1、单相桥式全控整流电路的设计摘 要电力电子学主要研究各种电力电子器件，以及由这些电力电子器件所构成的各式各样的电路或装置，以完成对电能的变换和控制。它既是电子学在强电(高电压、大电流)或电工领域的一个分支，又是电工学在弱电(低电压、小电流)或电子领域的一个分支，或者说是强弱电相结合的新科学。电力电子学是横跨“电子”、“电力”和“控制”三个领域的一个新兴工程技术学科。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。在电
2、能的生产和传输上，目前是以交流电为主。电力网供给用户的是交流电，而在许多场合，例如电解、蓄电池的充电、直流电动机等，需要用直流电。要得到直流电，除了直流发电机外，最普遍应用的是利用各种半导体元件产生直流电。这个方法中，整流是最基础的一步。整流，即利用具有单向导电特性的器件，把方向和大小交变的电流变换为直流电。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。整流电路应用非常广泛，而单相全控桥式晶闸管整流电路又有利于夯实基础，故我们将单结晶体管触发的单相晶闸管全控整流电路这一
3、课题作为这一课程的课程设计的课题。关键词：单相，桥式，全控目 录摘 要 .11. 工作原理 .11.1 IGBT 的简介 11.1.1 IGBT 的概述 .11.1.2 IGBT 的基本特性 .11.1.3 IGBT 的参数特点 .21.2 单相桥式全控整流电路的基本原理 .31.2.1 电路组成 .31.2.2 工作原理 .32. 电路总体设计 .52.1 总电路图 .52.2 确定各器件参数 .52.2.1 参数关系 .52.2.2 参数的计算 .62.3 晶闸管的选择 .73. 触发电路的设计 .84. 工作过程及参数设定 .94.1 工作过程 .94.2 参数设定和仿真图 .94.2.
4、1 触发角为 9064.2.2 触发角为 .1195. 心得体会 12参 考 文 献 13单相桥式全控整流电路的设计 11.工作原理1.1 IGBT的简介1.1.1 IGBT的概述IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，绝缘栅双极型功率管，是由 BJT(双极型三极管)和 MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式电力电子器件, 兼有 MOSFET 的高输入阻抗和 GTR 的低导通压降两方面的优点。GTR 饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大;MOSFET 驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。IGBT 综合了以上两种器件的优点，
5、驱动功率小而饱和压降低。非常适合应用于直流电压为 600V 及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域.正式商用的 IGBT 器件的电压和电流容量还很有限，远远不能满足电力电子应用技术发展的需求；高压领域的许多应用中，要求器件的电压等级达到 10KV 以上，目前只能通过 IGBT 高压串联等技术来实现高压应用。国外的一些厂家如瑞士 ABB 公司采用软穿通原则研制出了 8KV 的 IGBT 器件，德国的 EUPEC 生产的 6500V/600A 高压大功率 IGBT 器件已经获得实际应用，日本东芝也已涉足该领域。与此同时，各大半导体生产厂商不断开发 IGBT 的高耐压
6、、大电流、高速、低饱和压降、高可靠性、低成本技术，主要采用 1m 以下制作工艺，研制开发取得一些新进展。图 1-1 IGBT 等效电路和电气图形符号1.1.2 IGBT的基本特性IGBT 的基本特性分为动态特性和静态特性。陕西科技大学课程设计说明书 2IGBT 的静态特性主要有伏安特性、转移特性和开关特性。 IGBT 的伏安特性是指以栅源电压 为参变量时，漏极电流与栅极电压之间的关系曲gsu线。输出漏极电流比受栅源电压 的控制， 越高，Id 越大。它与 GTR 的输出特gsu性相似也可分为饱和区 1 、放大区 2 和击穿特性 3 部分。在截止状态下的 IGBT ，正向电压由 J2 结承担，反向
7、电压由 J1 结承担。如果无 N+ 缓冲区，则正反向阻断电压可以做到同样水平，加入 N+缓冲区后，反向关断电压只能达到几十伏水平，因此限制了 IGBT 的某些应用范围。 IGBT 的转移特性是指输出漏极电流 Id 与栅源电压 之间的关系曲线。它与gsuMOSFET 的转移特性相同，当栅源电压小于开启电压 时，IGBT 处于关断状态。在IGBT 导通后的大部分漏极电流范围内， Id 与 呈线性关系。最高栅源电压受最大gs漏极电流限制，其最佳值一般取为 15V 左右。 IGBT 的开关特性是指漏极电流与漏源电压之间的关系。IGBT 处于导通态时，由于它的 PNP 晶体管为宽基区晶体管，所以其值极低
8、。尽管等效电路为达林顿结构，但流过 MOSFET 的电流成为 IGBT 总电流的主要部分。IGBT 动态特性在开通过程中，大部分时间是作为 MOSFET 来运行的，只是在漏源电压下降过程后期，PNP 晶体管由放大区至饱和，又增加了一段延迟时间。t(on)为开通延迟时间， 为电流上升时间。实际应用中常给出的漏极电流开通时间 t(on)即为 t(on)rit之和。漏源电压的下降时间由 tfe1 和 tfe2 组成。 ritIGBT 的触发和关断要求给其栅极和基极之间加上正向电压和负向电压，栅极电压可由不同的驱动电路产生。当选择这些驱动电路时，必须基于以下的参数来进行：器件关断偏置的要求、栅极电荷的
9、要求、耐固性要求和电源的情况。因为 IGBT 栅极- 发射极阻抗大，故可使用 MOSFET 驱动技术进行触发，不过由于 IGBT 的输入电容较MOSFET 为大，故 IGBT 的关断偏压应该比许多 MOSFET 驱动电路提供的偏压更高。 IGBT 在关断过程中，漏极电流的波形变为两段。因为 MOSFET 关断后，PNP 晶体管的存储电荷难以迅速消除，造成漏极电流较长的尾部时间，td(off)为关断延迟时间,为电压 的上升时间。rvtdsuIGBT 的开关速度低于 MOSFET，但明显高于 GTR。IGBT 在关断时不需要负栅压来减少关断时间，但关断时间随栅极和发射极并联电阻的增加而增加。IGB
10、T 的开启电压约34V，和 MOSFET 相当。IGBT 导通时的饱和压降比 MOSFET 低而和 GTR 接近，饱和压降随栅极电压的增加而降低。1.1.3 IGBT的参数特点（1）开关速度高，开关损耗小。在电压 1000V 以上时，开关损耗只有 GTR 的1/10，与电力 MOSFET 相当 。（2）相同电压和电流定额时，安全工作区比 GTR 大，且具有耐脉冲电流冲击能力 单相桥式全控整流电路的设计 3。陕西科技大学课程设计说明书 4（3）通态压降比 VDMOSFET 低，特别是在电流较大的区域。（4）输入阻抗高，输入特性与 MOSFET 类似 。（5）与 MOSFET 和 GTR 相比，耐
11、压和通流能力还可以进一步提高，同时保持开关频率高的特点。1.2 单相桥式全控整流电路的基本原理1.2.1 电路组成该电路为单相桥式全控整流电路，由变压器四个晶闸管电感及电阻组成，如图 1-2 所示。图 1-2 单相桥式全控整流电路图带阻感负载1.2.2 工作原理第一阶段：在 U2 正半波的（0）区间： 晶闸管 VT1、VT4 承受正压，但无触发脉冲，处于关断状态。假设电路已工作在稳定状态，则在 0 区间由于电感释放能量，晶闸管 VT2、VT3 维持导通。第二阶段：在 U2 正半波的 时刻及以后：在 处触发晶闸管 VT1、VT4 使其导通，t t电流沿 aVT1LRVT4bTr 的二次绕组a 流
12、通，此时负载上有输出电压（）和电流。电源电压反向加到晶闸管 VT2、VT3 上，使其承受反压而处于关断状2ud态。第三阶段：在 U2 负半波的（+）区间：当 时，电源电压自然过零，感应电势t使晶闸管 VT1、VT4 继续导通。在电压负半波，晶闸管 VT2、VT3 承受正压，因无触发单相桥式全控整流电路的设计 5脉冲，VT2、VT3 处于关断状态。第四阶段：在 U2 负半波的 =+ 时刻及以后：在 =+ 处触发晶闸管 VT2、VT3 使其tt导通，电流沿 bVT3LRVT2aTr 的二次绕组b 流通，电源电压沿正半周期的方向施加到负载上，负载上有输出电压（ ）和电流。此时电源电压反向加到2udV
13、T1、VT4 上，使其承受反压而变为关断状态。晶闸管 VT2、VT3 一直要导通到下一周期wt=2+ 处再次触发晶闸管 VT1、VT4 为止。90 输出电压波形正负面积相同，平均值为零，所以移相范围是 090。控制角 在 090 之间变化时，晶闸管导通角 =，导通角 与控制角 无关。1.2.3 电路分析 在 U2 正半周期，触发角 处给晶闸管 VT1 和 VT4 加触发脉冲使其开通,Ud=U2。负载中有电感存在是负载电流不能突变，电感对负载电流起平波作用，假设负载电感很大，负载电流连续，且波形近似为一水平线。U2 过零变负时，由于电感的作用晶闸管 VT1 和 VT4 中仍流过电流 id，并不关
14、断。 至 wt=+ 时刻，给 VT2 和 VT3 加触发脉冲，VT2 和 VT3 承受正向电压导通。U2通过 VT2 和 VT3 分别向 VT1 和 VT4 施加反压使 VT1 和 VT4 关断，流过 VT1 和 VT4 的电流迅速转移到 VT2 和 VT3 上，此过程称为换相，亦称换流。图 1-3 单相桥式全控整流电路带阻感负载电路波形陕西科技大学课程设计说明书 62.电路总体设计2.1 总电路图图 2-1 单相桥式全控整流电路的设计2.2 确定各器件参数2.2.1 参数关系(1) 输出电压平均值 和输出电流平均值dUdI cos9.0cos2)(sin21 2d UtURId(2) 晶闸管
15、的电流平均值 和有效值 dT21IdTIIddT70.21II单相桥式全控整流电路的设计 7(3) 输出电流有效值 I 和变压器二次电流有效值 2Id2II(4) 晶闸管所承受的最大正向电压和反向电压均为： 2u2.2.2 参数的计算(1). 在阻感负载下电流连续，整流输出电压的平均值为 VUd 452/1*09.cos9.02 (2). 变压器二次侧输出电压为 Utd10sin2122(3). 整流输出电流平均值为 AUPId1.450(4). 变压器二次侧电流为Id1.2(5). 电阻为 05.41.dIUR(6). 晶闸管承受的最大反向电压为 V4.1202(7). 晶闸管的额定电压为U
16、N4283.143(8). 流过晶闸管电流有效值为陕西科技大学课程设计说明书 8AIdVT85.72(9). 晶闸管的额定电流为IIVTN105.7.15(10). U1=220V U2=100V 变压器变比为 K=U1/U2=220/100=2.22.3 晶闸管的选择(1) 额定电压 TNU通常取 和 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DRM选用管子时，额定电压应为正常工作峰值电压的 23 倍，以保证电路的工作安全。(2) 额定电流 (AV) TI(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TI在电阻性负载流过正弦半波、导通角不小于
17、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。在实际使用时不论流过管子的电流波形如何、导通角多大，只要其最大电流有效值不大于额定电流的有效值,散热冷却符合规定，则晶闸管的发热、温升就能限制在允许的范围。在实际使用时不论流过管子的电流波形如何、导通角多大，只要其最大电流有效值不大于额定电流的有效值,散热冷却符合规定，则晶闸管的发热、温升就能限制在允许的范围。晶闸管的额定电压和晶闸管的额定电流为 VUN4283.1432AIIVT05.7.5单相桥式全控整流电路的设计 93.触发电路的设计触发电路对其产生的触发脉冲要
18、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。(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。(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。 (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。陕西科技大学课程设计说明书 104.工作过程及参数设定4.1工作过程假设电路已工作于稳态， 的平均值不变。在 的正半周期，触发角 处
19、给晶闸di 2u管 和 加触发脉冲使其开通， 等于 。负载中有电感存在使负载电流不能突变，1VT2 u2电感对负载电流起平波作用，假设负载电感很大，负载电流 连续且波形近似为一水di平线， 过零变负时，由于电感的作用晶闸管 、 中仍过电流 ，并不关断。至2u 1VT4di时刻，给 和 加触发脉冲，因 和 本已承受正电压，故两管导通。t2VT323和 导通后， 通过 和 分别向 和 施加反压使 和 关断，流过2VT3 141VT4和 的电流迅速转移到 和 上，此过程称为换向，亦称换流。至下一周期重14 23复上述过程，如此循环下去。4.2 参数设定和仿真图4.2.1 触发角为 06单相桥式全控整
20、流电路的设计 11图 4-1 触发角设计图 4-2 脉冲波形图陕西科技大学课程设计说明书 12图 4-3 电压及电流波形4.2.2 触发角为 09单相桥式全控整流电路的设计 13图 4-4 触发角设计图 4-5 脉冲波形图图 4-6 电压及电流波形陕西科技大学课程设计说明书 145.心得体会通过这次对单相桥式全控整流电路的课程设计，让我对整流电路有了更加清晰的认识，同时我也学会了用一些基本元部件进行建模的基本方法，加深了对课本知识的进一步理解。这次课程设计应用到 PSIM 软件，设计时借助 PSIM 软件进行系统模型仿真，用该软件对该电路进行分析，大大简化了计算和绘图步骤。书写课程设计说明书时使用 WORD 软件，使我掌握了许多关于 WORD 编辑和排版技巧，提高了自身对一些基本软件的应用技能。这次课程设计不仅增加了我的知识积累，让我有机会将课堂上所学的电力电子理论知识运用到实际中，了解了这些知识在电源上丰富而强大的用途，为将来的毕业设计打下了基础，还让我懂得自主学习的重要性，还有做什么事情都要有恒心，就一定有所收获。单相桥式全控整流电路的设计 15参考 文 献【1】王兆安 刘进军 电力电子技术 北京：机械工业出版社，2004【2】石玉 王文郁 电力电子技术题解与电路设计指导 北京：机械工业出版，2000
