单相半控桥式晶闸管整流电路的设计样本

学号：课程设计题目单相半控桥式晶闸管整流电路设计（带续流二极管）（阻感负载）学院自动化专业自动化班级100...班姓名指引教师许湘莲年12 月29 日一课程设计性质和目性质：是电气信息专业必修实践性环节。

目：1、培养学生综合运用知识解决问题能力与实际动手能力；2、加深理解《电力电子技术》课程基本理论；3、初步掌握电力电子电路设计办法。

二课程设计内容:单相半控桥式晶闸管整流电路设计（带续流二极管）（阻感负载）设计条件：1、电源电压：交流100V/50Hz2、输出功率：500W3、移相范畴0º~180º三课程设计基本规定1、两人一种题目，按学号组合；2、依照课程设计题目，收集有关资料、设计主电路、控制电路；3、用MATLAB/Simulink对设计电路进行仿真；4、撰写课程设计报告——画出主电路、控制电路原理图，阐明主电路工作原理、选取元器件参数，阐明控制电路工作原理、绘出主电路典型波形，绘出触发信号（驱动信号）波形，阐明仿真过程中遇到问题和解决问题办法，附参照资料；5、通过答辩。

电力电子技术课程设计是在教学及实验基本上，对课程所学理论知识深化和提高。

本次课程设计要完毕单相桥式半控整流电路设计，对电阻负载供电，并使输出电压在0到180伏之间持续可调，由于是半控电路，因而会用到晶闸管与电力二极管。

此外，还要用MATLAB 对设计电路进行建模并仿真，得到电压与电流波形，对成果进行分析。

核心词：半控整流晶闸管1 设计基本规定 (1)1.1设计重要参数及规定：........................................................................................ 错误!未定义书签。

1.2 设计重要功能 (1)2总体系统 (2)2.1主电路构造及其工作原理 (2)2.2 参数计算 (2)3硬件电路 (4)3.1 系统总体原理框图 (4)3.2 驱动电路 (5)3.2.1 驱动电路方案 (5)3.2.2 驱动电路设计 (5)3.3 保护电路 (8)3.3.1 变压器二次侧熔断器 (8)3.3.2 晶闸管保护电流 (9)3.4 触发电路 (10)4 元器件选取 (11)4.1 晶闸管 (11)4.1.1 晶闸管构造与工作原理 (11)4.1.2 晶闸管选取 (13)4.2 电力二极管 (13)5 MATLAB建模与仿真 (14)6 心得体会 (18)参照文献 (19)1 设计基本规定1.1设计重要参数及规定：设计条件：1、电源电压：交流100V/50Hz2、输出功率：500W3、移相范畴0º~180º1.2 设计重要功能单相桥式半控整流电路工作特点是晶闸管触发导通，而整流二极管在阳极电压高于阴极电压时自然导通。

单相桥式整流电路在感性负载电流持续时，当相控角α<90°时，可实现将交流电功率变为直流电功率相控整流；在α>90°时，可实现将直流电返送至交流电网有源逆变。

在有源逆变状态工作时，相控角不应过大，以保证不发生换相（换流）失败事故。

不含续流二极管电路具备自续流能力，但一旦浮现异常，会导致：一只晶闸管与两只二极管之间轮流导电，其输出电压失去控制，这种状况称之为“失控”。

失控时输出电压相称于单相半波不可控整流时电压波形。

在失控状况下工作晶闸管由于持续导通很容易因过载而损坏。

由于半导体自身具备续流作用，半控电路只能将交流电能转变为直流电能，而直流电能不能返回到交流电能中去，即能量只能单方向传递。

含续流二极管电路具备电路简朴、调节以便、使用元件少等长处，并且不会导致失控显现，续流期间导电回路中只有一种管压降，少了一种管压降，有助于减少损耗。

2总体系统2.1主电路构造及其工作原理单相桥式半控整流电路虽然具备电路简朴、调节以便、使用元件少等长处，但却有整流电压脉动大、输出整流电流小缺陷。

其使用电路图如下图2.1所示。

图2.1 主体电路构造原理图在交流输入电压u2正半周（a 端为正）时，Th1和D1承受正向电压。

这时如对晶闸管Th1引入触发信号，则Th1和D1导通电流通路为u2+→Th1→R →D1→u2-。

这时Th2和D1都因承受反向电压而截至。

同样，在电压u2负半周时，Th2和D2承受正向电压。

这时，如对晶闸管Th2引入触发信号，则Th2和D2导通，电流通路为：u2-→Th2→R →D2→u2+。

这时Th1和D1处在截至状态。

显然，与单相半波整流相比较，桥式整流电路输出电压平均值要大一倍。

2.2 参数计算输出电压平均值： 1221cos 1cos 2sin ()0.922d U U U td t U παααωωππ++===⎰ （2-1） α=0时，U d =U d0=0.9U ；α=1800时，U d =0。

可见，α角移相范畴为1800。

向负载输出直流电流平均值为1cos 1cos 0.922d d U U I R R R ααπ++=== （2-2） 输出电压平均值： U d =0.9U 22cos 1α+ （2-3）输出电流平均值： d I = U d /R （2-4） 流过晶闸管电流有效值： I VT = d I /2 （2-5）波形系数： K f = I VT /d I =2/2 （2-6）交流侧相电流有效值： I 2=παπ-·I d （2-7） 续流管电流有效值： I VD =πα·I d （2-8）I == （2-9）012I Imsin Im d td t πωωππ==⎰ （2-10）Im/2Im/f K π== （2-11） 1.57T f dI K I = （2-12） 2.51.57f d T K I I A ∴== （2-13）令0=∂0时，U 2=220V,P 出=50V ×10A=500W 。

U d =0.9U 2(1+∂cos )/2=198VI d =P 出/U d =10.8A ，K f =I VT / I d =2/2=0.707，晶闸管额定电流为：I T = K f I d /1.57=2.5A,取2倍电流安全储备，并考虑晶闸管元件额定电流系列取5A 。

晶闸管元件额定电压2U 2=2100=141.4V ，取2～3倍电压安全储备，并考虑晶闸管额定电压系列取300V 。

令π=∂时，I VT =π∂ I d =I d =10.8A 时，此时流过续流二极管电流最大为10.8A ，取2倍电流安全储备，并考虑晶闸管元件额定电流系列取20A 。

续流二极管两端最大电压为U d =220V ，取2～3倍电压安全储备，并考虑晶闸管额定电压系列去220V 。

因此选取续流二极管额定电压为220V,额定电流为20A 晶闸管和二极管，电感取无穷大，L=150H ，R=20Ω。

3硬件电路3.1 系统总体原理框图单相半控桥式整流电路设计，咱们一方面对电路原理进行分析，通过度析，结合详细性能指标求出相应参数，然后在Matlab 仿真软件中建立仿真模型，仿真模型采用交流输入电源，使用晶闸管和二极管作为整流器件，通过不断仿真、调试、不断修改参数，懂得符合对的参数规定。

其系统原理框图如下图3.1图 3.1 系统原理框图其相应波形原理图如图3.2所示图 3.2 波形原理图3.2 驱动电路3.2.1 驱动电路方案方案一：采用专用集成芯片产生驱动信号。

专用集成芯片对于整个系统来说非常好：集成度高，不易产生各种干扰；产生驱动信号精准度高，更便于系统精准度：简朴、省事，易于实现。

但是，专用集成芯片价格比较昂贵且不易购买；对于锻炼个人能力用专用芯片业很难达到效果。

方案二：采用LM339、ICL8083等构成驱动电路虽然效果不是较好，但是它完全是硬件驱动，能更好锻炼人知识运用和能力开发。

两个方案相比较而言我选取方案二。

3.2.2 驱动电路设计晶闸管门极触发信号由触发电路提供，由于晶闸管电路种类诸多，如整流、逆变、交流调压、变频等；所带负载性质也不相似，如电阻性负载、电阻—电感性负载、反电势负载等。

尽管不同状况对触发电路规定也不同，但是其基本规定却是相似，详细如下（a）触发信号应有足够功率这些指标在产品样本中均已标明，由于晶闸管元件门极参数分散性大，且触发电压、电流手温度影响会发生变化。

例如元件温度为1000C时触发电流、电压值比在室温时低2—3倍；元件温度为-400C时触发电流、电压值比在室温时高2—3倍；为了使元件在各种工作条件下都能可靠触发，可参照元件出厂实验数据或产品目录，设计触发电路输出电压、电流值，并留有一定裕量。

普通可取两倍左右触发电流裕量，而触发电压按触发电流大小来决定，但是应注意不要超过晶闸管门极容许峰值功率和平均功率极限值。

（b）触发脉冲信号应有一定宽度普通晶闸管导通时间普通为6us，故触发脉冲宽度至少应有6us以上，对于电感性负载，由于电感会抑制电流上升，触发脉冲宽度应当更大些，普通为0.5ms—1ms，否则在脉冲终结时主电路电流尚未上升到晶闸管擎住电流时，此时将使晶闸管无法导通而重新恢复关断状态。

单结晶体管原理单结晶体管（简称UJT）又称基极二极管，它是一种只有PN结和两个电阻接触电极半导体器件，它基片为条状高阻N型硅片，两端分别用欧姆接触引出两个基极b1和b2。

在硅片中间略偏b2一侧用合金法制作一种P区作为发射极e。

其符号和等效电如下图3.3所示。

图 3.3 单结晶体管符号和等效电路图结晶体管特性从图（a）可以看出，两基极b1和b2之间电阻称为基极电阻。

Rb b=rb1+rb2式中：Rb1——第一基极与发射结之间电阻，其数值随发射极电流i e而变化，rb2为第二基极与发射结之间电阻，其数值与i e无关；发射结是PN结，与二极管等效。

若在两面三刀基极b2，b1间加上正电压Vb b，则A点电压为：V A=[rb1/（rb1+rb2）]vb b=（rb1/rb b）vb b=ηVb b式中：η——称为分压比，其值普通在0.3—0.85之间，如果发射极电压V E由零逐渐增长，就可测得单结晶体管伏安特性，见图3.4图 3.4 单结晶体管伏安特性（1）当V e〈ηVbb时，发射结处在反向偏置，管子截止，发射极只有很小漏电流I ceo。

（2）当V e≥ηVbb+VD VD为二极管正向压降（约为0.7V），PN结正向导通，I e明显增长，rb1阻值迅速减小，V e相应下降，这种电压随电流增长反而下降特性，称为负阻特性。

管子由截止区进入负阻区临界P称为峰点，与其相应发射极电压和电流，分别称为峰点电压I p和峰点电流I p。

I p是正向漏电流，它是使单结晶体管导通所需最小电流，显然V p=ηVbb。