单相桥式全控整流电路纯电阻负载

1 引言
1.1 电力电子简介
电力电子技术是一门新兴的应用于电力领域的电子技术，就是使用电力电子器件（如晶闸管，GTO，IGBT等）对电能进行变换和控制的技术。

电力电子技术分为电力电子器件制造技术和变流技术（整流，逆变，斩波，变频，变相等）两个分支。

整流电路的作用是将交流降压电路输出的电压较低的交流电转换成单向脉动性直流电，这就是交流电的整流过程，整流电路主要由整流二极管组成。

经过整流电路之后的电压已经不是交流电压，而是一种含有直流电压和交流电压的混合电压，习惯上称单向脉动性直流电压。

电源电路中的整流电路主要有半波整流电路、全波整流电路和桥式整流三种。

一般认为，电力电子技术的诞生是以1957年美国通用电气公司研制出的第一个晶闸管为标志的，电力电子技术的概念和基础就是由于晶闸管和晶闸管变流技术的发展而确立的。

此前就已经有用于电力变换的电子技术，所以晶闸管出现前的时期可称为电力电子技术的史前或黎明时期。

1.2 设计要求（单相桥式全控整流电路）
设计条件：1.电源电压：交流100V/50Hz
2.输出功率：500W
3.触发角
4.纯电阻负载
2 单相桥式全控整流电路(纯电阻负载)
2.1 单项桥式全控整流电路带电阻性负载电路分析
单项桥式全控整流电路带电阻性负载电路如图（1）：
图（1）
在单项桥式全控整流电路中,晶闸管VT1和VT4组成一对桥臂,VT2和VT3组成另一对桥臂。

在U2正半周即a点电位高于b点电位，若4个晶闸管均不导通负载电流Id为零，Ud也为零，VT1、VT4串联承受电压U2，设VT1和VT4的漏电阻相等则各承受U2的一半。

若在触发角α处给VT1和VT4加触发脉冲VT1、VT4即导通电流从a端经VT1、R、VT4流回电源b端。

当U2为零时流经晶闸管的电流也降到零VT1和VT4关断。

在U2负半周仍在触发延迟角α处触发VT2和VT3，VT2和VT3的α=0处为ωt=π，VT2和VT3导通电流从电源的b端流出经VT3、R、VT2流回电源a端。

到U2过零时电流又降为零VT2和VT3关断。

此后又是VT1和VT4导通如此循环的工作下整流电压ud和晶闸管VT1和VT4两端的电压波形如下图（2）所示晶闸管承受的最大正向电压和反向电压分别为
U2/2和
U2。

图（2）
2.2 工作原理
当0~ωt1时，U2在正半周期，a点电位高于b点电位,VT1承受正向电压为U2/2, VT2承受U2/2的反向电压,VT3和VT4反向串联后与U2连接,VT3承受U2/2的正向电压,VT4承受U2/2的反向电压。

虽然VT1和VT3受正向电压，但是尚未触发，导通负载没有电流通过，所以Ud=0,id=0。

当ωt1 ~π时，同时触发VT1和VT3,由于VT1和VT3受正向电压而导通,电路中有电流经过形成回路。

在这段区间里 Ud=U2,id=iVT1=iVT3=Ud/R。

由于VT1和VT3导通忽略管压降UVT1=UVT2=0,而承受的电压为UVT2=UVT4=U2。

当π~ωt2时， U2进入了负半周期,b点电位高于a点电位,VT1和VT3由于受反向电压而关断,这时VT1、VT4都不导通,各晶闸管承受U2/2的电压,但VT1和VT3承受反向电压,VT2和VT4承受正向电压,负载没有电流通过Ud=0,id=i2=0。

当ωt2 ~π时,U2电压为负VT2和VT4受正向电压,触发VT2和VT4导通有电流经过形成回路，在这段区间里Ud=U2,id=iVT2=iVT4=i2=Ud/R。

由于VT2和VT4导通,VT2和VT4承受U2的负半周期电压,至此一个周期工作完毕。

2.3 参数计算
整流电压平均值为：
α=0时，Ud= Ud0=0.9U2 。

α=180 时，Ud=0。

可见，α角的移相范围为180 。

向负载输出的平均电流值为：
流过晶闸管的电流平均值只有输出直流平均值的一半（因为一个周期内每个晶闸管只有半个周期导通），即：
3 晶闸管选型
该电路为纯电阻负载：
U2=100V，α=60°时，由Ud=0.675U2，得Ud=67.5V,又因为P=500W，
得Id=7.407A，R=Ud/Id,得R=9.1Ω
晶闸管承受的最大反向电压为
U2=141.4V，晶闸管额定电压为：
UN=（2~3）×141.4=283~424V
向负载输出的直流电流平均值为：Id=3.375A，则流过晶闸管的电流有效值为:IVT=
=6.97A
晶闸管额定电流为：IN=（1.5~2）×3.17÷1.57=3.02~4.04A
延迟时间为：t1=αT÷360°=60×0.02÷360=0.0033ms
t2=(α+180°)T÷360°=(60+180)×0.02÷360=0.0133ms
二次侧电流为：I2=Id=7.404A
变压器变比为：K=U2/Ud=100÷67.5=1.48
4 仿真实验
利用MATLAB仿真软件对单项桥式全控整流电路和控制电路进行建模并仿真。

4.1 单相桥式全控整流电路带电阻性负载MATLAB建模
单项桥式全控整流电路带电阻性负载仿真电路图如图（3）所示：
图（3）
4.2 仿真与分析
下面图（4）是触发角α=60°时的波形变化，波形图顺序为U2，UVT,Ud,IVT,Id时的变化情况：
图（4）
5 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。

晶闸管对触发电路的要求：
1.触发脉冲应有足够的幅度触发脉冲幅度太低，晶闸管因门极触发电压幅度不够而不能触发导通，触发电压大小应根据晶闸管门极参数确定，1000A以下晶闸管，门极正向峰极电压在6~16V之间，门极不触发电压小于等于4V。

2.触发脉冲应有足够的宽度触发脉冲应保证阳极电流Ia上升到大于擎住电流Il时才消失，否则晶闸管不能导通，一般晶闸管要求脉冲宽度T＞18°，全控桥脉冲宽度为60°∠T∠120°。

电感性负载一般要求宽脉冲触发。

3.触发脉冲应有足够的陡度
所谓陡度是指脉冲前沿的上升率，可以减小晶闸管的起始导通时间，对于晶
闸管的多串、多并电路的电路，足够的上升率可以使晶闸管可靠地导通。

4.触发脉冲应有足够的移相范围
为保证输出电压在要求的电压范围内连续可调，触发脉冲的移相范围应足够大，防止输出电压升不上去或降不下来的情况发生。

5.触发电路应能输出双窄脉冲或宽脉冲（三相全控桥晶闸管）
6.触发电路应有αmin，βmin限制（反并联可逆电路）
7.触发电路应能输出强触发脉冲
对于大功率变流设备的晶闸管多串，多并电路，为使晶闸管同时导通，触发电路应能实现强触发，脉冲前沿陡度应大于1A/us。

6 心得体会
通过做这次的课程设计明白了许多电力电子方面的知识，加深了对整流电路的了解，同时也了解了以前从未接触的MATLAB软件的使用。

对于一个电路的设计，首先得了解其基本的工作原理与工作方式，还有它的应用以及各个元件的参数，了解电路的工作特性，然后再结合一些算数方面的知识算出与设计有关的数据及要求，这个过程看似简单，但在做的过程中就会发现有很
多问题是我们不会的，因为它不单是要求你单纯地完成一个题目，而是要求你对所学的知识都要弄懂，并且能将其贯穿起来，是综合性比较强的。

我想对于这次的课程设计遇到的最大问题就是关于MATLAB软件的使用，但通过看书慢慢理解也克服了这个困难。

这次课程设计对我来说挺有趣，收获也挺大的。

7 参考文献
[1].王兆安.电力电子技术.机械工业出版社.2009
[2].洪乃刚.电力电子和电力拖动控制系统的MATLAB仿真.机械工业出版
社.2006。