单相桥式可控整流电路设计

电力电子技术课程设计说明书

单相桥式可控整流电路设计

院 、 部： 电气与信息工程学院

学生姓名： 何鹏辉 指导教师： 肖文英 职称 教授

专 业： 电气工程及其自动化

班 级： 电气本1304班

完成时间： 2016年 6月4日

学 号 ： 1330140437

湖南工学院电力电子课程设计课题任务书

学院： 电气与信息工程学院 专业：电气工程及其自动化

摘 要

单相桥式可控整流电路是一种能将交流转换为直流的电路，其转换效率高，原理及结构简单，因此它在单相整流电路中有着很广泛的应用。

设计一个单相桥式可控整流电路，我首先先确定设计总体方案，比较了单相桥式半控整流电路和单相桥式全控整流电路的优劣之后，最终选择了单相桥式全控整流电路。单相桥式全控整流电路由一个变压器，4个可控晶闸管，和一个阻感负载组成。然后根据总体方案分别设计了各个单元电路，如触发电路、保护电路等；还根据要求计算了参数，包括触发角的选择，输出平均电压，输出平均电流，输出有功功率计算，输出波形分析，器件额定参数确定等；完成这些后，将各个单元电路衔接起来就完成了主电路的设计；然后再用MATLAB软件仿真调试。

设计完成后，用MATLAB软件进行仿真调试，调试结果满足设计要求。

关键词：单相桥式可控整流电路；触发电路；保护电路；MATLAB软件仿真

目 录

1．设计方案选择及论证----------------------------------------------- 1

1.1 设计任务和要求 --------------------------------------------- 1

1.1.1 设计任务---------------------------------------------- 1

1.1.2 设计要求---------------------------------------------- 1

1.2 总体方案的选择与确定 ---------------------------------------- 1

1.3 整流电路方案的确定 ------------------------------------------ 2

2．系统总体设计----------------------------------------------------- 3

2.1系统原理方框图----------------------------------------------- 3

2.2 主电路设计 -------------------------------------------------- 4

2.2.1 工作原理----------------------------------------------- 4

2.2.1 单相全控桥式整流电路----------------------------------- 5

3．驱动电路和保护电路的设计----------------------------------------- 6

3.1触发电路设计------------------------------------------------- 6

3.1.1单结晶体管触发电路 ------------------------------------- 6

3.1.2 单结晶体管自激震荡电路--------------------------------- 7

3.1.3 同步电源----------------------------------------------- 7

3.1.4 移相控制----------------------------------------------- 8

3.1.5 脉冲输出----------------------------------------------- 8

3.2保护电路的设计----------------------------------------------- 8

3.2.1 过电流保护--------------------------------------------- 8

3.2.3 过压保护---------------------------------------------- 10

4．元器件和电路参数计算-------------------------------------------- 11

4.1元件选取-----晶闸管（SCR）---------------------------------- 11

4.1.1 晶闸管的基本特性-------------------------------------- 11

4.1.2 晶闸管的主要参数-------------------------------------- 12

4.2晶闸管的选型------------------------------------------------ 14

4.3 整流变压器额定参数计算 ------------------------------------- 15

4.3.1一次与二次额定电流及容量计算 -------------------------- 15

4.4 设计结果分析 ----------------------------------------------- 15

5．系统调试与仿真-------------------------------------------------- 16 设计总结----------------------------------------------------------- 22 参考文献----------------------------------------------------------- 23 附录A 单相桥式整流电路元器件清单 ---------------------------------- 24

1．设计方案选择及论证

1.1 设计任务和要求

1.1.1 设计任务

本次设计的任务是设计一个单相桥式全控整流电路。确定设计总体方案，通过总体方案来设计各个单元电路，如触发电路、保护电路等；根据要求计算参数，包括触发角的选择，输出平均电压，输出平均电流，输出有功功率计算；输出波形分析，器件额定参数确定等；完成这些后，将各个单元电路衔接起来，并完成主电路的设计；然后再用MATLAB软件仿真调试。

1.1.2 设计要求

单相桥式全控整流电路的设计要求为：

（1）电网供电电压为单相220V；

（2）变压器二次侧电压为110V；

（3）输出电压连续可调，为0～100V；

（4）带阻感性负载：L=1000mH，R=100Ω；

1.2 总体方案的选择与确定

单相桥式带阻感负载整流电路可分为单相桥式带阻感负载相控整流电路和单相桥式带阻感负载半控整流电路，它们所连接的负载性质不同就会有不同的特点。下面分析两种单相桥式整流电路在带电感性负载的工作情况。

单相半控整流电路的优点是：线路简单、调整方便。弱点是：输出电压脉动大，负载电流脉冲大（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。

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，在相同的负载下流过晶闸管的平均电流减小一半；且功率因数提高了一半。

单相半波相控整流电路因其性能较差，实际中很少采用，在中小功率场合采用更多的是单相全控桥式整流电路。

根据以上的比较分析因此选择的方案为单相全控桥式整流电路（负载为阻感

1．设计方案选择及论证

1.1 设计任务和要求

1.1.1 设计任务

本次设计的任务是设计一个单相桥式全控整流电路。确定设计总体方案，通过总体方案来设计各个单元电路，如触发电路、保护电路等；根据要求计算参数，包括触发角的选择，输出平均电压，输出平均电流，输出有功功率计算；输出波形分析，器件额定参数确定等；完成这些后，将各个单元电路衔接起来，并完成主电路的设计；然后再用MATLAB软件仿真调试。

1.1.2 设计要求

单相桥式全控整流电路的设计要求为： （1）电网供电电压为单相220V； （2）变压器二次侧电压为110V； （3）输出电压连续可调，为0～100V； （4）带阻感性负载：L=1000mH，R=100Ω；

1.2 总体方案的选择与确定

单相桥式带阻感负载整流电路可分为单相桥式带阻感负载相控整流电路和单相桥式带阻感负载半控整流电路，它们所连接的负载性质不同就会有不同的特点。下面分析两种单相桥式整流电路在带电感性负载的工作情况。

单相半控整流电路的优点是：线路简单、调整方便。弱点是：输出电压脉动大，负载电流脉冲大（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。

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，在相同的负载下流过晶闸管的平均电流减小一半；且功率因数提高了一半。

单相半波相控整流电路因其性能较差，实际中很少采用，在中小功率场合采用更多的是单相全控桥式整流电路。

根据以上的比较分析因此选择的方案为单相全控桥式整流电路（负载为阻感

1

性负载）。

1.3 整流电路方案的确定

单相整流器的电路形式是各种各样的，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1.1 单相桥式半控整流电路图

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°或触发脉冲丢失时，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1.2 单相桥式全控整流电路电路图

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。

2

方案三：单相全波可控整流电路 电路简图如下：

图1.3 单相全波可控整流电路图

此电路变压器是带中心抽头的，结构比较复杂，但只用了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（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，单相全控式整流电路其输出平均电压是单相半波整流电路的2倍，平均电流减小一半；且功率因数提高了一半。 综上所述，设计采用方案二，即单相桥式全控整流电路。

2．系统总体设计

2.1系统原理方框图

系统原理方框图如2.1所示：整流电路主要由驱动电路、保护电路和整流主电路组成。根据设计任务，在此设计中采用单相桥式全控整流电路接电阻性负载。

图2.1 系统整体设计框图

3

2.2 主电路设计

2.2.1 工作原理

负载中电感量的大小不同，整流电路的工作情况及输出Ud、id 的波形具有不同的特点。当负载电感量L较小（即负载阻抗角φ），控制角α〉φ时，负载上的电流不连续；当电感L增大时，负载上的电流不连续的可能性就会减小；当电感L很大，且ωLd﹥﹥Rd时，这种负载称为大电感负载。此时大电感阻止负载中电流的变化，负载电流连续，可看作一条水平直线。

在电源电压U2正半周期间， 晶闸管T1 、T2 承受正向电压，若在ωt=α时触发，T1 、T2 导通，电流经T1 、负载、T2 和Tr二次形成回路，但由于大电感的存在，U2 过零变负时，电感上的感应电动势使T1 、T2 继续导通，直到T3、T4 被触发时，T1 、T2 承受反向电压而截止。输出电压的波形出现了负值部分。在电源电压U2 负半周期间，晶闸管T3、T4 承受正向电压，在ωt=α+π时触发，T3、T4 导通，T1 、T2 反向截止，负载电流从T1 、T2 中换流至T3、T4中。在ωt=2π时，电压U2过零，T3、T4因电感中的感应电动势一直导通，直到下个周期T1 、T2 导通时，T3、T4因加反向电压才截止，值得注意的是，只有当α〈=π/2时，负载电流才连续，当α〉π/2时，负载电流不连续，而且输出电压的平均值均接近于零，因此这种电路控制角的移相范围是0—π/2，图2.2为整体设计电路图。

图2.2 整体电路原理图

4

2.2.1 单相全控桥式整流电路

在生产实践中，除了电阻性负载外， 最常见的负载还有电感性负载， 如电动机的励磁绕组，整流电路中串入的滤波电抗器等。 为了便于分析和计算， 在电路图中将电阻和电感（图4.2单相桥式整流电路带阻感负载）分开表示。

当整流电路带阻感性负载时，整流工作的物理过程和电压、 电流波形（如图2.3）都与带电阻性负载时不同。因为电感对电流的变化有阻碍作用。

图 2.3 单相全控桥式整流电路阻感性负载及其波形

(a).电路；(b).电源电压；(c).触发脉冲；(d).输出电压；(e).输出电流； (f).晶闸管V1,V4上的电流；(g).晶闸管V2,V3上的电流；(h).变压器副边电流；(i).晶闸管V1,V4上的电压

当电流变化时，电感要产生感应电动势而阻碍其变化，所以，电路电流的变化总是滞后于电压的变化。

Ud



1



2U2sintd(t)

22



U2cos0.9U2cos

负载电流连续时，整流电压平均值可按上式计算：

输出电流波形因电感很大，平波效果很好而呈一条水平线。两组晶闸管轮流导电，一个周期中各导电180°，且与α无关，变压器二次绕组中电流i2的波形

5

是对称的正、负方波。负载电流的平均值Id和有效值I相等，其波形系数为1。在这种情况下： 当α=0°时，Ud=0.9U2；

当α=90°时，Ud=0，其移相范围为90°。

2U2流过每个晶闸管的电流平均值和有效值分别为

IdVIV

V1

IdIdId222V2

IdIdId222

3．驱动电路和保护电路的设计

3.1触发电路设计

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。触发电路对其产生的触发脉冲要求：

1）触发信号可为直流、交流或脉冲电压。

2）触发信号应有足够的功率（触发电压和触发电流）。

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

4）触发脉冲必须与晶闸管的阳极电压同步，脉冲移相范围必须满足电路要求。

3.1.1单结晶体管触发电路

由单结晶体管构成的触发电路具有简单、可靠、抗干扰能力强、温度补偿性能好，脉冲前沿徒等优点，在容量小的晶闸管装置中得到了广泛应用。他由自激震荡、同步电源、移相、脉冲形成等部分组成，电路图如3-1所示。

图3.1 单结晶体管触发电路及波形

3.1.2 单结晶体管自激震荡电路

利用单结晶体管的负阻特性与RC电路的充放电可组成自激振荡电路，产生频率可变的脉冲。从图3-1（a）可知，经D1-D2整流后的直流电源UZ一路通过R2、R1加在单结晶体管两个基极b1、b2之间，另一路通过Re对电容C充电，发射极电压Ue=Uc按指数规律上升。Uc刚冲点到大于峰点转折电压Up的瞬间，管子e-b1间的电阻突然变小，开始导通。电容C开始通过管子e-b1迅速向R1放电，由于放电回路电阻很小，故放电时间很短。随着电容C放电，电压Ue小于一定值时，管子BT又由导通转入截止，然后电源又重新对电容C充电，上述过程不断重复在电容上形成锯齿波震荡电压，在R1上得到一系列前沿很陡的触发尖脉冲Us， 如图3.1（b）所示，其震荡频率为

f=1/T=1/ReCLn(1/1-η)„„„„„„„„ 3.1

式中η=0.3～0.9是单结晶体管的分压比。即调节Re，可调节振荡频率

3.1.3 同步电源

同步电压由变压器TB获得，而同步变压器与主电路接至同一电源，故同步电压于主电压同相位、同频率。同步电压经桥式整流、稳压管DZ削波为梯形波

UDZ,而削波后的最大值UZ既是同步信号,又是触发电路电源.当UDZ过零时,电容C经e-b1、R1迅速放电到零电压。这就是说,每半周开始,电容C都从零开始充电,进而保证每周期触发电路送出第一个脉冲距离过零的时刻(即控制角α)一致,实现同步。

3.1.4 移相控制

当Re增大时，单结晶体管发射极充电到峰点电压Up的时间增大，第一个脉冲出现的时刻推迟，即控制角α增大，实现了移相。

3.1.5 脉冲输出

触发脉冲Ug由R1直接取出，这种方法简单、经济，但触发电路与主电路有直接的电联系，不安全。对于晶闸管串联接法的全控桥电路无法工作。所以一般采用脉冲变压器输出。

3.2保护电路的设计

电力电子系统在发生故障时可能会发生过流、过压，造成开关器件的永久性损坏。过流、过压保护包括器件保护和系统保护两个方面。检测开关器件的电流、电压，保护主电路中的开关器件，防止过流、过压损坏开关器件。检测系统电源输入、输出及负载的电流、电压，实时保护系统，防止系统崩溃而造成事故。例如，R-C阻容吸收回路、限流电感、快速熔断器、压敏电阻或硒堆等。再一种则是采用电子保护电路，检测设备的输出电压或输入电流，当输出电压或输入电流超过允许值时，借助整流触发控制系统使整流桥短时间内工作于有源逆变工作状态，从而抑制过电压或过电流的数值。

3.2.1 过电流保护

当电力电子变流装置内部某些器件被击穿或短路；驱动、触发电路或控制电路发生故障；外部出现负载过载；直流侧短路；可逆传动系统产生逆变失败；以及交流电源电压过高或过低；均能引起装置或其他元件的电流超过正常工作电流，即出现过电流。因此，必须对电力电子装置进行适当的过电流保护。

采用快速熔断器作过电流保护，熔断器是最简单的过电流保护元件，但最普通的熔断器由于熔断特性不合适，很可能在晶闸管烧坏后熔断器还没有熔断，快速熔断器有较好的快速熔断特性，一旦发生过电流可及时熔断起到保护作用。最

好的办法是晶闸管元件上直接串快速熔断器，因流过快速熔断器电流和晶闸管的电流相同，所以对元件的保护作用最好，这里就应用这一方法快熔抑制过电流电路图如下图所示：

图3.2 快速熔断器的接入方法

A型熔断器

特点：是熔断器与每一个元件串连，能可靠的保护每一个元件。 B型熔断器

特点：能在交流、直流和元件短路时起保护作用，其可靠性稍有降低 C型熔断器

特点：直流负载侧有故障时动作，元件内部短路时不能起保护作用对于第二类过流，即整流桥负载外电路发生短路而引起的过电流，则应当采用电子电路进行保护。常见的过电流保护原理图如下所示

图3.3 过流保护原理图

3.2.3 过压保护

设备在运行过程中，会受到由交流供电电网进入的操作过电压和雷击过电压的侵袭。同时，设备自身运行中以及非正常运行中也有过电压出现。

过电压保护的第一种方法是并接R-C阻容吸收回路，以及用压敏电阻或硒堆等非线性元件加以抑制。见下图3-4和下图3-5

图3.4 阻容三角抑制过电压 图3.5 压敏电阻过压

过电压保护的第二种方法是采用电子电路进行保护。常见的过电压保护原理图如下图所示：

图3.6 过电压保护电路图

4．元器件和电路参数计算

4.1元件选取-----晶闸管（SCR）

4.1.1 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Uak与阳极电流ia

之间的关系曲线，如图所示。

图4.1 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，门极伏安特性就是指这个PN结上正向门极电压Ug与门极电流Ig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，阴影区域如图4.2所示。

图4.2 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4.3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IT的10%所需的时间称为延迟时间td，而阳极电流从10%IT上升到90%IT所需的时间称为上升时间tr，延迟时间与上升时间之和为晶闸管的开通时间tgt=td+tr，普通晶闸管的延迟时间为0.5～1.5μs，上升时间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4.3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IRM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。

4.1.2 晶闸管的主要参数

要正确使用一个晶闸管，除了了解晶闸管的静态、动态特性外，还必须定量地掌握晶闸管的一些主要参数。现对经常使用的几个晶闸管的参数作一介绍。

1．电压参数

（1） 断态重复峰值电压UDRM

门极开路，元件额定结温时，从晶闸管阳极伏安特性正向阻断高阻区漏电流急剧增长的拐弯处所决定的电压称断态不重复峰值电压UDSM，“不重复”表明这个电压不可长期重复施加。取断态不重复峰值电压的90％定义为断态重复峰值电压UDRM，“重复”表示这个电压可以每秒50次，每次持续时间不大于10ms的重复方式施加于元件上。 （2） 反向重复峰值电压URRM

门极开路，元件额定结温时，从晶闸管阳极伏安特性反向阻断高阻区反向漏电流急剧增长的拐弯处所决定的的电压称为反向不重复峰值电压URSM，这个电压是不能长期重复施加的。取反向不重复峰值电压的90％定义为反向重复峰值电压URRM，这个电压允许重复施加。 （3） 晶闸管的额定电压UR

取UDRM和URRM中较小的一个，并整化至等于或小于该值的规定电压等级上。电压等级不是任意决定的，额定电压在1000Ｖ以下是每100Ｖ一个电压等级，1000Ｖ至3000Ｖ则是每200Ｖ一个电压等级。

由于晶闸管工作中可能会遭受到一些意想不到的瞬时过电压，为了确保管子安全运行，在选用晶闸管时应使其额定电压为正常工作电压峰值UM的2~3倍，以作安全余量。

UR =（2～3）UM „„„„„„„„„„„„ 4.1 （4） 通态平均电压UT（AV）

指在晶闸管通过单相工频正弦半波电流，额定结温、额定平均电流下，晶闸管阳极与阴极间电压的平均值，也称之为管压降。在晶闸管型号中，常按通态平均电压的数值进行分组，以大写英文字母A～I表示。通态平均电压影响元件的损耗与发热，应该选用管压降小的元件来使用。 2．电流参数

（1） 通态平均电流IT（AV）

在环境温度为＋40℃、规定的冷却条件下，晶闸管元件在电阻性负载的单相、工频、正弦半波、导通角不小于170°的电路中，当结温稳定在额定值125℃时所允许的通态时的最大平均电流称为额定通态平均电流IT（AV）。选用晶闸管时应根据有效电流相等的原则来确定晶闸管的额定电流。由于晶闸管的过载能力小，为保证安全可靠工作，所选用晶闸管的额定电流IT（AV）应使其对应有效值电流为实际流过电流有效值的1.5～2倍。按晶闸管额定电流的定义，一个额定电流为100A的晶闸管，其允许通过的电流有效值为157A。晶闸管额定电流的选择可按

下式计算。

11

Isintd(t)Im„„„„„4.2 TIm02

（2 维持电流IH

维持电流是指晶闸管维持导通所必需的最小电流，一般为几十到几百毫安。维持电流与结温有关，结温越高，维持电流越小，晶闸管越难关断。

（3） 掣住电流IL

晶闸管刚从阻断状态转变为导通状态并撤除门极触发信号，此时要维持元件导通所需的最小阳极电流称为掣住电流。一般掣住电流比维持电流大（2～4）倍。 3．晶闸管的型号

普通型晶闸管型号可表示如下

KP[电流等级]—[电压等级/100][通态平均电压组别]

其中其中K代表闸流特性，P为普通型。如KP500—15型号的晶闸管表示其通态平均电流（额定电流）IT（AV）为500A，正反向重复峰值电压（额定电压）UR为1500V，通态平均电压组别以英文字母标出，小容量的元件可不标。

4.2晶闸管的选型

该电路为大电感负载，电流波形可看作连续且平直的。

Ud=100V时，不计控制角余量按=0º计算 由Ud=0.9U2得 UdU2==111V 取150V

0.9

Ute =（2～3）Ut

=（2～3）6U2 =（2～3）6150V =735～1102 V 取Ute为1000V 当Id=1时，

晶闸管额定电流t(AV)=

Id1

==0.64A 1.57157

考虑2倍裕量：d(AV)取1.28A

4.3 整流变压器额定参数计算

在很多情况下晶闸管整流装置所要求的交流供电电压与电网往往不能一致，同时又为了减少电网与整流装置的相互干扰，使整流主电路与电网隔离，为此需要配置整流变压器。整流变压器根据主电路的型式、负载额定电压和额定电流，算出整流变压器二次相电压U2、一次与二次额定电流以及容量。

由于整流变压器二次与一次电流都不是正弦波，因而存在着一定的谐波电流，引起漏抗增大，外特性变软以及损耗增大，所以在设计或选用整流变压器时，应考虑这些因素。

4.3.1一次与二次额定电流及容量计算

如果不计变压器的励磁电流，根据变压器磁动势平衡原理可得一次和二次电流关系式为：

I1N1=I2N2

1U1

K==

2U2

式中N1、N2——变压器一次和二次绕组的匝数； K——变压器的匝数比。

由于整流变压器流过的电流通常都是非正弦波，所以其电流、容量计算与线路型式有关。单相桥式可控整流电路计算如下：

大电感负载时变压器二次电流的有效值为

I2=Id=I=1A

U2=220V

U11220

由一次侧和二次侧电压得：===2

U22110

12= =0.5 故I1=0.5A 21

变压器二次侧容量为

S2=U22=110V1A=110KVA

4.4 设计结果分析

该电路为大电感负载，电流波形可看作连续且平直的。 （1）输出电压平均值Ud和输出电流平均值Id

122U2

cos0.9U2cosUd2U2sintdt

ππ0.9110cos6049.5V

IdUd49.51000.495AR

（2）晶闸管的电流平均值IdvT和有效值IvT

1 IvTId0.35A2 1IId0.2475AdvT 2

（3）输出电流有效值I和变压器二次电流有效值I2

II2Id0.495A（4）晶闸管所承受的最大正向电压,反向电压和晶闸管的额定电压 UD2U2155.54V

UN(2~3)*155.54V311V~467V

5．系统调试与仿真

打开新建模型窗口，将所需元件模块从模块库中拖入新建模型窗口并改名，设定有关参数后将各模块库连接组成仿真模型，如下图5-1所示，设置好各模块参数，点击下拉菜单仿真（SimUlation）按钮，仿真参数(SimUlation Parameters)命令设定有关仿真参数，仿真算法选择可变步长(Variable-step)积分算法函数，L=1000mH,R=100Ω，其他参数用默认值。然后点击启动仿真按钮，则开始仿真，双击显示模块（scope）就能显示其波形

图5.1 单相桥式全控整流系统模型图

图5.2 触发角为0°时的仿真波形

а=0°时，阻感负载仿真结果如图5.2所示

参数设置如下：

PlaUse generator1

AmplitUde=1 Period(secs)=0.02 PUlse Width(℅ of period)=5 Phase delay(secs)=0

PlaUse generator2

AmplitUde=1 Period(secs)=0.02 PUlse Width(℅ of period)=5 Phase delay(secs)=0.01

图5.3 触发角为30°时的仿真波形

а=30°时，阻感负载仿真结果如图5.3所示

参数设置如下：

PlaUse generator1

AmplitUde=1 Period(secs)=0.02 PUlse Width(℅ of period)=5 Phase delay(secs)=0.02/12

PlaUse generator2

AmplitUde=1 Period(secs)=0.02 PUlse Width(℅ of period)=5 Phase delay(secs)= 0.02/12+0.01

图5.4触发角为60°时的波形

а=60°时，阻感负载仿真结果如图5.4所示

参数设置如下：

PlaUse generator1

AmplitUde=1 Period(secs)=0.02 PUlse Width(℅ of period)=5 Phase delay(secs)=0.02/6

PlaUse generator2

AmplitUde=1 Period(secs)=0.02 PUlse Width(℅ of period)=5 Phase delay(secs)= 0.02/6+0.01

图5.5触发角为90°时的波形

а=90°时，阻感负载仿真结果如图5.5所示 参数设置如下： PlaUse generator1

AmplitUde=1 Period(secs)=0.02 PUlse Width(℅ of period)=5 Phase delay(secs)=0.02/4 PlaUse generator2

AmplitUde=1 Period(secs)=0.02 PUlse Width(℅ of period)=5 Phase delay(secs)= 0.02/4+0.01

设计总结

通过单相全控桥式整流电路的设计，巩固了我在课堂上学到的知识，也锻炼我的实践能力，也让我明白了仅仅通过课堂上学到的知识是远远不够的，自己还要善于查找各种资料，不断去完善自己的知识体系。

整流电路的设计方法多种多样，且根据负载的不同，又可以设计出很多不同的电路。其中单相全控桥式整流电路其负载我们用的多的主要是电阻型、带大电感型，接反电动势型。它们各自有自己的优点。因此，要想设计出性能好的电路，首先应该对它的理论知识有个全方面的了解，才能选择出合适的电路。整流电路中，开关器件的选择和触发电路的选择是最关键的，开关器件和触发电路选择的好，对整流电路的性能指标影响很大。

在这次课程设计过程中，碰到的难题就是保护电路的设计。因为保护电路的种类较多，因此要选择一个适合本课题的保护电路就比较难。为了找到一个合适的保护电路，我在图书馆查了很多资料，后来经过老师的指导，还有同学的帮助，最终设计了一个较好的保护电路。

课程设计能够顺利的完成，离不开老师和同学的热心帮助，在这表示深深的感谢。

参考文献

1.1 王兆安，刘进军，电力电子技术，机械工业出版社，2009.5 1.2 程汉湘，电力电子技术，科学出版社，2007

1.3 赵良炳，现代电力电子技术基础，清华大学出版社，1995

1.4 石玉，电力电子技术题例与电路设计指导，机械工业出版社，2000 1.5 李序葆、赵永健编，电力电子器件及其应用，机械工业出版社，1996

附录A 单相桥式整流电路元器件清单

元器件 整流变压器 晶闸管 电阻 电感 电位器 二极管 同步变压器 芯片 熔断器 电容 脉冲变压器

备注 变比2:1 KP20-4 100Ω 1000mh SW-SPDT

TCA785 熔断电流为15A

数量 1个 4个 若干 1个 2个 14个 1个 1块 4个 若干 2个

电力电子技术课程设计说明书

单相桥式可控整流电路设计

院 、 部： 电气与信息工程学院

学生姓名： 何鹏辉 指导教师： 肖文英 职称 教授

专 业： 电气工程及其自动化

班 级： 电气本1304班

完成时间： 2016年 6月4日

学 号 ： 1330140437

湖南工学院电力电子课程设计课题任务书

学院： 电气与信息工程学院 专业：电气工程及其自动化

摘 要

单相桥式可控整流电路是一种能将交流转换为直流的电路，其转换效率高，原理及结构简单，因此它在单相整流电路中有着很广泛的应用。

设计一个单相桥式可控整流电路，我首先先确定设计总体方案，比较了单相桥式半控整流电路和单相桥式全控整流电路的优劣之后，最终选择了单相桥式全控整流电路。单相桥式全控整流电路由一个变压器，4个可控晶闸管，和一个阻感负载组成。然后根据总体方案分别设计了各个单元电路，如触发电路、保护电路等；还根据要求计算了参数，包括触发角的选择，输出平均电压，输出平均电流，输出有功功率计算，输出波形分析，器件额定参数确定等；完成这些后，将各个单元电路衔接起来就完成了主电路的设计；然后再用MATLAB软件仿真调试。

设计完成后，用MATLAB软件进行仿真调试，调试结果满足设计要求。

关键词：单相桥式可控整流电路；触发电路；保护电路；MATLAB软件仿真

目 录

1．设计方案选择及论证----------------------------------------------- 1

1.1 设计任务和要求 --------------------------------------------- 1

1.1.1 设计任务---------------------------------------------- 1

1.1.2 设计要求---------------------------------------------- 1

1.2 总体方案的选择与确定 ---------------------------------------- 1

1.3 整流电路方案的确定 ------------------------------------------ 2

2．系统总体设计----------------------------------------------------- 3

2.1系统原理方框图----------------------------------------------- 3

2.2 主电路设计 -------------------------------------------------- 4

2.2.1 工作原理----------------------------------------------- 4

2.2.1 单相全控桥式整流电路----------------------------------- 5

3．驱动电路和保护电路的设计----------------------------------------- 6

3.1触发电路设计------------------------------------------------- 6

3.1.1单结晶体管触发电路 ------------------------------------- 6

3.1.2 单结晶体管自激震荡电路--------------------------------- 7

3.1.3 同步电源----------------------------------------------- 7

3.1.4 移相控制----------------------------------------------- 8

3.1.5 脉冲输出----------------------------------------------- 8

3.2保护电路的设计----------------------------------------------- 8

3.2.1 过电流保护--------------------------------------------- 8

3.2.3 过压保护---------------------------------------------- 10

4．元器件和电路参数计算-------------------------------------------- 11

4.1元件选取-----晶闸管（SCR）---------------------------------- 11

4.1.1 晶闸管的基本特性-------------------------------------- 11

4.1.2 晶闸管的主要参数-------------------------------------- 12

4.2晶闸管的选型------------------------------------------------ 14

4.3 整流变压器额定参数计算 ------------------------------------- 15

4.3.1一次与二次额定电流及容量计算 -------------------------- 15

4.4 设计结果分析 ----------------------------------------------- 15

5．系统调试与仿真-------------------------------------------------- 16 设计总结----------------------------------------------------------- 22 参考文献----------------------------------------------------------- 23 附录A 单相桥式整流电路元器件清单 ---------------------------------- 24

1．设计方案选择及论证

1.1 设计任务和要求

1.1.1 设计任务

本次设计的任务是设计一个单相桥式全控整流电路。确定设计总体方案，通过总体方案来设计各个单元电路，如触发电路、保护电路等；根据要求计算参数，包括触发角的选择，输出平均电压，输出平均电流，输出有功功率计算；输出波形分析，器件额定参数确定等；完成这些后，将各个单元电路衔接起来，并完成主电路的设计；然后再用MATLAB软件仿真调试。

1.1.2 设计要求

单相桥式全控整流电路的设计要求为：

（1）电网供电电压为单相220V；

（2）变压器二次侧电压为110V；

（3）输出电压连续可调，为0～100V；

（4）带阻感性负载：L=1000mH，R=100Ω；

1.2 总体方案的选择与确定

单相桥式带阻感负载整流电路可分为单相桥式带阻感负载相控整流电路和单相桥式带阻感负载半控整流电路，它们所连接的负载性质不同就会有不同的特点。下面分析两种单相桥式整流电路在带电感性负载的工作情况。

单相半控整流电路的优点是：线路简单、调整方便。弱点是：输出电压脉动大，负载电流脉冲大（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。

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，在相同的负载下流过晶闸管的平均电流减小一半；且功率因数提高了一半。

单相半波相控整流电路因其性能较差，实际中很少采用，在中小功率场合采用更多的是单相全控桥式整流电路。

根据以上的比较分析因此选择的方案为单相全控桥式整流电路（负载为阻感

1．设计方案选择及论证

1.1 设计任务和要求

1.1.1 设计任务

本次设计的任务是设计一个单相桥式全控整流电路。确定设计总体方案，通过总体方案来设计各个单元电路，如触发电路、保护电路等；根据要求计算参数，包括触发角的选择，输出平均电压，输出平均电流，输出有功功率计算；输出波形分析，器件额定参数确定等；完成这些后，将各个单元电路衔接起来，并完成主电路的设计；然后再用MATLAB软件仿真调试。

1.1.2 设计要求

单相桥式全控整流电路的设计要求为： （1）电网供电电压为单相220V； （2）变压器二次侧电压为110V； （3）输出电压连续可调，为0～100V； （4）带阻感性负载：L=1000mH，R=100Ω；

1.2 总体方案的选择与确定

单相桥式带阻感负载整流电路可分为单相桥式带阻感负载相控整流电路和单相桥式带阻感负载半控整流电路，它们所连接的负载性质不同就会有不同的特点。下面分析两种单相桥式整流电路在带电感性负载的工作情况。

单相半控整流电路的优点是：线路简单、调整方便。弱点是：输出电压脉动大，负载电流脉冲大（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。

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，在相同的负载下流过晶闸管的平均电流减小一半；且功率因数提高了一半。

单相半波相控整流电路因其性能较差，实际中很少采用，在中小功率场合采用更多的是单相全控桥式整流电路。

根据以上的比较分析因此选择的方案为单相全控桥式整流电路（负载为阻感

1

性负载）。

1.3 整流电路方案的确定

单相整流器的电路形式是各种各样的，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1.1 单相桥式半控整流电路图

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°或触发脉冲丢失时，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1.2 单相桥式全控整流电路电路图

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。

2

方案三：单相全波可控整流电路 电路简图如下：

图1.3 单相全波可控整流电路图

此电路变压器是带中心抽头的，结构比较复杂，但只用了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（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，单相全控式整流电路其输出平均电压是单相半波整流电路的2倍，平均电流减小一半；且功率因数提高了一半。 综上所述，设计采用方案二，即单相桥式全控整流电路。

2．系统总体设计

2.1系统原理方框图

系统原理方框图如2.1所示：整流电路主要由驱动电路、保护电路和整流主电路组成。根据设计任务，在此设计中采用单相桥式全控整流电路接电阻性负载。

图2.1 系统整体设计框图

3

2.2 主电路设计

2.2.1 工作原理

负载中电感量的大小不同，整流电路的工作情况及输出Ud、id 的波形具有不同的特点。当负载电感量L较小（即负载阻抗角φ），控制角α〉φ时，负载上的电流不连续；当电感L增大时，负载上的电流不连续的可能性就会减小；当电感L很大，且ωLd﹥﹥Rd时，这种负载称为大电感负载。此时大电感阻止负载中电流的变化，负载电流连续，可看作一条水平直线。

在电源电压U2正半周期间， 晶闸管T1 、T2 承受正向电压，若在ωt=α时触发，T1 、T2 导通，电流经T1 、负载、T2 和Tr二次形成回路，但由于大电感的存在，U2 过零变负时，电感上的感应电动势使T1 、T2 继续导通，直到T3、T4 被触发时，T1 、T2 承受反向电压而截止。输出电压的波形出现了负值部分。在电源电压U2 负半周期间，晶闸管T3、T4 承受正向电压，在ωt=α+π时触发，T3、T4 导通，T1 、T2 反向截止，负载电流从T1 、T2 中换流至T3、T4中。在ωt=2π时，电压U2过零，T3、T4因电感中的感应电动势一直导通，直到下个周期T1 、T2 导通时，T3、T4因加反向电压才截止，值得注意的是，只有当α〈=π/2时，负载电流才连续，当α〉π/2时，负载电流不连续，而且输出电压的平均值均接近于零，因此这种电路控制角的移相范围是0—π/2，图2.2为整体设计电路图。

图2.2 整体电路原理图

4

2.2.1 单相全控桥式整流电路

在生产实践中，除了电阻性负载外， 最常见的负载还有电感性负载， 如电动机的励磁绕组，整流电路中串入的滤波电抗器等。 为了便于分析和计算， 在电路图中将电阻和电感（图4.2单相桥式整流电路带阻感负载）分开表示。

当整流电路带阻感性负载时，整流工作的物理过程和电压、 电流波形（如图2.3）都与带电阻性负载时不同。因为电感对电流的变化有阻碍作用。

图 2.3 单相全控桥式整流电路阻感性负载及其波形

(a).电路；(b).电源电压；(c).触发脉冲；(d).输出电压；(e).输出电流； (f).晶闸管V1,V4上的电流；(g).晶闸管V2,V3上的电流；(h).变压器副边电流；(i).晶闸管V1,V4上的电压

当电流变化时，电感要产生感应电动势而阻碍其变化，所以，电路电流的变化总是滞后于电压的变化。

Ud



1



2U2sintd(t)

22



U2cos0.9U2cos

负载电流连续时，整流电压平均值可按上式计算：

输出电流波形因电感很大，平波效果很好而呈一条水平线。两组晶闸管轮流导电，一个周期中各导电180°，且与α无关，变压器二次绕组中电流i2的波形

5

是对称的正、负方波。负载电流的平均值Id和有效值I相等，其波形系数为1。在这种情况下： 当α=0°时，Ud=0.9U2；

当α=90°时，Ud=0，其移相范围为90°。

2U2流过每个晶闸管的电流平均值和有效值分别为

IdVIV

V1

IdIdId222V2

IdIdId222

3．驱动电路和保护电路的设计

3.1触发电路设计

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。触发电路对其产生的触发脉冲要求：

1）触发信号可为直流、交流或脉冲电压。

2）触发信号应有足够的功率（触发电压和触发电流）。

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

4）触发脉冲必须与晶闸管的阳极电压同步，脉冲移相范围必须满足电路要求。

3.1.1单结晶体管触发电路

由单结晶体管构成的触发电路具有简单、可靠、抗干扰能力强、温度补偿性能好，脉冲前沿徒等优点，在容量小的晶闸管装置中得到了广泛应用。他由自激震荡、同步电源、移相、脉冲形成等部分组成，电路图如3-1所示。

图3.1 单结晶体管触发电路及波形

3.1.2 单结晶体管自激震荡电路

利用单结晶体管的负阻特性与RC电路的充放电可组成自激振荡电路，产生频率可变的脉冲。从图3-1（a）可知，经D1-D2整流后的直流电源UZ一路通过R2、R1加在单结晶体管两个基极b1、b2之间，另一路通过Re对电容C充电，发射极电压Ue=Uc按指数规律上升。Uc刚冲点到大于峰点转折电压Up的瞬间，管子e-b1间的电阻突然变小，开始导通。电容C开始通过管子e-b1迅速向R1放电，由于放电回路电阻很小，故放电时间很短。随着电容C放电，电压Ue小于一定值时，管子BT又由导通转入截止，然后电源又重新对电容C充电，上述过程不断重复在电容上形成锯齿波震荡电压，在R1上得到一系列前沿很陡的触发尖脉冲Us， 如图3.1（b）所示，其震荡频率为

f=1/T=1/ReCLn(1/1-η)„„„„„„„„ 3.1

式中η=0.3～0.9是单结晶体管的分压比。即调节Re，可调节振荡频率

3.1.3 同步电源

同步电压由变压器TB获得，而同步变压器与主电路接至同一电源，故同步电压于主电压同相位、同频率。同步电压经桥式整流、稳压管DZ削波为梯形波

UDZ,而削波后的最大值UZ既是同步信号,又是触发电路电源.当UDZ过零时,电容C经e-b1、R1迅速放电到零电压。这就是说,每半周开始,电容C都从零开始充电,进而保证每周期触发电路送出第一个脉冲距离过零的时刻(即控制角α)一致,实现同步。

3.1.4 移相控制

当Re增大时，单结晶体管发射极充电到峰点电压Up的时间增大，第一个脉冲出现的时刻推迟，即控制角α增大，实现了移相。

3.1.5 脉冲输出

触发脉冲Ug由R1直接取出，这种方法简单、经济，但触发电路与主电路有直接的电联系，不安全。对于晶闸管串联接法的全控桥电路无法工作。所以一般采用脉冲变压器输出。

3.2保护电路的设计

电力电子系统在发生故障时可能会发生过流、过压，造成开关器件的永久性损坏。过流、过压保护包括器件保护和系统保护两个方面。检测开关器件的电流、电压，保护主电路中的开关器件，防止过流、过压损坏开关器件。检测系统电源输入、输出及负载的电流、电压，实时保护系统，防止系统崩溃而造成事故。例如，R-C阻容吸收回路、限流电感、快速熔断器、压敏电阻或硒堆等。再一种则是采用电子保护电路，检测设备的输出电压或输入电流，当输出电压或输入电流超过允许值时，借助整流触发控制系统使整流桥短时间内工作于有源逆变工作状态，从而抑制过电压或过电流的数值。

3.2.1 过电流保护

当电力电子变流装置内部某些器件被击穿或短路；驱动、触发电路或控制电路发生故障；外部出现负载过载；直流侧短路；可逆传动系统产生逆变失败；以及交流电源电压过高或过低；均能引起装置或其他元件的电流超过正常工作电流，即出现过电流。因此，必须对电力电子装置进行适当的过电流保护。

采用快速熔断器作过电流保护，熔断器是最简单的过电流保护元件，但最普通的熔断器由于熔断特性不合适，很可能在晶闸管烧坏后熔断器还没有熔断，快速熔断器有较好的快速熔断特性，一旦发生过电流可及时熔断起到保护作用。最

好的办法是晶闸管元件上直接串快速熔断器，因流过快速熔断器电流和晶闸管的电流相同，所以对元件的保护作用最好，这里就应用这一方法快熔抑制过电流电路图如下图所示：

图3.2 快速熔断器的接入方法

A型熔断器

特点：是熔断器与每一个元件串连，能可靠的保护每一个元件。 B型熔断器

特点：能在交流、直流和元件短路时起保护作用，其可靠性稍有降低 C型熔断器

特点：直流负载侧有故障时动作，元件内部短路时不能起保护作用对于第二类过流，即整流桥负载外电路发生短路而引起的过电流，则应当采用电子电路进行保护。常见的过电流保护原理图如下所示

图3.3 过流保护原理图

3.2.3 过压保护

设备在运行过程中，会受到由交流供电电网进入的操作过电压和雷击过电压的侵袭。同时，设备自身运行中以及非正常运行中也有过电压出现。

过电压保护的第一种方法是并接R-C阻容吸收回路，以及用压敏电阻或硒堆等非线性元件加以抑制。见下图3-4和下图3-5

图3.4 阻容三角抑制过电压 图3.5 压敏电阻过压

过电压保护的第二种方法是采用电子电路进行保护。常见的过电压保护原理图如下图所示：

图3.6 过电压保护电路图

4．元器件和电路参数计算

4.1元件选取-----晶闸管（SCR）

4.1.1 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Uak与阳极电流ia

之间的关系曲线，如图所示。

图4.1 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，门极伏安特性就是指这个PN结上正向门极电压Ug与门极电流Ig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，阴影区域如图4.2所示。

图4.2 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4.3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IT的10%所需的时间称为延迟时间td，而阳极电流从10%IT上升到90%IT所需的时间称为上升时间tr，延迟时间与上升时间之和为晶闸管的开通时间tgt=td+tr，普通晶闸管的延迟时间为0.5～1.5μs，上升时间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4.3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IRM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。

4.1.2 晶闸管的主要参数

要正确使用一个晶闸管，除了了解晶闸管的静态、动态特性外，还必须定量地掌握晶闸管的一些主要参数。现对经常使用的几个晶闸管的参数作一介绍。

1．电压参数

（1） 断态重复峰值电压UDRM

门极开路，元件额定结温时，从晶闸管阳极伏安特性正向阻断高阻区漏电流急剧增长的拐弯处所决定的电压称断态不重复峰值电压UDSM，“不重复”表明这个电压不可长期重复施加。取断态不重复峰值电压的90％定义为断态重复峰值电压UDRM，“重复”表示这个电压可以每秒50次，每次持续时间不大于10ms的重复方式施加于元件上。 （2） 反向重复峰值电压URRM

门极开路，元件额定结温时，从晶闸管阳极伏安特性反向阻断高阻区反向漏电流急剧增长的拐弯处所决定的的电压称为反向不重复峰值电压URSM，这个电压是不能长期重复施加的。取反向不重复峰值电压的90％定义为反向重复峰值电压URRM，这个电压允许重复施加。 （3） 晶闸管的额定电压UR

取UDRM和URRM中较小的一个，并整化至等于或小于该值的规定电压等级上。电压等级不是任意决定的，额定电压在1000Ｖ以下是每100Ｖ一个电压等级，1000Ｖ至3000Ｖ则是每200Ｖ一个电压等级。

由于晶闸管工作中可能会遭受到一些意想不到的瞬时过电压，为了确保管子安全运行，在选用晶闸管时应使其额定电压为正常工作电压峰值UM的2~3倍，以作安全余量。

UR =（2～3）UM „„„„„„„„„„„„ 4.1 （4） 通态平均电压UT（AV）

指在晶闸管通过单相工频正弦半波电流，额定结温、额定平均电流下，晶闸管阳极与阴极间电压的平均值，也称之为管压降。在晶闸管型号中，常按通态平均电压的数值进行分组，以大写英文字母A～I表示。通态平均电压影响元件的损耗与发热，应该选用管压降小的元件来使用。 2．电流参数

（1） 通态平均电流IT（AV）

在环境温度为＋40℃、规定的冷却条件下，晶闸管元件在电阻性负载的单相、工频、正弦半波、导通角不小于170°的电路中，当结温稳定在额定值125℃时所允许的通态时的最大平均电流称为额定通态平均电流IT（AV）。选用晶闸管时应根据有效电流相等的原则来确定晶闸管的额定电流。由于晶闸管的过载能力小，为保证安全可靠工作，所选用晶闸管的额定电流IT（AV）应使其对应有效值电流为实际流过电流有效值的1.5～2倍。按晶闸管额定电流的定义，一个额定电流为100A的晶闸管，其允许通过的电流有效值为157A。晶闸管额定电流的选择可按

下式计算。

11

Isintd(t)Im„„„„„4.2 TIm02

（2 维持电流IH

维持电流是指晶闸管维持导通所必需的最小电流，一般为几十到几百毫安。维持电流与结温有关，结温越高，维持电流越小，晶闸管越难关断。

（3） 掣住电流IL

晶闸管刚从阻断状态转变为导通状态并撤除门极触发信号，此时要维持元件导通所需的最小阳极电流称为掣住电流。一般掣住电流比维持电流大（2～4）倍。 3．晶闸管的型号

普通型晶闸管型号可表示如下

KP[电流等级]—[电压等级/100][通态平均电压组别]

其中其中K代表闸流特性，P为普通型。如KP500—15型号的晶闸管表示其通态平均电流（额定电流）IT（AV）为500A，正反向重复峰值电压（额定电压）UR为1500V，通态平均电压组别以英文字母标出，小容量的元件可不标。

4.2晶闸管的选型

该电路为大电感负载，电流波形可看作连续且平直的。

Ud=100V时，不计控制角余量按=0º计算 由Ud=0.9U2得 UdU2==111V 取150V

0.9

Ute =（2～3）Ut

=（2～3）6U2 =（2～3）6150V =735～1102 V 取Ute为1000V 当Id=1时，

晶闸管额定电流t(AV)=

Id1

==0.64A 1.57157

考虑2倍裕量：d(AV)取1.28A

4.3 整流变压器额定参数计算

在很多情况下晶闸管整流装置所要求的交流供电电压与电网往往不能一致，同时又为了减少电网与整流装置的相互干扰，使整流主电路与电网隔离，为此需要配置整流变压器。整流变压器根据主电路的型式、负载额定电压和额定电流，算出整流变压器二次相电压U2、一次与二次额定电流以及容量。

由于整流变压器二次与一次电流都不是正弦波，因而存在着一定的谐波电流，引起漏抗增大，外特性变软以及损耗增大，所以在设计或选用整流变压器时，应考虑这些因素。

4.3.1一次与二次额定电流及容量计算

如果不计变压器的励磁电流，根据变压器磁动势平衡原理可得一次和二次电流关系式为：

I1N1=I2N2

1U1

K==

2U2

式中N1、N2——变压器一次和二次绕组的匝数； K——变压器的匝数比。

由于整流变压器流过的电流通常都是非正弦波，所以其电流、容量计算与线路型式有关。单相桥式可控整流电路计算如下：

大电感负载时变压器二次电流的有效值为

I2=Id=I=1A

U2=220V

U11220

由一次侧和二次侧电压得：===2

U22110

12= =0.5 故I1=0.5A 21

变压器二次侧容量为

S2=U22=110V1A=110KVA

4.4 设计结果分析

该电路为大电感负载，电流波形可看作连续且平直的。 （1）输出电压平均值Ud和输出电流平均值Id

122U2

cos0.9U2cosUd2U2sintdt

ππ0.9110cos6049.5V

IdUd49.51000.495AR

（2）晶闸管的电流平均值IdvT和有效值IvT

1 IvTId0.35A2 1IId0.2475AdvT 2

（3）输出电流有效值I和变压器二次电流有效值I2

II2Id0.495A（4）晶闸管所承受的最大正向电压,反向电压和晶闸管的额定电压 UD2U2155.54V

UN(2~3)*155.54V311V~467V

5．系统调试与仿真

打开新建模型窗口，将所需元件模块从模块库中拖入新建模型窗口并改名，设定有关参数后将各模块库连接组成仿真模型，如下图5-1所示，设置好各模块参数，点击下拉菜单仿真（SimUlation）按钮，仿真参数(SimUlation Parameters)命令设定有关仿真参数，仿真算法选择可变步长(Variable-step)积分算法函数，L=1000mH,R=100Ω，其他参数用默认值。然后点击启动仿真按钮，则开始仿真，双击显示模块（scope）就能显示其波形

图5.1 单相桥式全控整流系统模型图

图5.2 触发角为0°时的仿真波形

а=0°时，阻感负载仿真结果如图5.2所示

参数设置如下：

PlaUse generator1

AmplitUde=1 Period(secs)=0.02 PUlse Width(℅ of period)=5 Phase delay(secs)=0

PlaUse generator2

AmplitUde=1 Period(secs)=0.02 PUlse Width(℅ of period)=5 Phase delay(secs)=0.01

图5.3 触发角为30°时的仿真波形

а=30°时，阻感负载仿真结果如图5.3所示

参数设置如下：

PlaUse generator1

AmplitUde=1 Period(secs)=0.02 PUlse Width(℅ of period)=5 Phase delay(secs)=0.02/12

PlaUse generator2

AmplitUde=1 Period(secs)=0.02 PUlse Width(℅ of period)=5 Phase delay(secs)= 0.02/12+0.01

图5.4触发角为60°时的波形

а=60°时，阻感负载仿真结果如图5.4所示

参数设置如下：

PlaUse generator1

AmplitUde=1 Period(secs)=0.02 PUlse Width(℅ of period)=5 Phase delay(secs)=0.02/6

PlaUse generator2

AmplitUde=1 Period(secs)=0.02 PUlse Width(℅ of period)=5 Phase delay(secs)= 0.02/6+0.01

图5.5触发角为90°时的波形

а=90°时，阻感负载仿真结果如图5.5所示 参数设置如下： PlaUse generator1

AmplitUde=1 Period(secs)=0.02 PUlse Width(℅ of period)=5 Phase delay(secs)=0.02/4 PlaUse generator2

AmplitUde=1 Period(secs)=0.02 PUlse Width(℅ of period)=5 Phase delay(secs)= 0.02/4+0.01

设计总结

通过单相全控桥式整流电路的设计，巩固了我在课堂上学到的知识，也锻炼我的实践能力，也让我明白了仅仅通过课堂上学到的知识是远远不够的，自己还要善于查找各种资料，不断去完善自己的知识体系。

整流电路的设计方法多种多样，且根据负载的不同，又可以设计出很多不同的电路。其中单相全控桥式整流电路其负载我们用的多的主要是电阻型、带大电感型，接反电动势型。它们各自有自己的优点。因此，要想设计出性能好的电路，首先应该对它的理论知识有个全方面的了解，才能选择出合适的电路。整流电路中，开关器件的选择和触发电路的选择是最关键的，开关器件和触发电路选择的好，对整流电路的性能指标影响很大。

在这次课程设计过程中，碰到的难题就是保护电路的设计。因为保护电路的种类较多，因此要选择一个适合本课题的保护电路就比较难。为了找到一个合适的保护电路，我在图书馆查了很多资料，后来经过老师的指导，还有同学的帮助，最终设计了一个较好的保护电路。

课程设计能够顺利的完成，离不开老师和同学的热心帮助，在这表示深深的感谢。

参考文献

1.1 王兆安，刘进军，电力电子技术，机械工业出版社，2009.5 1.2 程汉湘，电力电子技术，科学出版社，2007

1.3 赵良炳，现代电力电子技术基础，清华大学出版社，1995

1.4 石玉，电力电子技术题例与电路设计指导，机械工业出版社，2000 1.5 李序葆、赵永健编，电力电子器件及其应用，机械工业出版社，1996

附录A 单相桥式整流电路元器件清单

元器件 整流变压器 晶闸管 电阻 电感 电位器 二极管 同步变压器 芯片 熔断器 电容 脉冲变压器

备注 变比2:1 KP20-4 100Ω 1000mh SW-SPDT

TCA785 熔断电流为15A

数量 1个 4个 若干 1个 2个 14个 1个 1块 4个 若干 2个