单相半控桥式晶闸管整流电路设计(反电势、电阻)知识讲解

电力电子技术课程设计单相半控桥式晶闸管整
流电路设计（反电势、电阻）
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一、设计目的
1、把从电力电子技术课程中所学到的理论和实践知识，在课程设计实践中全面
综合的加以运用，使这些知识得到巩固、提高，并使理论知识与实践技能密切结
合起来；
2、初步树立起正确的设计思想，掌握一般电力电子电路设计的基本方法和技能，
培养观察、分析和解决问题及独立设计的能力，训练设计构思和创新能力；
二、设计任务
1、通过查阅参考资料完成单相半控桥式晶闸管整流电路的设计任务；
2、绘制电气控制原理图，包括主电路图及触发电路图(或驱动电路图)，正确选
择或设计元器件，订列元器件目录清单；
1.设计的主要参数及要求：
设计条件：1、电源电压：交流100V/50Hz
2、输出功率：500W
3、移相范围30º~150º
4、负载为反电势、电阻负载
2.电路元件的选择
（1）整流元件的选择
由于单相桥式半控反电动势、电阻负载电路主要器件是晶闸管，所以选取元件时主要考虑晶闸管的参数及其选取原则。

晶闸管的结构
晶闸管是大功率的半导体器件，从总体结构上看，可区分为管芯及散热器两大部分，分别如图所示
a）螺栓型 b）平板型 c）电气符号
图晶闸管管芯及电路符号表示
晶闸管管芯的内部结构如图所示，是一个四层（P
1—N
1
—P
2
—N
2
）三端（A、K、G）
的功率半导体器件。

它是在N型的硅基片（N
1）的两边扩散Ｐ型半导体杂质层（P
1
、
P 2），形成了两个PN结J
1
、J
2。

再在P
2
层内扩散Ｎ型半导体杂质层N
2
又形成另一
个PN结J
3。

然后在相应位置放置钼片作电极，引出阳极A，阴极K及门极G，形成了一个四层三端的大功率电子元件。

这个四层半导体器件由于
三个PN结的存在，决定了它的可控导通特性。

晶闸管的工作原理
通过理论分析和实验验证表明：
1）只有当晶闸管同时承受正向阳极电压和正向门极电压时晶闸管才能导通，两者不可缺一。

2）晶闸管一旦导通后门极将失去控制作用，门极电压对管子随后的导通或关断均不起作用，故使晶闸管导通的门极电压不必是一个持续的直流电压，只要是一个具有一定宽度的正向脉冲电压即可，脉冲的宽度与晶闸管的开通特性及负载性质有关。

这个脉冲常称之为触发脉冲。

3）要使已导通的晶闸管关断，必须使阳极电流降低到某一数值之下（约几十毫安）。

这可以通过增大负载电阻，降低阳极电压至接近于零或施加反向阳极电压来实现。

这个能保持晶闸管导通的最小电流称为维持电流，是晶闸管的一个重要参数。

晶闸管为什么会有以上导通和关断的特性，这与晶闸管内部发生的物理过程有
关。

晶闸管是一个具有P
1—N
1
—P
2
—N
2
四层半导体的器件，内部形成有三个PN结
J 1、J
2
、J
3
，晶闸管承受正向阳极电压时，其中J
1
、J
3
承受反向阻断电压，J
2
承受
正向阻断电压。

这三个PN结的功能可以看作是一个PNP型三极管VT
1（P
1
—N
1
—
P 2）和一个NPN 型三极管VT 2（N 1—P 2—N 2）构成的复合作用，如图1-9所示。

图晶闸管的等效复合三极管效应
可以看出，两个晶体管连接的特点是一个晶体管的集电极电流就是另一个晶体管的基极电流，当有足够的门极电流I g 流入时，两个相互复合的晶体管电路就会形成强烈的正反馈，导致两个晶体管饱和导通，也即晶闸管的导通。

如果晶闸管承受的是反向阳极电压，由于等效晶体管VT 1、VT 2均处于反压状态，无论有无门极电流I g ，晶闸管都不能导通。

晶闸管的基本特性
1．静态特性
静态特性又称伏安特性，指的是器件端电压与电流的关系。

这里介绍阳极伏安特性和门极伏安特性。

（1） 阳极伏安特性
晶闸管的阳极伏安特性表示晶闸管阳极与阴极之间的电压U ak 与阳极电流i a
之间的关系曲线，如图1-10所示。

图6.5 晶闸管阳极伏安特性
①正向阻断高阻区；②负阻区；③正向导通低阻区；④反向阻断高阻区 阳极伏安特性可以划分为两个区域：第Ⅰ象限为正向特性区，第Ⅲ象限为反向特性区。

第Ⅰ象限的正向特性又可分为正向阻断状态及正向导通状态。

（2） 门极伏安特性
晶闸管的门极与阴极间存在着一个PN 结J 3，门极伏安特性就是指这个PN 结上正向门极电压U g 与门极电流I g 间的关系。

由于这个结的伏安特性很分散，无法找到一条典型的代表曲线，只能用一条极限高阻门极特性和一条极限低阻门极特性
之间的一片区域来代表所有元件的门极伏安特性，如图1-11阴影区域所示。

图6.6 晶闸管门极伏安特性
2．动态特性
晶闸管常应用于低频的相控电力电子电路时，有时也在高频电力电子电路中得到应用，如逆变器等。

在高频电路应用时，需要严格地考虑晶闸管的开关特性，即开通特性和关断特性。

（1）开通特性
晶闸管由截止转为导通的过程为开通过程。

图1-12给出了晶闸管的开关特性。

在晶闸管处在正向阻断的条件下突加门极触发电流，由于晶闸管内部正反馈过程及外电路电感的影响，阳极电流的增长需要一定的时间。

从突加门极电流时刻到阳极电流上升到稳定值I T的10%所需的时间称为延迟时间t d，而阳极电流从10%I T 上升到90%I T所需的时间称为上升时间t r，延迟时间与上升时间之和为晶闸管的开通时间t gt=t d+t r，普通晶闸管的延迟时间为0.5～1.5μs，上升时间为0.5～3μs。

延迟时间随门极电流的增大而减少，延迟时间和上升时间随阳极电压上升而下降。

图6.7 晶闸管的开关特性
（2）关断特性
通常采用外加反压的方法将已导通的晶闸管关断。

反压可利用电源、负载和辅助换流电路来提供。

要关断已导通的晶闸管，通常给晶闸管加反向阳极电压。

晶闸管的关断，就是要使各层区内载流子消失，使元件对正向阳极电压恢复阻断能力。

突加反向阳极电压后，由于外电路电感的存在，晶闸管阳极电流的下降会有一个过程，当阳极电
流过零，也会出现反向恢复电流，反向电流达最大值I RM后，再朝反方向快速衰减接近于零，此时晶闸管恢复对反向电压的阻断能力。

（2）主电路原理图
波形图：
当整流电路输出接有反电势负载时，只有当电源电压的瞬时值大于反电势，同时又有触发脉冲时，晶闸管才能导通，整流电
路才有电流输出，在晶闸管关断的时间内，负载上保留原有的反电势。

负载两端的电压平均值比电阻性负载时高。

（3）参数计算
本电路由于采用了Matlab仿真，器件的参数采用默认值，这里主要计算电阻和脉冲信号源的延迟时间。

本次设计的基本要求是：交流100V/50Hz; 输出功率：500W; 调相范围30—150度。

设置每个元件的仿真参数。

最为关键的是控制角α的调节是通过脉冲发生器的相位延迟来实现的，由于其单位是秒，而控制角的大小是通过度来衡量的，所以要进行单位转化，即把角度转化为秒。

交流电压源的频率取为50 Hz，因此每个周期的时间就是1/50 s，每一度角对应的时间就是1/(50×360) s。

在此设定控制角为30°，则脉冲发生器P1的延时应设为30/(50×360) s。

由于脉冲信号在每个周期触发两次，所以其周期为0.01 s，所以脉冲发生器P2的延时设为30/(50× 360)+0.01 s。

由于没有直接可用的电阻元件，只有RLC 的几种组合电路，所以采用串联的RLC 组合来等效电阻。

触发角/（交流电压源的频率×360）
触发角+180/（交流电压源的频率×360）
三、 MATLAB仿真
（1）参数设定
晶闸管参数
触发脉冲器参数（触发角30°）
（2）实验结果
1.触发角α=30°
2.触发角=90°
3.触发角=120°
4.触发角=150°（此时输出平均电流已经为0）
精品文档
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四、 实验心得
通过单相半控桥式晶闸管整流电路的设计，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。

学习了很多书本上没有的知识，也对课本知识进行了强化和更深的理解，更让我感受到学习不知识一味的书本理性知识还要通过实践才能记忆更扎实更牢靠。