大功率可调直流电源

第1章前言1.1电力电子技术发展史现代电力电子技术的发展方向，是从以低频技术处理问题为主的传统电力电子学，向以高频技术处理问题为主的现代电力电子学方向转变。

电力电子技术起始于五十年代末六十年代初的硅整流器件，其发展先后经历了整流器时代、逆变器时代和变频器时代，并促进了电力电子技术在许多新领域的应用。

八十年代末期和九十年代初期发展起来的、以功率MOSFET和IGBT为代表的，集高频、高压和大电流于一身的功率半导体复合器件，表明传统电力电子技术已经进入现代电力电子时代。

1、整流器时代大功率的工业用电由工频(50Hz)交流发电机提供，但是大约20%的电能是以直流形式消费的，其中最典型的是电解(有色金属和化工原料需要直流电解)、牵引(电气机车、电传动的内燃机车、地铁机车、城市无轨电车等)和直流传动(轧钢、造纸等)三大领域。

大功率硅整流器能够高效率地把工频交流电转变为直流电，因此在六十年代和七十年代，大功率硅整流管和晶闸管的开发与应用得以很大发展。

当时国内曾经掀起了一股各地大办硅整流器厂的热潮，目前全国大大小小的制造硅整流器的半导体厂家就是那时的产物。

2、逆变器时代七十年代出现了世界范围的能源危机，交流电机变频调速因节能效果显著而迅速发展。

变频调速的关键技术是将直流电逆变为0～100Hz的交流电。

在七十年代到八十年代，随着变频调速装置的普及，大功率逆变用的晶闸管、巨型功率晶体管(GTR)和门极可关断晶闸管(GT0)成为当时电力电子器件的主角。

类似的应用还包括高压直流输出，静止式无功功率动态补偿等。

这时的电力电子技术已经能够实现整流和逆变，但工作频率较低，仅局限在中低频范围内。

3、变频器时代进入八十年代，大规模和超大规模集成电路技术的迅猛发展，为现代电力电子技术的发展奠定了基础。

将集成电路技术的精细加工技术和高压大电流技术有机结合，出现了一批全新的全控型功率器件、首先是功率M0SFET的问世，导致了中小功率电源向高频化发展，而后绝缘门极双极晶体管(IGBT)的出现，又为大中型功率电源向高频发展带来机遇。

MOSFET和IGBT的相继问世，是传统的电力电子向现代电力电子转化的标志。

据统计，到1995年底，功率M0SFET和GTR在功率半导体器件市场上已达到平分秋色的地步，而用IGBT代替GTR在电力电子领域已成定论。

新型器件的发展不仅为交流电机变频调速提供了较高的频率，使其性能更加完善，而且使现代电子技术不断向高频化发展，为用电设备的高效节材节能，实现小型轻量化，机电一体化和智能化提供了重要的技术基础。

1.2本文的设计工作本文在实际应用中设计了一台输出电压在50V～125V之间可调，输出最大电流可达100A的大功率直流电源，并要具有过电流（短路）和过电压保护。

电源系统通常称为电子设备系统的“心脏”，在电子设备中具有无可比拟的重要地位。

电子设备对电源系统的一般要求是：可靠、稳定、小型、高效率。

用晶闸管组成的可控整流电路，可以很方便地把交流电变成大小可调地直流电，在本设计中，由于要求的容量较大，所以主电路采用三相桥式全控整流电路，具有体积小、重量轻、效率高、动态响应好以及控制灵敏的优点。

通过不同触发电路与脉冲移相范围的要求，我的设计中晶闸管整流装置和同步变压器选择的是D/Y型式的接法来得到要求相位的同步信号电压。

晶闸管触发电路是变流装置的重要组成部分。

触发电路的性能对变流装置有很大的影响。

因为由分立元件构成的触发电路性能较差，电路也很复杂，制作和维修非常困难，所以我采用集成触发电路，这样不仅提高了触发电路工作可靠性，缩小体积，而且还大大简化了触发电路的生产与调试。

选用的触发电路型号为TC787。

本设计为直流电路，选用的是普通晶闸管。

在选用晶闸管的型号时，除了定性的了解晶闸管的伏安特性，还要定量地掌握晶闸管的主要参数。

正确地选用晶闸管对保证整机的可靠性及降低设备成本具有重要意义。

选择时要综合考虑其使用环境、冷却方式、线路型式、负载性质等因素，在保证所选元件参数具有裕量地条件下兼顾经济性。

虽然晶闸管元件有许多优点，但与其它电气设备相比，由于元件的击穿电压较接近运行电压，热时间常数小。

因此过电压、过电流能力差。

短时间的过电流、过电压都可能造成元件的损坏。

为使晶闸管装置能正常工作而不损坏，只靠合理选择元件还不行，还要十分重视保护环节，以防不测。

所以在主电路的设计中还增加了过电流和过电压保护。

第2章设计方案和主电路设计2.1设计方案在使用交流电的直流电源中，实现交流到直流变换的整流器起着决定性的作用。

在由变压器和二极管组成的整流电源中，当输入的交流电压确定时，直流输出电压也确定，如果需要改变直流输出电压，必须改变变压器初级线圈与次级线圈的匝数比。

为了使整流器输出直流电压能够很方便的调整，可以采用由晶闸管组成的可控整流电路。

这种电路是靠改变晶闸管的导通相位来控制整流器输出电压的，所以这种类型的电源通常称为相位控制型电源，简称为相控型电源。

我们设计的电源就是使用了晶闸管作为核心器件的相控型电源。

整个电源系统包括由晶闸管组成的主电路、移相触发电路等组成。

设计总体框图如图2－1所示。

整流桥图2－1 设计总框图2.2常见的三相整流电路分析我们已经知道，相控型电源的主要输出参数如输出电压和输出电流等主要取决于晶闸管可控整流电路。

可控整流电路通常有单相整流电路和三相整流电路。

单相可控整流电路具有器件少，线路简单的优点，但是其输出电压脉动较大，并且会引起电网三相不平衡，多用于小容量的设备。

由于我们需要的电源输出电压为50V～125V可调，输出电流要达100A，容量较大，我们采用三相整流电路。

在三相整流电路中，我们先讨论一下三相半波可控整流电路，其是其他各种多相整流电路的基础，其他各种多相整流电路的波形都可以认为是由各个三相半波整流电路波形的叠加而成。

2.2.1 三相半波可控整流电路可控整流电路中随负载类型的不同其导通角亦不同，下面将按三类不同的负载形式讨论电路的特性。

同时为了分析的方便，假设晶闸管为理想开关元件，即晶闸管导通时其管压降等于零，晶闸管关断时其漏电流等于零，并且假设工作速度极快，晶闸管的导通或关断都是瞬时完成的。

三相半波整流电路亦称为三相零式整流电路，如图2－2所示。

图2－2 三相半波可控整流电路－电阻性负载1. 电阻性负载一般三相整流变压器的一次侧多接成三角形，二次侧接成星形，以减少三次谐波的影响。

三个晶闸管VTa 、VTb和VTc分别接在变压器副边的a相、b相和c相上，它们的阴极连在一起经负载与二次侧的中线相连，构成共阴极电路。

随着触发延迟角α的变化，其整流波形及输出参数也将不同，分别讨论如下。

（1）α＝0°晶闸管只有在受正向电压的条件下才有可能触发导通，所以在ωt1~ωt2期间，a相电压v a最高，相应的VT a导通，输出v d＝v a；在ωt2~ωt3期间，b相电压v b最高，输出v d＝v b；ωt3~ωt4期间，c相电压v c最高，输出v d＝v c。

波形如图2－3所示。

由图可见vd输出的波形为三相电压的正半周包络线，其中ωt1、ωt2、ωt3各点称为自然换相点。

所谓自然换相点是各相晶闸管可能被触发导通的最早时刻，在此之前由于晶闸管承受反向电压，是不可能导通的。

我们说的触发延迟角α就是以自然换相点作为其计算的起点，即α＝0°，对起始相位等于零的a相来说，在ωt ＝30°处。

各晶闸管依次导通，各相触发脉冲相隔120°。

在这种电路中，晶闸管的最大导通角为120°，晶闸管承受的最大反向电压为峰值线电压l V 22。

输出整流电压平均值V d 为2226617.1cos 263)(sin 223V V t td V V d ===⎰+++απωωπθαπαπ （2-1）流过晶闸管和变压器二次绕组的电流有效值I VT 和I 2为d VT I I I 59.02==（2-2）图2－3 三相半波可控整流电路电阻性负载波形（2）α＝30° 当α＝30°时，输出电压波形的相应变化如图2－4所示。

图2－4 三相半波可控整流电路电阻性负载α＝30°时的波形这相当于在ωt 1时，即α＝30°时给VT a 触发脉冲，由于v a 大于v b 和v c ，VT a 承受正向电压而导通，而VT b 和VT c 因承受反向电压而导通，v d ＝v a ，i d ＝v d /R ＝v a /R 。

随着v a 的变化，v d 和i d 都相应变化。

经过自然换相点时，虽然b 相电压高于高于a 相电压，即v b >v a ，但由于VT b 此时未被触发而保持关断状态，所以VT a 将继续导通。

到v a ＝0时，i d 下降到零，VT a 关断。

与此同时，对b 相而言，恰好相当于α＝30°的时刻，给VT b 以触发脉冲使其导通，负载中的电流转由v b 供给，即v d ＝v b ，i d ＝v d /R ＝v b /R 。

c 相的情况也是如此，这样每个晶闸管的导通角θ都是120°，只不过恰恰处在临界状态而已。

晶闸管VTa 在一周内承受的电压情况如上图所示，在0～ωt 1期间，VT c 导通，VT a 承受的电压v VTa ＝v a －v c 。

开始时v a <v c ，所以VT a 承受反向电压，到自然换相点v a ＝v c 之后，v a >v c ，此时，VT a 则承受正向电压。

在ωt 1～ωt 2期间，VT a 导通，管压降近似为零。

在ωt 2～ωt 3期间，VT b 导通，VT a 所承受的电压由于v a 为负、v b 为正，又变为反向电压。

在ωt 3～ωt 4期间，由于VT c 又导通，v VTa ＝v a －v c ，晶闸管虽仍承受反向电压，但波形不再连续平滑。

由图可见，晶闸管承受的最大反向电压V RM 为22660sin 22V V V RM =︒= （2-3）由于电流仍保持连续，所以整流输出电压平均值仍符合α＝0°时的关系式，只是其中α＝30°。

流过晶闸管和变压器二次绕组的电流有效值I VT 和I 2为d VT I I I 628.02== （2-4）（3）α＝60° 当α大于30°以后，电流不再连续，电路中的波形及其分析都更复杂一些。

图2－5示出了三相半波可控整流电路电阻性负载α＝60°时的波形。

当α＝60°时，给VT a 以触发信号使之导通，则输出整流电压v d ＝v a ，i d ＝v d /R ，在a 相电压降到零时，v a ＝0，i d ＝0，晶闸管VT a 关断，由于VT b 尚未触发导通，所以v d 、i d 波形断续。