单相双半波晶闸管整流电路主电路设计.doc

电力电子课程设计 班 级： 学　　号：　　 　　 姓 名： 指导老师： 目录摘要 11单相双半波晶闸管整流电路主电路设计 21.1晶闸管的介绍 21.1.1晶闸管的结构 21.1.2晶闸管的工作原理 21.1.3晶闸管的伏安特性 41.2总电路的设计 51.2.1 总电路的原理框图 51.2.2 主电路原理图 61.3 相控触发电路设计 71.3.1 相控触发电路工作原理 71.3.2相控触发芯片的选择 71.4保护电路设计 92电路参数及元件选择 102.1主电路电路参数计算 102.2电路元件的选择 112.2.1整流元件的选择 112.2.2保护元件的选择 113 MATLAB仿真 123.1 MATLAB软件介绍 123.2系统建模及电路仿真 123.3系统仿真结果及分析 154设计总结 16参考文献 17摘要电力电子技术是一门新兴技术，它是由电力学、电子学和控制理论三个学科交叉而成的，在电气自动化专业中已成为一门专业基础性强且与生产紧密联系的不可缺少的专业基础课。

本课程体现了弱电对强电的控制，又具有很强的实践性它包括了晶闸管的结构和分类、晶闸管的过电压和过电流保护方法、可控整流电路、晶闸管有源逆变电路、晶闸管无源逆变电路、PWM控制技术、交流调压、直流斩波以及变频电路的工作原理晶闸管出现前的时期可称为电力电子技术的史前期或黎明时期晶闸管由于其优越的电气性能和控制性能，使之很快就取代了水银整流器和旋转变流机组并且，其应用范围也迅速扩大电力电子技术的概念和基础就是由于晶闸管及晶闸管变流技术的发展而确立的晶闸管是通过对门极的控制能够使其导通而不能使其关断的器件，属于半控型器件对晶闸管电路的控制方式主要是相位控制式，简称相控方式晶闸管的关断通常依靠电网电压等外部条件来实现整流电路按组成的器件不同，可分为不可控、半控与全控三种，利用晶闸管半导体器件构成的主要有半控和全控整流电路；按电路接线方式可分为桥式和零式整流电路；按交流输入相数又可分为单相、多相（主要是三相）整流电路正是因为整流电路有着如此广泛的应用，因此整流电路的研究无论在是从经济角度，还是从科学研究角度上来讲都是很有价值的本设计正是结合了Matlab仿真软件对单相双半波晶闸管整流电路在阻感负载下进行分析。

关键词：晶闸管，整流电路，Matlab,仿真，阻感负载，相控方式单相双半波晶闸管整流电路的设计（阻感负载）1.单相双半波晶闸管整流电路主电路设计1.1晶闸管的介绍1.1.1晶闸管的结构晶闸管是一种4层功率半导体器件，具有3个PN结，其结构和电路符号如图1-1所示其中，最外层的P区和N区分别引出两个电极，称为阳极A和阴极K，中间的P区引出控制极（或称门极） 图1-1 晶闸管的结构及电气符号1.1.2晶闸管的工作原理晶闸管组成的实际电路如图1-2所示图1-2 组成的实际电路图为了说明晶闸管的工作原理，可将其看成NPN和PNP两个三极管相连，用三极管的符号来表示晶闸管的等效电路，如图1-3所示图1-3 晶闸管双晶体管模型其工作过程如图1-4所示当晶闸管的阳极A和阴极K之间加正向电压UZ而控制极K不加电压时，中间的PN结处于反向偏置，管子不导通，处于关断状态图1-4 晶闸管工作原理当晶闸管的阳极A和阴极K之间加正向电压UA，且控制极G和阴极K之间也加正向电压UG时，外层靠下的PN结处于导通状态若V2管的基极电流为IB2，则集电极电流Ic2为β2IB2，V1管的基极电流IB1等于Vz管的集电极电流，因而V2的集电极电流Icl为βlβ2，该电流又作为V2管的基极电流，再一次进行上述的放大过程，形成正反馈。

在很短的时间（一般几微秒）两只二极管均进入饱和状态，使晶闸管完全导通当晶闸管完全导通后，控制极就失去了控制作用，管子依靠内部的正反馈始终维持导通状态此对管子压降很小，一般为0. 6～1.2 V，电源电压几乎全部加在负载电阻R上，晶闸管中有电流流过，可达几十至几千安要想关断晶闸管，必须将阳极电流减小到不能维持正反馈过程，当然也可以将阳极电源断开或者在晶闸管的阳极和阴极之间加一反向电压综上所述，可得如下结论：1) 晶闸管与硅整流二极管相似，都具有反向阻断能力，但晶闸管还具有正向阻断能力，即晶闸管正向导通必须具有一定的条件：阳极加正向电压，同时控制极也加正向触发电压（实际工作中，控制极加正触发脉冲信号）2) 晶闸管一旦导通，控制极即失去控制作用要使晶闸管重新关断，必须做到以下两点之一：一是将阳极电流减小到小于维持电流IH；二是将阳极电压减小到零或使之反向1.1.3晶闸管的伏安特性晶闸管的导通和截止这两个工作状态是由阳极电压、阳极电流及控制极电流决定的，而这几个量又是互相有联系的，在实际应用上常用实验曲线来表示它们之间的关系，这就是晶闸管的伏安特性曲线，其伏安特性曲线如图1-5所示，可分为正向特性和反向特性曲线两部分。

图1-5 晶闸管的伏安特性1) 晶闸管的正向特性当U>O时对应的特性曲线为正向特性由图1-5可知，晶闸管的正向特性分为关断状态OA段和导通状态BC段当控制极电流IG=0时，逐渐增加阳极电压U，观察阳极电流I的变他情况开始时，三个PN结只有一个导通，晶闸管处于关断状态，只有很小的正向漏电流当电压增加到正向转折电压U=UBO时，晶闸管突然导通，进入伏安特性的BC段此时晶闸管可通过较大的电流，而管压降很小在晶闸管导通后，若减小正向电压，则正向电流就逐渐减小当电流小到某一数值时，晶闸管又从导通状态转为阻断状态，这时所对应的最小电流称为维持电流IH从图1-5的晶闸管的正向伏安特性曲线可见，当阳极正向电压高于转折电压时，元件将导通但是这种导通方法很容易造成晶闸管的不可恢复性击穿而使元件损坏，在正常工作时是不采用的晶闸管的正常导通受控制极电流IG的控制，为了正确使用晶闸管，必须了解其控制极特性当控制极加正向电压时，控制极电路就有电流IG，晶闸管容易导通，其正向转折电压降低，特性曲线左移控制极电流越大，正向转折电压越低改变控制极电流IG，控制极电流越大(IGl>IG2>0)，转折电压UBO就越低2) 晶闸管的反向特性当U

当晶闸管加反向电压时，三个PN结中有两个是反向偏置，只有很小的反向漏电流IR反向电压U增加到一定数值后，反向电流急剧增加，使晶闸管反向击穿，将这一电压值称为反向转折电压UBR此时，晶闸管的工作状态与控制极是否加触发电压无关但晶闸管一旦反向击穿就永久损坏，在实际应用中应避免出现这种状况1.2总电路的设计1.2.1 总电路的原理框图总电路原理图如1-6所示图1-6 总电路的原理框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电路整流部分电路则是根据题目的要求为单相双半波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方便我们对设计电路中变压器型号的选择1.2.2 主电路原理图单相双半波整流电路如图1-7所示 图1-7 单相双半波整流电路单相双半波可控整流电路中，变压器T带抽头，在U2正半周，VT1工作,变压器二次绕组上半部分通过电流。

U2负半周，VT2工作，变压器二次绕组下半部分流过反向电流由上波形图知,单相双半波可控整流电路的Ud波形与单相全控桥的一样，交流输入端电流波形一样，变压器也不存在直流磁化的问题当接其他负载时，也由相同的结论单相全控桥整流电路如图1-8所示图1-8 单相全控桥整流电路图因此，单相双半波与单相全控桥从直流输出端或从交流输入端看均是一致的二者区别在于：单相双半波中变压器结构较复杂，材料的消耗多单相双半波只用2个晶闸管，比单相全控桥少2个，相应的，门极驱动电路也少2个；但是晶闸管承受的最大电压是单相全控桥的2倍单相双半波导电回路只含1个晶闸管，比单相桥少1个，因而也少了一次管压降单相双半波整流电路阻感负载电路如图1-9所示图1-9 单相双半波整流电路阻感负载电路图在电源电压正半周期间，晶闸管VT1承受正相电压，VT2承受反相电压若在ωt=a时触发，VT1导通，电流经VT1、阻感负载、和T二次侧中心抽头形成回路，但由于大电感的存在，电压过零变负时，电感上的感应电动势使VT1继续导通，直到VT2被触发时，VT1承受反向电压而截至在电源电压负半周期间，晶闸管VT2承受正向电压，在ωt=a+π时触发，VT2导通，VT1反向则截止，负载电流从VT1中换流至VT2中。

在ωt=2π时，电压过零，VT2因电感L中的感应电动势一直导通，直到下一个周期VT1导通时只有当a≤π/2时,负载电流才连续,当a>π/2时,负载电流不连续,而且输出电压的平均值接近于零,因此这种电路控制角的移相范围是0~π/21.3 相控触发电路设计1.3.1 相控触发电路工作原理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）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1.3.2相控触发芯片的选择相控触发电路芯片选择KJ004集成触发电路芯片构成的集成触发器KJ004可控硅移相电路可控硅移相触发电路适用于单相、三相全控桥式供电装置中,作可控硅的双路脉冲移相触发器件输出两路相差180度的移相脉冲,可以方便地构成全控桥式触发器线路电路具有输出负载能力大、移相性能好、正负半周脉冲相位均衡性好、移相范围宽、对同步电压要求低,有脉冲列调制输出端等功能与特点。

触发器KJ004引脚图如图1-10所示图1-10 KJ004引脚图触发器KJ004管脚功能如表1-1所示表1-1 触发器KJ004管脚功能表功 能输出空锯齿波形成-Vee(1kΩ)空地同步输入综合比较空微分阻容封锁调制输出+Vcc引线脚号12345678910111213141516单结晶体管触发电路由单结晶体管构成的触发电路具有简单、可靠、抗干扰能力强、温度补偿性能好，脉冲前沿徒等优点，在容量小的晶闸管装置中得到了广泛应用他由自激震荡、同步电源、移相、脉冲形成等部分组成，相控触发电路如图1-11所示图1-11 相控触发电路图1.4保护电路设计1) 过电流保护电路设计当电力电子变流装置内部某些器件被击穿或短路，驱动、触发电路或控制电路发生故障，外部出现。