单相桥式整流电路设计说明

陶瓷学院
《电力电子与电机拖动综合课程设计》题目单相桥式整流电路设计
姓名：王帅
所在学院：_ 机电学院 _
所学专业：自动化
班级 _ 11自动化2班
学号 201110320222 __
指导教师： __ 曹利刚 __
完成时间：_ _ 20140610__
电力电子与电机拖动综合课程设计任务书班级：自动化06 ：指导教师：曹利钢 2010年6月7日
教研室主任签字：年月日
目录
一．目录 (1)
二．引言 (2)
三．设计思想 (2)
四．设计方案 (3)
五．主电路设计 (5)
5.1主电路的工作原理及原理图 (5)
5.2 整流电路的参数计数 (6)
5.3 晶体管元件的选择 (7)
六．单元电路设计 (8)
七．保护电路设计 (11)
八．电路总接线图 (15)
九．设计总结 (16)
参考文献 (16)
摘要
单相桥式可控整流电路是最基本的将交流转换为直流的电路，其效率高原理及结构简单在单相整流电路中应用较多，在设计单相桥式可控整流电路时，从总电路电路出发根据负载择优选着方便的同步触发电路，并逐一设置各种保护电路使电路安全有效的运行，最终达到整流的目的。

关键字：单结晶体管，触发电路，阻感负载，整流电路
二．引言
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
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。

能够理论联系实际，在培养自动化专业人才中占有重要地位。

整流电路是电力电子电路的一种，将交流电变为直流电，应用十分广泛，电路形式多种多样。

按组成器件可分为不可控、半控、全控三种；按电路结构可分为桥式和零式电路；按交流输入相数分为单相电路和多相电路。

三．设计思想
研究单相桥式整流电路的工作原理并进行分析，设计出具有稳定脉冲的触发电路并进行仿真。

设计的电路要满足输出500W电源220V，50H输出电压1~50V 等条件
电源→变压器→整流电路→负载
↓变压器→触发电路↑
四．设计方案
1 方案的选择
我们知道，单相整流电路形式是各种各样的，可分为单相桥式相控整流电路和单相桥式半控整流电路，整流的结构也是比较多的。

因此在做设计之前我们主要考虑了以下几种方案：
方案一：单相桥式半控整流电路
电路简图如下：
图4-1 单相桥式半控整流电路
对每个导电回路进行控制，相对于全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。

方案二：单相桥式全控整流电路
电路简图如下：
图4-2 单相桥式全控整流电路
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。

方案三：单相半波可控整流电路：
电路简图如下：
图 4-3 单相半波可控整流电路
此电路只需要一个可控器件，电路比较简单，VT的a 移相围为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。

方案四：单相全波可控整流电路：
电路简图如下：
图 4-4 单相全波可控整流电路
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。

综上所述，针对他们的优缺点，我们采用方案二，即单相桥式全控整流电路。

五．主电路设计
(1) 主电路工作原理
在电源电压2u 正半周期间，VT1、VT2承受正向电压，若在αω=t 时触发，VT1、VT2导通，电流经VT1、负载、VT2和T 二次侧形成回路，但由于大电感的存在，2u 过零变负时，电感上的感应电动势使VT1、VT2继续导通，直到VT3、VT4被触发导通时，VT1、VT2承受反相电压而截止。

输出电压的波形出现了负值部分。

在电源电压2u 负半周期间，晶闸管VT3、VT4承受正向电压，在απω+=t 时触发，VT3、VT4导通，VT1、VT2受反相电压截止，负载电流从VT1、VT2中换流至VT3、VT4中在πω2=t 时，电压2u 过零，VT3、VT4因电感中的感应电动势一直导通，直到下个周期VT1、VT2导通时，VT3、VT4因加反向电压才截止。

值得注意的是，只有当时2πα≤，负载电流d i 才连续，当时2
πα>，负载电流不连续，而且输出电压的平均值均接近零，因此这种电路控制角的移相围是20π-。

图5-1 主电路原理图
（2） 整流电路参数计算
1.在阻感负载下电流连续，整流输出电压的平均值为
2221sin ()cos 0.9cos d U td t U πααωωααππ+===⎰
由设计任务有电感输入电压：交流220V/50hz ；输出电压：0V~50V ；输出功率:50w 可求得:
Ud=0.9U2cosa
即：50=0.9*220cosa
解的：a=75.37
2.整流输出电压有效值为
2220V U U ===
3.整流输出电流平均值为：
I=P/U=500W/220V=2.27A
4.在一个周期每组晶闸管各导通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d I 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与有效值分别为：
Idt=0.5I=1.14A
It=1.62A
5波形系数：有直流分量的电流波形，其有效值I 与平均值d I 之比称为该波形的波形系数，用K f 表示。

Kf=Idt/It
额定状态下， 晶闸管的电流波形系数
Kf=1.57
6晶闸管在导通时管压降T u =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
2；VT1和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，
2。

（3）.晶闸管元件的选择
（a ）、晶闸管的额定电流
选择晶闸管额定电流的原则是必须使管子允许通过的额定电流有效值TN I 大于实际流过管子电流最大有效值T I ，即
TN I =1.57)(AV T I >T I 或 )(AV T I >
57.1T I
考虑（1.5～2）倍的裕量：
)(AV T I >It/1.57=1.52A
此外，还需注意以下几点：
①当周围环境温度超过+40℃时，应降低元件的额定电流值。

②当元件的冷却条件低于标准要求时，也应降低元件的额定电流值。

③关键、重大设备，电流裕量可适当选大些。

（b ）、晶闸管的额定电压
晶闸管实际承受的最大峰值电压乘以（2～3）倍的安全裕量，即可确定晶闸管的额定电压： 22220
TM U U V V ==⨯=:（23）3）(2～3)22(622933)TM U V ==
⨯:::（23（23）(2～3)22220(622933)TM U U V V ==:::3）（3(622～933)22220(622933)TM U V V =⨯=:::（23）3） (2-9)
取800V 。

由以上分析计算知选取晶闸管的型号为KP5-8。

（c ）、KP5-8晶闸管的具体参数
额定通态平均电流（IT （AV ））：5A;
断态重复峰值电压（UDRM ）:500V;
反向重复峰值电压（URRM）:1800V;
断态重复平均电流（IDR（AV））:≤6mA;
反向重复平均电流（IRR（AV））:≤6mA;
门极触发电流（IGT）:60mA;
门极触发电压（UGT）:1.8V;
断态电压临界上升率（du/dt）:50V/uS
维持电流（IH）：60mA;
额定结温（TjM）：110℃
六．单元电路设计
6.1. 单结晶体管的工作原理
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的半导体器件，它的基片为条状的高阻N型硅片，两端分
别用欧姆接触引出两个基极b
1和b
2。

在硅片中间略偏b
2
一侧用合金法制作一个P
区作为发射极e。

其结构，符号和等效电如图6-1所示。

图6-1
6.2.单结晶体管的特性
从图6-1（a）可以看出，两基极b
1和b
2
之间的电阻称为基极电阻。

Rb
b =rb
1
+rb
2
式中：Rb
1——第一基极与发射结之间的电阻，其数值随发射极电流i
e
而变
化，rb 2为第二基极与发射结之间的电阻，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b 2，b 1间加上正电压Vb b ，则A 点电压为：
V A =[rb 1/（rb 1+rb 2）]vb b =（rb 1/rb b ）vb b =ηVb b
式中：η称为分压比，其值一般在0.3—0.85之间，如果发射极电压V E 由
零逐渐增加，就可测得单结晶体管的伏安特性，见图6-2：
图6-2单结晶体管的伏安特性
（1）当V e 〈ηVb b 时，发射结处于反向偏置，管子截止，发射极只有很小的
漏电流I ceo 。

（2）当V e ≥ηVb b +VD VD 为二极管正向压降（约为0.7V ），PN 结正向导通，
I e 显著增加，rb 1阻值迅速减小，V e 相应下降，这种电压随电流增加反而下降的
特性，称为负阻特性。

管子由截止区进入负阻区的临界P 称为峰点，与其对应的
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的最小电流，显然V p =ηVb b 。

（3）随着发射极电流I e 的不断上升，V e 不断下降，降到V 点后，V e 不再下
降了，这点V 称为谷点，与其对应的发射极电压和电流，称为谷点电压V v 和谷
点电流I v 。

（4）过了V 后，发射极与第一基极间半导体的载流子达到了饱和状态，所
以u c 继续增加时，i e 便缓慢的上升，显然V v 是维持单结晶体管导通的最小发射
极电压，如果V e 〈V v ，管子重新截止。

6.3.单结晶体管的主要参数
①基极间电阻Rb
b 发射极开路时，基极b
1
，b
2
之间的电阻，一般为2-10千欧，
其数值随温度的上升而增大。

②分压比η由管子部结构决定的参数，一般为0.3--0.85。

③eb
1间反向电压Vcb
1
b
2
开路，在额定反向电压Vcb2下，基极b1与发射极
e之间的反向耐压。

④反向电流I
eo b
1
开路，在额定反向电压Vcb
2
下，eb
2
间的反向电流。

⑤发射极饱和压降V
eo 在最大发射极额定电流时，eb
1
间的压降。

⑥峰点电流I
p
单结晶体管刚开始导通时，发射极电压为峰点电压时的发射极电流。

6.4.触发电路设计要求
晶闸管的型号很多，其应用电路种类也很多，不同的晶闸管型号，应用电路对触发信号都会有不同的要求。

但是，归纳起来，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。

不管是哪种触发电路，对它产生的触发脉冲都有如下要求：
（1）、触发信号为直流、交流或脉冲电压，由于晶闸管导通后，门极触发信号即失去了控制作用，为了减小门极的损耗，一般不采用直流或交流信号触发晶闸管，而广泛采用脉冲触发信号。

（2）、触发信号应有足够的功率（触发电压和触发电流）。

触发信号功率大小是晶闸管元件能否可靠触发的一个关键指标。

由于晶闸管元件门极参数的分散性很大，且随温度的变化也大，为使所有合格的元件均能可靠触发，可参考元件出厂的试验数据或产品目录来设计触发电路的输出电压、电流值，并有一定的裕量。

（3）、触发脉冲应有一定的宽度，脉搏冲的前沿尽可能陡，以使元件在触发信号导通后，阳极电流能迅速上升超过掣住电流而维持导通。

普通晶闸管的导通时间约法为6s
μ，故触发电路的宽度至少应有6sμ以上，对于电感性负载，由于电感会抑制电流的上升，触发脉冲的宽度应更大一些，通常为0.5ms至1ms，此外，某些具体电路对触发脉冲宽度会有一定的要求，如三相全控桥等电路的触发脉冲宽度要大于60°或采用双窄脉冲。

（4）、为了快速而可靠地触发大功率晶闸管，常在触发脉冲的前沿叠加一个
i可达强触发脉冲，强触发脉冲的电流波形如图4-1所示。

强触发电流的幅值gm
t约为几sμ。

到最大触发电流的5倍。

前沿
1
图6-3 强触发电流波形
（5）、触发脉冲必须与晶闸管的阳极电压同步，脉冲称相围必须满足电路要求。

为保证控制的规律性，要求晶闸管在每个阳极电压周期都在相同控制角α触发导通，这就要求脉冲的频率必须与阳极电压同步。

同时，不同的电路或者相同的电路在不同的负载、不同的用途时，要求的α变化的围（移相围）亦即触发脉冲前沿与阳极电压的相位变化围不同，所用触发电路的脉冲移相围必须满足实际的需要。

七．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。

7.1 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应过电压
两类。

外应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。

2.雷击过电压：由雷击引起的过电压。

因过电压主要来自电力电子装置部器件的开关过程，包括：
(1)换相过电压：由于晶闸管或者全控器件反并联的续流二极管在换相结束后不能立刻恢复阻断能力，因而有较大的反向电流流过，使残存的载流子恢复，当其恢复了阻断能力时，反向电流急剧减小，这样的电流突变会因线路电感而在晶闸管阴阳极之间或与续流二极管反并联的全控型器件两端产生过电压。

(2)关断过电压：全控型器件在较高的频率下工作，当器件关断时因正
向电流的迅速降低而由线路电感在器件两端感应出的过电压。

过压保护要根据电路中过压产生的不同部位，加入不同的保护电路，当达到—定电压值时，自动开通保护电路，使过压通过保护电路形成通路，消耗过压储存的电磁能量，从而使过压的能量不会加到主开关器件上，保护了电力电子器件。

为了达到保护效果，可以使用阻容保护电路来实现。

将电容并联在回路中，当电路中出现电压尖峰电压时，电容两端电压不能突变的特性，可以有效地抑制电路中的过压。

与电容串联的电阻能消耗掉部分过压能量，同时抑制电路中的电感与电容产生振荡，过电压保护电路如图5所示。

7.2过电流保护
当电力电子变换器部某一器件击穿或短路、触发电路或控制电路发生故障、出现过载、直流侧短路、可逆传动系统产生环流或逆变失败，以及交流电源电压过高或过低、缺相等，均可引起变换器元件的电流超过正常工作电流，即出现过流。

由于电力电子器件的电流过载能力比一般电气设备差得多，因此，必须对变换器进行适当的过流保护。

变换器的过流一般主要分为两类：过载过流和短路过流.过电流——过载和短路两种情况.
（1）直流快速开关
对于大容量高功率经常容易短路的场合，可采用动作时间只有2ms的直流快速开关。

它的断弧时间仅有25~30ms，装在直流侧可有效的用于直流侧的过载保护与短路保护。

它经特殊的设计，可以先于快速熔断器熔断而保护晶闸管。

但此开关昂贵复杂，使用不多。

快速熔断器闸管在被损坏之前就迅速切断电流，并断开桥臂中的故障元件，以保护其他元件。

晶闸管过流保护措施有以下几种。

（2）交流短路器
交流短路器的作用是当过电流超过其整定值时动作，切断变压器一次侧交流电路，使变压器退出运行。

短路器动作时间较长，约为100~200ms。

晶闸管不能在这样长的时间里承受过电流，故它只能作为变流装置的后备保护。

（3）进线电抗器
进线电抗器串接在变流装置的交流进线侧，以限制过电流。

其缺点是有负载时会产生较大的压降，增加了线路损耗。

（4）过电流继电器
过电流继电器可安装在直流侧或交流侧，在发生过电流时动作，使
熔断器是最简单有效的且应用普遍的过流保护器
件。

针对晶闸管的特点，专门设计了快速熔断器，简称
快熔。

其熔断时间小于20ms，能很快的熔断，达到保护
晶闸管的目的。

不小于线路正常
2.快熔的选择：快熔的额定电压U
RN
应按它所保护
工作电压的均方根值；快熔的额定电流I
RN
的原件实际流过的电流的均方根值来选择，而不是根据
来选择，一般小于被保护晶闸管的额定有效值元件型号上标出的额定电流I
T。

快熔接法如右：
1.57I
T
其中交流侧接快速熔断器能对晶闸管元件短路及直流侧短路起保护作用，但要求正常工作时，快速熔断器电流定额要大于晶闸管的电流定额，这样对元件的短路故障所起的保护作用较差。

直流侧接快速熔断器只对负载短路起保护作用，对元件无保护作用。

只有晶闸管直接串接快速熔断器才对元件的保护作用最好，因为它们流过同—个电流．因而被广泛使用。

电子电路作为第一保护措施，快熔仅作为短路时的部分区段的保护，直流快速断路器整定在电子电路动作之后实现保护，过电流继电器整定在过载时动作。

7.3缓冲电路
又称吸收电路，其作用是抑制器件的因过电压、d u/d t或者过电流和d i/d t，减小器件的开关损耗。

1.关断缓冲电路（d u/d t抑制电路）——吸收器件的关断过电压和换相过电压，抑制d u/d t，减小关断损耗。

2.开通缓冲电路（d i/d t抑制电路）——抑制器件开通时的电流过冲和
d i/d t，减小器件的开通损耗。

3.复合缓冲电路——关断缓冲电路和开通缓冲电路的结合。

通常将缓冲电路专指关断缓冲电路，将开通缓冲电路叫做d i/d t抑制电路。

4.另外两种常用的缓冲电路
RC缓冲电路主要用于小容量器件，而放电阻止型RCD缓冲电路用于中大容量器件。

5.电流上升率di/dt的抑制
晶闸管初开通时电流集中在靠近门极的阴极表面较小的区域，局部电流密度很大，然后以0.1mm/μs的扩展速度将电流扩展到整个阴极面，若晶闸管开通时电流上升率di/dt过大，会导致PN结击穿，必须限制晶闸管的电流上升率使其在合适的围。

其有效办法是在晶闸管的阳极回路串联入电感。

如下图所示:
图串联电感抑制回路
6.电压上升率dv/dt的抑制
加在晶闸管上的正向电压上升率dv/dt也应
有所限制,如果dv/dt过大，由于晶闸管结电容的
存在而产生较大的位移电流，该电流可以实际上
起到触发电流的作用，使晶闸管正向阻断能力下
降，严重时引起晶闸管误导通。

为抑制dv/dt的
作用，可以在晶闸管两端并联R-C阻容吸收回路。

如图所示：
图2.3.7 并联R-C阻容吸收回路
八．电路总接线图：
九．设计总结
这次电力电子课程设计历时两周，让我对平时课堂上学到的知识有更深入的理解。

课程设计是对课本知识的综合应用，经过必要的分析比较从而进一步验证了课本上的知识。

作为一个机电专业的学生，肯定知道电力电子技术在我们生活中的重要性，不论是在工业生产还是日常生活中都有广泛的应用。

这学期我们主要学习了整流、变频电路。

当看到我们组拿到的题目时，自己觉得是最简单的，但实际做起来的时候发现自己想的太简单了，有很多问题自己不了解，对课本上的知识掌握不够全面。

在此次的设计过程中，我更进一步的熟悉了单相桥式全控桥整流电路的原理以及触发电路的设计。

通过单相全控桥式整流电路的设计，使我加深了对整流电路的理解，让我对电力电子该课程产生了浓烈的兴趣。

电力电子技术课程设计是配合变流电路理论教学，为我们自动化和电气工程及其自动化专业开设的专业基础技术技能设计，课程设计对我们是一个非常重要的实践教学环节。

通过设计，使我们巩固和加深了对变流电路基本理论的理解，提高了运用电路基本理论分析和处理实际问题的能力，培养了我们的创新精神和创新能力。

总之这次设计大大的提高了我的综合的学习能力，让我能将所学的知识融会贯通，并在学习技能上渐渐成熟。

参考文献
[1]. 《电力电子技术》丁道宏航空工业 1999年第二版
[2]. 《电子电路精选》琼林电子工业 1996年第一版
[3]. 《数字电子技术基础》阎石高等教育 2001
[4]. 《电子电路基础》童诗白高等教育 1995 第二版
[5]. 《电子技术课程设计指导》高等教育彭介华 2002
[6].《电力电子技术题例与电路设计指导》石玉编机械工业。