1、学 号 09750130（电力电子技术课程设计）设 计 说 明 书单相桥式半控整流电路设计与仿真（=30）起止日期： 年 月 日 至 年 月 日学 生 姓 名 张 雅 容班 级 09 电 气 1 班 成 绩指 导 教 师 (签 字 )控制与机械学院2012 年 6 月 15 日目录一绪论 31.1 课程设计目的 31.2 设计任务 31.3 设计意义 3二设计内容 32.1 电路概述 32.1.1 电路结构 32.1.2 电阻性负载 42.1.3 阻感性负载 52.2 单相桥式半控整流电路的工作原理 5三元件的选择 63.1 晶闸管 63.1.1 晶闸管的结构和工作原理 63.1.2 晶闸管的
2、选择 73.2 电力二极管 83.3 触发电路 9四仿真分析 9五总结 .10六参考文献 .114摘要：设计单相桥式半控整流电路的电力电子电路并选取合适的器件参数，使用MATLAB进行建模与仿真，分析波形曲线。包括电路应用概述，参数选取，模型建立和电路仿真四部分。 关键字：单相桥式半控 整流一， 绪论1.1 课程设计目的合理运用所学知识，进行电力电子电路和系统设计的能力，理解和掌握常用的电力电子电路及系统的主电路、控制电路和保护电路的设计方法，掌握元器件的选择计算方法。1.2 设计任务设计指定题目的电力电子电路并选取合适的器件参数，使用 MATLAB进行建模与仿真，分析波形曲线。包括电路应用概
3、述，参数选取，模型建立和电路仿真四部分。要求论述清楚、简练、通顺，插图清晰整洁，使用 matlab进行建模与仿真，并上交 mdl文件。1.3 设计意义电力电子技术无论对改造传统工业（电力、机械、矿冶、交通、化工、轻纺等） ，还是对新建高技术产业（航天、激光、通信、机器人等）和高效利用能源均至关重要。我国目前仍旧是一个发展中的国家，尚处于前工业化阶段，传统产业仍然是我国国民经济的主力军，因此在近期或在较长一段时期内，传统产业的改造和发展将在很大程度上决定着我国经济的发展。而电力、机械、冶金、石油、化工、交通运输是传统产业的重要支柱，这些产业技术水平的高低直接关系到我国工业基础的强弱。毫无疑问，电
4、力电子技术是提高这些产业技术水平的重要手段，它是对我国传统产业实现技术改造、建立自动化工业体系的关键应用技术。下面就电力电子技术在国民经济各部门的应用进行简要讨论。概括起来说，电力电子技术主要应用于电机调速传动、工业供电电源、电力输配电和照明四大方面。自 20世纪 50年代末开始，电力电子技术在应用需求的推动下迅速发展成一门崭新的技术。可以预见，在 21世纪，电力电子技术在现代化社会的建设中的应用将起着重要作用并得到飞跃性的发展。中国是能耗大国，能源利用率很低，而能源储备不足，直流电是一种能够储备的能源，它不仅用于一般工业，也广泛用于交通运输、电力系统、通信系统、计算机系统、新能源系统等，在照
5、明、空调等家用电器及其他领域中也有着广泛应用。二，设计内容2.1 电路概述2.1.1 电路结构单相全控桥中，每个导电回路中有 2个晶闸管，1 个晶闸管可以用二极管代替，从而简化整个电路。如此即成为单相桥式半控整流电路（先不考虑 VDR） 。2.1.2 电阻性负载晶闸管在 a时触发导通，当电源电压过零变负时，电流降到零，晶闸管关断。5控制角 0= ，导通角 0=输出电压平均值为：电流平均值 Id 为：元件承受的最大正反向电压是:流过元件的平均电流为：Id /2 ttt000i2udidb)c)d)d d uVT1,42.1.3 阻感性负载单相半控桥式整流电路在电感性负载时也采用加接续流二极管的措
6、施。有了续流二极管，当电源电压降到零时，负载电流流经续流二极管，晶闸管因电流为零而关断，不会出现失控现象。 若晶闸管的导通角为 q，则每周期续流二极管导通时间为 2 - 2q，因此，输出电压平均值为：流过每只晶闸管的平均电流和流过续流二极管的平均电流分别为：元件承受的最大正反向电压是:62.2 单相桥式半控整流电路的工作原理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 id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
7、的一半。若在触发角 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。在 u负半周，仍在触发延迟角 处触发 VD2和 VT3，VD2 和 VT3导通，电流从电源 b端流出，经 VT3、R、VD2 流回电源 a端。到 u过零时，电流又降为零，VD2和 VT3关断。此后又是 VT1和 VD4导通，如此循环地工作下去。晶闸管承受的最大正向电压和反向电压分别为 U和 U。2由于在交流电源的正负半周都有整流输出电流流过负载，故该电路为全波整流。在 u一个周期内，整流电压波形脉动 2次，
8、脉动次数多于半波整流电路，7该电路属于双脉波整流电路。整流电压平均值为 121cos1cos2sin()0.92d UUtd =0时，U d=Ud0=0.9U； =1800时，U d=0。可见， 角的移相范围为 1800。向负载输出的直流电流平均值为 21cos1cos0.92d UIRR管子 VT1、VD4 和 VD2、VT3 轮流导电，流过管子的电流平均值只有输出直流电流平均值的一半，即 11cos0.4522dVTDdII流过晶闸管的电流有效值为 21sinsin2VTUUIttRR 三， 元器件的选择3.1 晶闸管晶闸管（Thyristor）是晶体闸流管的简称，又称作可控硅整流（SCR
9、） ，开辟了电力电子技术迅速发展和广泛应用的崭新时代。自 20世纪 80年代以来，晶闸管开始被性能更好的全控型器件取代。晶闸管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。3.1.1 晶闸管的结构和工作原理1）晶闸管的外形与结构图 2-2所示为晶闸管的外形、结构、电器图形符号和模块外形。从外形上来看，晶闸管也主要有螺栓型和平板型两种封装结构，均引出阳极 A、阴极 K和门极 G三个连接端。晶闸管内部是 PNP
10、N四层半导体结构，分别命名为 P1、N 1、P 2、N 2四个区。P1区引出阳极 A，N 2区引出阴极 K，P 2区引出门极 G。四个区形成 J1、J 2、J 3三个 PN结。如果正向电压加到器件上，则 J2处于反向偏置状态，器件 A、K 两端之间处于阻断状态，只能流过很小的漏电流；如果反向电压加到器件上，则 J1和 J3反偏，该器件也处于阻断状态，仅有极小的反向漏电流通过。2）晶闸管的工作原理晶闸管导通的工作原理可以用双晶体管模型来解释，如图 2-3所示。如在器件上取一倾斜的截面，则晶闸管可以看作由 P1N1P2和 N1P2N2构成的两个晶体管 V1、V 2组合而成。如果外电路向门极注入电流
11、 IG，也就是注入驱动电流，则IG流入晶体管 V2的基极。即产生集电极电流 Ic2，它构成晶体管 V1的基极电流，放大成集电极电流 Ic1，又进一步增大 V2的基极电流，如此形成强烈的正反馈，8最后 V1和 V2进入完全饱和状态，即晶闸管导通。此时如果撤掉外电路注入门极的电流 IG，晶闸管由于内部已形成了强烈的正反馈会仍然维持导通状态。而若要使晶闸管关断，必须去掉阳极所加的正向电压，或者给阳极施加反压，或者设法使流过晶闸管的电流降低到接近于零的某一数值以下，晶闸管才能关断。所以，对晶闸管的驱动过程更多的是成为触发，产生注入门极的触发电流 IG的电路称为门极触发电路。也正是由于通过其门极只能控制
12、其开通，不能控制其关断，晶闸管才被称为半控型器件。晶闸管在以下几种情况下也可能被触发导通：阳极电压升高至相当高的数值造成雪崩效应；阳极电压上升率 du/dt过高；结温较高；光直接照射硅片，即光触发。这些情况除了由于光触发可以保证电路与主电路之间的良好绝缘而应用于高压电力设备之外，其他都因不易控制而难以应用于实践。只有门极触发是最精确、迅速而可靠的控制手段。3.1.2 晶闸管的选择由于设计要求单相桥式半控整流电路输出电压范围为 0180 伏连续可调，即 1cos0.982dU化简得 40s取 U=200V，则 ，正好满足 的范围。即输出电压的 0180 伏1cosco对应着 角的 18000。输
13、出平均电流的最大值为 maxax180ddUIVR晶闸管承受的最大反向电压为 22.流过每个晶闸管的最大电流的有效值为 maxa1.7AdVTI故晶闸管的额定电压为 238.56.84.NUV:晶闸管的额定电流为 1.52.7/15.1NI A:3.2 电力二极管电力二极管（Power Diode）自 20 世纪 50 年代初期就获得应用，虽然是不可控器件，但其原理和结构简单，工作可靠，所以直到现在电力二极管仍然大量应用于许多电气设备当中。电力二极管实际上是由一个面积较大的 PN 结和两端引线以及封装组成的。9当 PN 结外加正向电压（正向偏置） ，即外加电压的正端接 P 区、负端接 N区时，
14、外加电场与 PN 结自建电场方向相反，使得多子的扩散运动大于少子的漂移运动，形成扩散电流，在内部造成空间电荷区变窄，而在外电路上则形成自 P 区流入而从 N 区流出的电流，称为正向电流 IF。当外加电压升高时，自建电场将进一步被削弱，扩散电流进一步增加。这就是 PN 结的正向导通状态。当 PN 结外加反向电压时（反向偏置） ，外加电场与 PN 结自建电场方向相同，使得少子的漂移运动大于多子的扩散运动，形成漂移电流，在内部造成空间电荷区变窄，而在外电路上则形成自 N 区流入而从 P 区流出的电流，称为反向电流 IR。但是少子的浓度很小，在温度一定时漂移电流的数值趋于恒定，被称为反向饱和电流 Is
15、，一般仅为微安数量级，因此反向偏置的 PN 结表现为高阻态，几乎没有电流流过，被称为反向截止状态。这就是 PN 结的单向导电性，二极管的基本原理就在于 PN 结的单向导电性这个主要特征。由于在单相桥式半控整流电路中，电力二极管所承受的电压和流经的电流与晶闸管相同，因此电力二极管参数的选定与晶闸管相同。3.3 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有如下要求 。第一，触发信号可为直流、交流或脉冲电压。第二，触发信号应有足够的功率（触发电压和触发电流） 。由晶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
16、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以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。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。第三，触发脉冲的宽度要能维持到晶闸管彻底导通
17、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。第四，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。第五，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。四，仿真分析用模型库中元器件组成的单相半波可控整流电路的仿真模型如图 1.10仿真波形图如图 2.=30单相桥式半控整流电路（阻感性
18、负载）五， 总结这次课程设计让我明白了很多关于电力电子技术方面的知识，尤其是在课本中没有完全介绍的。要完成这次课程设计，关靠书本知识是远远不够的，所以我查阅了很多关于电力电子的书籍，并且也通过网络查到了很多相关的知识，为这次课程设计做了很多帮助。对于课程设计的内容，首先要做的应是对设计内容的理论理解，在理论充分理解的基础上，才能做好课程设计，才能设计出性能良好的电路。整流电路中，基本元件的选择是最关键的，开关器件和触发电路选择的好，对整流电路的性能指标影响很大。11设计过程中，我明白了整流电路，尤其是单相半控桥式整流电路的重要性以及整流电路设计方法的多样性。这次的课程设计是我设计时间最长的一次
19、，也是收获最大的一次。虽然设计过程中遇到很多问题，尤其是保护电路的设计，因为课上没有讲到保护电路的内容，保护电路的理解不够全面，设计的时候是一头雾水，但还是在老师的帮助下，我一一解决了。另外通过这次课程设计，我对文档的编排也有了一定的掌握，这对于以后的毕业设计及工作需要都有很大的帮助，在完成课程设计的同时我也在复习一遍电力电子这门课程，把以前一些没弄懂的问题这次弄明白了一部分，当然没有全部。整个课程设计过程中，由于理论知识的缺乏，以及对课程设计的不熟悉，课程设计还有很多不足之处，在以后的课程设计中，希望能有所改善。六， 参考文献1.王兆安，黄俊主编电力电子技木第四版北京：机械工业出版社，2008年 1月2.刘志刚主编.电力电子学.第一版.北京：清华大学出版社，2004 年 6月3. METLAB应用技术 王忠礼 段慧达 高玉峰 清华大学出版社2007
