信息工程学院电力电子学课程设计报告书题目: 单相桥式半控整流电路专业：班级：学号：学生姓名：指导教师：2012 年 5 月9 日信息工程学院课程设计任务书目录摘要 (3)设计要求 (5)方案选择 (5)元器件的选择 (7)晶闸管 (7)晶闸管的结构 (7)晶闸管的工作原理图 (7)晶闸管触发条件 (8)电路组成 (9)保护电路的设计 (10)过电压保护 (10)过电流保护 (11)结果分析 (12)电路原理图及其工作波形 (12)分析 (15)参数计算 (16)元件选择 (17)实验结果 (18)元器件清单 (18)实验结果 (21)心得与体会 (21)摘要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。

但是晶杂管相控整流电路中随着触发角α的增大，电流中谐波分量相应增大，因此功率因素很低。

把逆变电路中的SPWM控制技术用于整流电路，就构成了PWM整流电路。

通过对PWM整流电路的适当控制，可以使其输入电流非常接近正弦波，且和输入电压同相位，功率因素近似为1。

这种整流电路称为高功率因素整流器，它具有广泛的应用前景。

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，而锯齿波移相触发单相晶闸管半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半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：逆变电路单相晶闸管PWM 电力电子一、设计要求：1、电源电压：交流220V/50Hz2、输出电压范围：20V-50V3、最大输出电流：10A4、具有过流保护功能，动作电流：12A5、具有稳压功能6、电源效率不低于70%二、方案选择：方案1：单相桥式半控整流电路电路简图如下：图1.4对每个导电回路进行控制，相对于半控桥而言少了一个控制器件，用二极管代替，有利于降低损耗！如果不加续流二极管，当α突然增大至180°或出发脉冲丢失时，由于电感储能不经变压器二次绕组释放，只是消耗在负载电阻上，会发生一个晶闸管导通而两个二极管轮流导通的情况，这使ud成为正弦半波，即半周期ud为正弦，另外半周期为ud为零，其平均值保持稳定，相当于单相半波不可控整流电路时的波形，即为失控。

所以必须加续流二极管，以免发生失控现象。

方案2：单相桥式全控整流电路电路简图如下：图1.5此电路对每个导电回路进行控制，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。

方案3：单相半波可控整流电路：电路简图如下：图1.6此电路只需要一个可控器件，电路比较简单，VT的a 移相范围为180 。

但输出脉动大，变压器二次侧电流中含直流分量，造成变压器铁芯直流磁化。

为使变压器铁心不饱和，需增大铁心截面积，增大了设备的容量。

实际上很少应用此种电路。

方案4：单相全波可控整流电路：电路简图如下：图1.7此电路变压器是带中心抽头的，结构比较复杂，只要用2个可控器件，单相全波只用2个晶闸管，比单相全控桥少2个，因此少了一个管压降，相应地，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。

不存在直流磁化的问题，适用于输出低压的场合作电流脉冲大（电阻性负载时），，且整流变压器二次绕组中存在直流分量,使铁心磁化，变压器不能充分利用。

而单相全控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。

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

根据以上的比较分析因此选择的方案为单相全控桥式整流电路（负载为阻感性负载）。

综上所述，针对他们的优缺点，我们采用方案一，即单相桥式半控整流电路。

三、元器件的选择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，开始被性能更好的半控型器件取代。

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。

内部结构:四层三个结如图2.22）、晶闸管的工作原理图晶闸管由四层半导体（P1、N1、P2、N2）组成，形成三个结J1（P1N1）、J2（N1P2）、J3（P2N2），并分别从P1、P2、N2引入A、G、K三个电极，如图1.2(左)所示。

由于具有扩散工艺，具有三结四层结构的普通晶闸管可以等效成如图1.2（右）所示的两个晶闸管T1（P1-N1-P2）和（N1-P2-N2）组成的等效电路。

图1.2 晶闸管的内部结构和等效电路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ＩＧ的电路称为门极触发电路。

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。

其他几种可能导通的情况：①阳极电压升高至相当高的数值造成雪崩效应②阳极电压上升率du/dt过高③结温较高④光直接照射硅片，即光触发：光控晶闸管只有门极触发是最精确、迅速而可靠的控制手段。

3）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。

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ＩＧ的电路称为门极触发电路。

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。

只有门极触发是最精确、迅速而可靠的控制手段。

可关断晶闸管可关断晶闸管简称GTO。

可关断晶闸管的结构GTO的内部结构与普通晶闸管相同，都是PNPN四层结构，外部引出阳极Ａ、阴极Ｋ和门极Ｇ如图1.3。

和普通晶闸管不同，GTO是一种多元胞的功率集成器件，内部包含十个甚至数百个共阳极的小GTO元胞，这些GTO元胞的阴极和门极在器件内部并联在一起，使器件的功率可以到达相当大的数值。

单相半控桥式整流电路带大电感负载时的工作特点是：晶闸管在触发时刻换流，二极管则在电源电压过零时换流；由于自然续流的作用，整流输出电压ud的波形与半控桥式整流电路带电阻性负载时相同，α的移相范围为0～180°，ud 、Id的计算公式和半控桥带电阻性负载时相同；流过晶闸管和二极管的电流都是宽度为180°的方波且与α无关，交流侧电流为正、负对称的交变方波。

单相半控桥式整流电路带大电感性负载时，虽本身有自然续流的能力，似乎不需要另接续流二极管。

但在实际运行中，当突然把控制角α增大到180°以上或突然切断触发电路时，会发生正在导通的晶闸管一直导通，两个二极管轮流导通的现象。

此时触发信号对输出电压失去了控制作用，我们把这种现象称为失控。

失控现象在使用中是不允许的，为消除失控，带电感性负载的半控桥式整流电路还需另接续流二极管VD。

电路组成单相半控桥式整流电路由一组共阴极接法的单相半波可控整流电路和一组共阳极接法的单相半波可控整流电路串联而成。

因此，整流输出电压的平均值Ud为单相半波整流时的两倍，在大电感负载时为式中U2l为变压器次级线电压有效值。

与单相半波电路相比，若要求输出电压相同，则单相桥式整流电路对晶闸管最大正反向电压的要求降低一半；若输入电压相同，则输出电压Ud比单相半波可控整流时高一倍。

另外，由于共阴极组在电源电压正半周时导通，流经变压器次级绕组的电流为正；共阳极组在电压负半周时导通，流经变压器次级绕组的电流为负，因此在一个周期中变压器绕组不但提高了导电时间，而且也无直流流过，克服了单相半波可控整流电路存在直流磁化和变压器利用率低的缺点。

为分析方便，把一个周期分为6段，每段相隔60°。

在第(1)段期间，a相电位ua最高，共阴极组的V1被触发导通，b相电位ub最低，共阳极组的V6被触发导通，电流路径为ua→V1→R(L)→V6→ub。

变压器a、b两相工作，共阴极组的a相电流ia为正，共阳极组的b相电流ib为负，输出电压为线电压ud=uab。

在第(2)段期间，ua仍最高，V1继续导通，而uc变为最负，电源过自然换流点时触发V2导通，c相电压低于b相电压，V6因承受反压而关断，电流即从b相换到c相。

这时电流路径为ua→V1→R(L)→V2→uc。

变压器a、c两相工作，共阴极组的a相电流i为正，共阳极组的c相电流ic为负，输出电压为线电压ud=uac在第(3)段期间，ub为最高，共阴极组在经过自然换流点时触发V3导通，由于b相电压高于a相电压，V1管因承受反压而关断，电流从a相换相到b 相。

V2因为uc仍为最低而继续导通。

这时电流路径为ub→V3→R(L)→V2→uc。

变压器b、c两相工作，共阴极组的b相电流ib为正，共阳极组的c相电流ic 为负，输出电压为线电压ud=ubc。

以下各段依此类推，可得到在第(4)段时输出电压ud=uba；在第(5)段时输出电压ud=uca；在第(6)段时输出电压ud =ucb。

以后则重复上述过程。

由以上分析可知，单相半控桥式整流电路晶闸管的导通换流顺序是：V6→V1→V2→V3→V4→V5→V6。

电路输出电压ud的波形如图2-13(d)所示。

四、保护电路的设计保护电路的设计在电力电子电路中，除了电力电子器件参数选择合适、驱动电路设计采用合适的过电压、过电流、du/dt保护和di/dt 保护也是必要的。

4.1 过电压保护电力电子装置中可能发生的过电压分为外因过电压和内应过电压两类。

外因过电压主要来自雷击和系统中的操作过程等外部原因，包括：（1）操作过电压：由分闸、合闸等开关操作引起的过电压，快速直流开关的切断等经常性操作中的电磁过程引起的过压。