 2被控制在相反方向，并且負載電流從換向在T 1和T 2到T 3和T 4 。當t=2時，電壓u 2過零，由于電感中的感應電動勢，T 3和T 4一直導通，直到下一個周期T 1和T 2導通，T 3和T 4 是由于施加的反向電壓剛剛結束。值得注意的是負載電流只有在/2時負載電流是不連續的，輸出電壓的平均值接近于零，所以本電路控制角度 相移范圍為 0/2。4.2 感性負載可控整流電路4.2.1單相全控橋式整流電路在生產實踐中，除阻性負載外，最常見的負載是感性負載，如電機的勵磁繞組、整流電路中串聯的濾波電抗器等。為便于分析計算，電路圖中將電阻和電感分別表

17、示出來。 當整流電路有感性負載時，整流器工作的物理過程和電壓電流波形與阻性負載不同。因為電感對電流的變化有阻礙作用，即電感元件中的電流圖4-1 單相全控橋式整流電路感性負載及其波形電路; (b) 電源電壓； (c) 觸發脈沖； (d) 輸出電壓； (e) 輸出電流； (f) 晶閘管上的電流 V -1 、 V -4 ； (g) 晶閘管V -2 ，V -3 上的電流； (h) 變壓器的二次電流； (i)晶閘管V -1 、V -4 上的電壓不能突變。當電流變化時，電感會產生感應電動勢，阻礙其變化。因此，電路電流的變化總是滯后于電壓的變化負載電流連續時，整流電壓的平均值可計算如下：由于電感量大，平滑效

18、果好，輸出電流波形為水平線。兩組晶閘管依次通電，在一個周期內各自通電180，與無關。變壓器次級繞組中電流i 2的波形為正負對稱方波。負載電流的平均值I d等于有效值I ，其形狀因數為 1。在這種情況下： 當 =0時， U d =0.9 U 2 ； 當=90時， U d =0，相移范圍為90。 晶閘管所能承受的最大正向和反向電壓都是。流過每個晶閘管的電流的平均值和有效值為4.3 主電路設計4.3.1主電路示意圖4.3.2 原理圖分析該電路主要由電源、過流保護電路、整流電路和觸發電路四部分組成。輸入信號經變壓器變換后通過過流保護電路，保證電路過載或短路時晶閘管和負載不會損壞。電路中還增加了防雷電路

19、。然后將經過變壓保護的信號輸入整流電路，整流電路中的晶閘管在觸發信號的作用下工作，發揮整流電路的整流功能。在電路中，我們為過流保護選用的快速熔斷器為過流保護，而過壓保護采用RC電路。這部分的選擇主要考慮電路的簡單性，所以保護電路這部分是唯一的部分。電路的整流部分就是我們根據題目要求學習的單相橋式整流電路。該電路的結構和工作原理是利用晶閘管的開關特性來實現將交流轉換為直流的功能。觸發電路由設計問題決定，需要使用單結晶體管直接觸發電路。單結晶體管直接觸發電路的相移變化很大，而且由于是直接觸發電路，其結構也比較簡單。一方面，方便我們在設計電路中選擇變壓器型號。4.4 主要部件說明由于帶感性負載主電路的單相橋式全控整流器的主要元件是晶閘管，因此在選擇元件時主要考慮晶閘管的參數及其選擇原則。4.4.1 晶閘管的主要參數如下：考慮到2倍的余量，晶閘管所能承受的最大電壓為400V。那么晶閘管的額定電流=10A（輸出電流的有效值為最小值，所以額定電流也是最小值）?？紤]2倍余量，取20A。即晶閘管的額定電流至少應大于20A。在本設計中，我選擇了 4 個 KP20-4 晶閘管。整流電