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1、.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
2、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
3、。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 PN
4、P 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2IB2，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 I
5、cl 为l2，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 0.61.2 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
6、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 UO 时对
7、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
8、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(IGlIG20)，转折电压 UBO 就越低。2)晶闸管的反向特性 当 U/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 0/2。1.3 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
9、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
10、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(1k)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 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 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
11、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，外部出现负载过载；直流侧短路，可逆传动系统产生逆变失败以及交流电源电压过高或过低均能引起装置或其他元件的电流超过正常工作电流，即出现过电流。因此，必须对电力电子装置进行适当的过电流保护。2)过电压保护电路设计 设备在运行过程中，会受到由交流供电电网进入的操作过电压和雷击过电压的侵袭。同时，
12、设备自身运行中以及非正常运行中也有过电压出现，因此，必须对电力电子装置进行适当的过电压保护。过流、过压保护电路如图 1-12 所示。.cos9.0cos22)(sin2122UttdUUdAUPIdd11.11 图 1-12 过流、过电压保护电路图 2.电路参数及元件选择 2.1 主电路电路参数计算 1)在阻感负载下电流连续，整流输出电压的平均值为：(2-1)由设计任务有输出功率 P=500W,电感 L=1000mH，错误!未找到引用源。，则输出电压平均值 Ud的最大值可由下式可求得。Ud错误!未找到引用源。=0.9501=45v (2-2)可 见，当在2/0范围内变化时，整流器可在045V范
13、围内取值。2)整流输出电流平均值为：(2-3)3)在一个周期内每组晶闸管各导通 180，两组轮流导通，整流变压器二次电流是正、负对称的方波，电流的平均值dI和有效值 I 相等，其波形系数为 1。流过每个晶闸管的电流平均值错误!未找到引用源。与有效值错误!未找到引用源。分别为：.AIIddVT56.521 (2-4)AIIdVT86.721 (2-5)4)晶闸管在导通时管压降Tu=0,故其波形为与横轴重合的直线段；VT1 和 VT2加正向电压但触发脉冲没到时，VT3、VT4 已导通，把整个电压2u加到 VT1或 VT2 上，则每个元件承受的最大可能的正向电压等于 错误!未找到引用源。；VT1 和
14、 VT2 反向截止时漏电流为零，只要另一组晶闸管导通，也就把整个电压2u加到 VT1 或 VT2 上，故两个晶闸管承受的最大反向电压也为错误!未找到引用源。2.2 电路元件的选择 2.2.1 整流元件的选择 由于单相双半波整流带阻性负载主电路主要元件是晶闸管，所以选取元件时主要考虑晶闸管的参数及其选取原则。晶闸管的主要参数如下：1)额定电压UNVT 断态重复峰值电压UDRM是在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的峰值电压。反向重复峰值电压URRM是在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的反向峰值电压。通常取UDRM和URRM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
15、压。在选用管子时，额定电压要留有一定裕量，应为正常工作时晶闸管所承受峰值电压的 23 倍，以保证电路的工作安全。晶闸管的额定电压 RRMDRMNVTUUU,min UNVT（23）22U2 （3-1）UNVT：工作电路中加在管子上的最大瞬时电压 UNVT=(2-3)22U2=（282.8-424.3）V 2)额定电流INVT考虑安全裕量，AIIVTNVT005.52.2.2.2 保护元件的选择 变压器二次侧熔断器采用快速熔断器是电力电子装置中最有效、应用最广的一种过电流保护措施。在选择快熔时应考虑：1）电压等级应根据熔断后快熔实际承受的电压来确定。2）电流容量应按其在主电路中的接入方式和主电路
16、联结形式确定。快熔一般与电力半导体器件串联连接，在小容量装置中也可串接于阀侧交流母线或直流母线中。3）快熔的tI2值应小于被保护器件的允许tI2值。4）为保证熔体在正常过载情况下不熔化，应考虑其时间电流特性。3.MATLAB 仿真 3.1 MATLAB 软件介绍 本次系统仿真采用目前比较流行的控制系统仿真软件 MATLAB，MATLAB是矩阵实验室（Matrix Laboratory）之意，主要用于方便矩阵的存取，其基本元素是无须定义维数的矩阵。MATLAB 是用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括 MATLAB 和Simulink 两大部分。S
17、imulink 是 MATLAB 最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。Simulink 具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，并基于以上优点 Simulink 已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。同时有大量的第三方软件和硬件可应用于或被要求应用于 Simulink。3.2 系统建模及电路仿真 仿真电路如图 3-1 所示。.图 3-1 仿真电路图 电路仿真波形如下：1)当=30时，仿真波形如图 3-2 所示。图 3-2=30时，仿真
18、波形图 .2)当=60时，仿真波形如图 3-3 所示。图 3-3=60时，仿真波形图.3)当=90时，仿真波形如图 3-4 所示。图 3-4=90时，仿真波形图 3.3 系统仿真结果及分析 当建模和参数设置完成后，即可开始进行仿真。图 3-2、图 3-3、图 3-4 分别是单相双半波晶闸管整流电路仿真模型在分别为 30、60、90时的输出曲线。从仿真结果可以看出，它非常接近于理论分析的波形。.4.设计总结 通过单相双半波整流电路的设计，使我加深了对单相双半波晶闸管整流电路的理解，并且对电力电子该课程产生了浓厚的兴趣。对于一个电路的设计，首先应该对它的理论知识很了解，而知识的积累源于对书本的了解
19、。应该不断地查找、搜集资料，这样才能设计出性能好的电路。整流电路中，开关器件的选择和触发电路的选择是最关键的，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。在这次课程设计过程中，碰到的难题就是对晶闸管的相关参数的计算。平时考试中对晶闸管的各个参数进行过计算，而本次的课程设计则是把理论知识应用到实践中去，通过对实际情况的考虑，对这种计算过程的影响更加的深刻。在算出元件的各个参数之后，则是对电路中的各个元器件选型，这一步也很关键。仅仅在电脑上呢仿真成功是不够的，需要实际做出成品，而实际情况则需要考虑更多的因素，这需要选择的元器件满足计算出来的参数的要求。而若要实际设计的电路能够持久稳定地运行，需要设计保护电路，以防止过电压或是过电流对元器件造成损害。通过这次课程设计我对于文档的编排格式、原理图有了一定的了解，这对于以后的毕业设计及工作需要都有颇大的帮助，在完成课程设计的同时我也在复习一遍电力电子技术这门课程，把以前一些没弄懂的问题基本掌握了。