电力电子技术
课程设计说明书
单相半波可控整流电路设计
学生姓名：学号：
学生姓名：学号：
学 院： 计算机与控制工程学院
专 业： 电气工程及其自动化
指导教师：
2016年 月
中北大学
课程设计任务书
学年第学期
学 院：
专 业：
学 生 姓 名：
学生姓名
课程设计题目：
起 迄 日 期:
课程设计地点:
指 导 教 师: 学科部副主任： 计算机与控制工程学院 电气工程及其自动化 学 号： 学号： 单相半波可控整流电路设计 2015年12月27日 ~ 2016年1月 8日 德怀楼八层虚拟仿真实验室
下达任务书日期: 2015 年 12月 26日
课 程 设 计 任 务 书
课 程 设 计 任 务 书
目录
1.绪论...................................................1
2. 2.单相半波可控整流电路设计...............................2
2.1课程设计任务及要求....................................2
2.2 电路原理图 .......................................3
2.3单相半波可控整流电路的计算公式......................4
2.4带阻感负载时的工作情况...............................5
3. MATLAB仿真...........................................5
3.1 MATLAB仿真图 ....................................5
3.1.1主电路仿真图...................................5
3.1.2触发电路仿真图...................................6
3.2 元器件参数设置.......................................6
3.2.1设置MOSFET参数.................................7
3.2.2设置电阻负载参数..................................7
3.2.3设置电源参数.......................................8
3.2.4设置脉冲参数.......................................8
3.3 仿真结果展示.........................................9
4. 结论..................................................11
参考文献.................................................12
附录....................................................12
1.绪论
电力电子技术是建立在电子学、电工原理和自动控制三大学科上的新兴学科。因它本身是大功率的电技术，又大多是为应用强电的工业服务的，故常将它归属于电工类。电力电子技术的内容主要包括电力电子器件、电力电子电路和电力电子装置及其系统。电力电子器件以半导体为基本材料，最常用的材料为单晶硅;它的理论基础为半导体物理学;它的工艺技术为半导体器件工艺。近代新型电力电子器件中大量应用了微电子学的技术。电力电子电路吸收了电子学的理论基础，根据器件的特点和电能转换的要求，又开发出许多电能转换电路。这些电路中还包括各种控制、触发、保护、显示、信息处理、继电接触等二次回路及外围电路。利用这些电路，根据应用对象的不同，组成了各种用途的整机，称为电力电子装置。这些装置常与负载、配套设备等组成一个系统。电子学、电工学、自动控制、信号检测处理等技术常在这些装置及其系统中大量应用。
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。它包括了晶闸管的结构和分类、晶闸管的过电压和过电流保护方法、可控整流电路、晶闸管有源逆变电路、晶闸管无源逆变电路、PWM控制技术、交流调压、直流斩波以及变频电路的工作原理。 在电力电子技术中，可控整流电路是非常重要的内容，整流电路是将交流电变为直流电的电路，其应用非常广泛。工业中大量应用的各种直流电动机的调速均采用电力电子装置；电气化铁道（电气机车、磁悬浮列车等）、电动汽车、飞机、船舶、电梯等交通运输工具中也广泛采用整流电力电子技术；各种电子装置如通信设备中的程控交换机所用的直流电源、微型计算机内部的电源都可以利用整流电路构成的直流电源供电，可以说有电源的地方就有电力电子技术的设备。
2. 单相半波可控整流电路设计
单相半波可控电路总体设计框图如图所示
2.1课程设计任务及要求 图1电路设计流程图
1) 设计的电路为单相半波可控整流电路，负载为电阻负载。
2) 已知参数：直流负载电阻R5V，单相交流电压U100cos100t(V)。
3) 绘制电路原理图。首先，分别分析并计算电阻两端平均电压UL25V和UL30V，功率管相对应的触发角。其次，按照原理图，在仿真软件中建立仿真模型， 验证计算结果，结果应包含电阻两端平均电压UL25V和UL30V时的电路工作的波形图。并对仿真结果进行必要的文字分析
4) 根据设计题目要求的指标，通过查阅有关资料分析其工作原理，确定器件类型，可供选择的变流器件为晶闸管、MOSFET和IGBT，设计电路原理图；
5) 画出电路方框图，完成电路各部分的指标分配，计算各单元电路的参数和确定各元件的参数值，叙述主要元器件的功能及他们之间的控制关系和数据传输。
6) 用Visio绘图软件绘制电路原理图
7) 利用Matlab仿真软件对电路图进行仿真分析
2.2电路原理图及波形
图2.电路原理图
wt
wt
图3.单向半波可控整流电路电阻负载波形图
实验电路如图2所示。通过查阅有关资料分析其工作原理，确定器件变流
器件为Mosfet。主电路原理说明： T为变压器，Uvt是变流器MOSFET 两端电压，U2为变压器副端电压，R为阻性负载，Ud为负载两段电压。Id为流过负载的电流，Ug为触发电压。
根据MOSFET导通的两个条件（MOSFET的阳-阴极之间加正向电压；门极
加正向电压，流入足够的门极电流）可以判断：在电源电压U2的正半周，U2>0，MOSFET承受正向电压，可以被触发导通，但在给MOSFET门极施加触发信号之前，MOSFET处于正向阻断状态，电流Id=0,输出电压Ud=0，电源电压全部加在MOSFET上，即Uvt=U2。 设在wt时刻向MOSFET送出触发脉冲，MOSFET被触发导通，若忽略MOSFET的导通压降，则输出电压与电源电压相等，即ud=u2，电流Id=ud/Rd。 当wt
2时，电源电压u2=0，使得流过MOSFET的
电流降到维持电流以下而关断，此时电流Id=0，ud=0. 在电源电压u2的负半周，u2
2.3单相半波可控整流电路的计算公式：
根据设计要求可知电源电压为余弦函数，有效值U2T0.02s，触发角，
2
2
2sin(1sin) （2—1） 2
输出电压平均值：Ud
负载电阻值：R5
1.当Ud25V时，有公式可求出触发角34.75
电流平均值IdUd=5A R
2.当Ud30V时，有公式可求出触发角65.25
电流平均值IdUd=6A R
2.4 带电阻负载时的工作情况
(1)在电源电压正半波（
2~
2区间），MOSFET承受正向电压，脉冲Ug在wt
处触发MOSFET，MOSFET开始导通，形成负载电流id,负载上有输出电压和电流。
（2）在wt
2时刻，U2=0，电源电压自然过零，MOSFET电流小于维持电流而
关断，负载电流为零。
（3）在电源电压负半波（
2~3区间），MOSFET承受反向电压而处于关断状态，2
负载上没有输出电压，负载电流为零。
(4)直到电源电压u2的下一周期的正半波，脉冲Ug在wt2处又触发
MOSFET，MOSFET再次被触发导通，输出电压和电流又加在负载上，如此不断重复。
3. MATLAB仿真
3.1 MATLAB仿真图
3.1.1主电路仿真图
图4.主电路仿真图
3.1.2触发脉冲仿真电路
图5触发电路仿真图
3.2 元器件参数设置
3.2.1设置MOSFET参数
图6.MOSFET参数设置图
3.2.2设置电阻负载参数
图7.电阻负载参数设置图
3.2.3设置电源参数
图8.电源参数设置图
3.2.4 设置时的脉冲参数
当Ud=25V时，触发参数如图
图9.触发脉冲参数设置图
当Ud=30V时，触发参数如图
图10.触发脉冲参数设置图
3.3仿真结果展示
当Ud=25V时
图11.仿真结果图
当Ud=30V时
图12.仿真结果图
仿真结果分析
示波器第一个波形是电源电压，第二个波形是脉冲波形，第三个波形是负载两端电压，第四个波形是电流波形，第五个是MOSFET两端电压。当电源电压U2〈0，MOSFET不导通，MOSFET两端受电源电压；当电源电压U2〉0且没有触发电流时，MOSFET同样不导通承受电源电压；当电源电压U2〉0而且有触发电流 时，MOSFET导通，电阻负载承受电源电压，每个周期内重复上述情况。
4. 结论及体会
结合以上波形图，我们可以分析出单相半波可控整流电路具有以下的特点：
1、阻性负载时Ud和Id波形相同；
2、MOSFET在触发时换流；
3、在一个周期内，Ud只有一个波形；
这次课程设计让我明白了很多关于电力电子技术方面的知识，尤其是在
课本中没有完全介绍的。要完成这次课程设计，关靠书本知识是远远不够的，
所以我查阅了很多关于电力电子的书籍，并且也通过网络查到了很多相关的
知识，为这次课程设计做了很多帮助。对于课程设计的内容，首先要做的应
是对设计内容的理论理解，在理论充分理解的基础上，才能做好课程设计，
才能设计出性能良好的电路。整流电路中，基本元件的选择是最关键的，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。设计过程中，
我明白了整流电路，尤其是单相半波可控整流电路的重要性以及整流电路设
计方法的多样性。
通过这次课程设计，我对文档的编排也有了一定的掌握，这对于以后的
毕业设计及工作需要都有很大的帮助，在完成课程设计的同时我也在复习一
遍电力电子这门课程，把以前一些没弄懂的问题这次弄明白了一部分，当然
没有全部。整个课程设计过程中，由于理论知识的缺乏，以及对课程设计的
不熟悉，课程设计还有很多不足之处，在以后的课程设计中，希望能有所改
善。
参 考 文 献
[1] 王兆安.电力电子技术.机械工业出版社.2008
[2] 刘志刚.电力电子学.清华大学出版社.2009
[3] 石 玉.电力电子技术例题与电路设计指导.机械工业出版社.2003
[4] 张兴，张崇巍.PWM整流器及其控制[M].北京：机械工业出版社，2012
附录
在本次课设中负责仿真电路的连接，负责后期word的制作。
电力电子技术
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单相半波可控整流电路设计
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学生姓名：学号：
学 院： 计算机与控制工程学院
专 业： 电气工程及其自动化
指导教师：
2016年 月
中北大学
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学年第学期
学 院：
专 业：
学 生 姓 名：
学生姓名
课程设计题目：
起 迄 日 期:
课程设计地点:
指 导 教 师: 学科部副主任： 计算机与控制工程学院 电气工程及其自动化 学 号： 学号： 单相半波可控整流电路设计 2015年12月27日 ~ 2016年1月 8日 德怀楼八层虚拟仿真实验室
下达任务书日期: 2015 年 12月 26日
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课 程 设 计 任 务 书
目录
1.绪论...................................................1
2. 2.单相半波可控整流电路设计...............................2
2.1课程设计任务及要求....................................2
2.2 电路原理图 .......................................3
2.3单相半波可控整流电路的计算公式......................4
2.4带阻感负载时的工作情况...............................5
3. MATLAB仿真...........................................5
3.1 MATLAB仿真图 ....................................5
3.1.1主电路仿真图...................................5
3.1.2触发电路仿真图...................................6
3.2 元器件参数设置.......................................6
3.2.1设置MOSFET参数.................................7
3.2.2设置电阻负载参数..................................7
3.2.3设置电源参数.......................................8
3.2.4设置脉冲参数.......................................8
3.3 仿真结果展示.........................................9
4. 结论..................................................11
参考文献.................................................12
附录....................................................12
1.绪论
电力电子技术是建立在电子学、电工原理和自动控制三大学科上的新兴学科。因它本身是大功率的电技术，又大多是为应用强电的工业服务的，故常将它归属于电工类。电力电子技术的内容主要包括电力电子器件、电力电子电路和电力电子装置及其系统。电力电子器件以半导体为基本材料，最常用的材料为单晶硅;它的理论基础为半导体物理学;它的工艺技术为半导体器件工艺。近代新型电力电子器件中大量应用了微电子学的技术。电力电子电路吸收了电子学的理论基础，根据器件的特点和电能转换的要求，又开发出许多电能转换电路。这些电路中还包括各种控制、触发、保护、显示、信息处理、继电接触等二次回路及外围电路。利用这些电路，根据应用对象的不同，组成了各种用途的整机，称为电力电子装置。这些装置常与负载、配套设备等组成一个系统。电子学、电工学、自动控制、信号检测处理等技术常在这些装置及其系统中大量应用。
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。它包括了晶闸管的结构和分类、晶闸管的过电压和过电流保护方法、可控整流电路、晶闸管有源逆变电路、晶闸管无源逆变电路、PWM控制技术、交流调压、直流斩波以及变频电路的工作原理。 在电力电子技术中，可控整流电路是非常重要的内容，整流电路是将交流电变为直流电的电路，其应用非常广泛。工业中大量应用的各种直流电动机的调速均采用电力电子装置；电气化铁道（电气机车、磁悬浮列车等）、电动汽车、飞机、船舶、电梯等交通运输工具中也广泛采用整流电力电子技术；各种电子装置如通信设备中的程控交换机所用的直流电源、微型计算机内部的电源都可以利用整流电路构成的直流电源供电，可以说有电源的地方就有电力电子技术的设备。
2. 单相半波可控整流电路设计
单相半波可控电路总体设计框图如图所示
2.1课程设计任务及要求 图1电路设计流程图
1) 设计的电路为单相半波可控整流电路，负载为电阻负载。
2) 已知参数：直流负载电阻R5V，单相交流电压U100cos100t(V)。
3) 绘制电路原理图。首先，分别分析并计算电阻两端平均电压UL25V和UL30V，功率管相对应的触发角。其次，按照原理图，在仿真软件中建立仿真模型， 验证计算结果，结果应包含电阻两端平均电压UL25V和UL30V时的电路工作的波形图。并对仿真结果进行必要的文字分析
4) 根据设计题目要求的指标，通过查阅有关资料分析其工作原理，确定器件类型，可供选择的变流器件为晶闸管、MOSFET和IGBT，设计电路原理图；
5) 画出电路方框图，完成电路各部分的指标分配，计算各单元电路的参数和确定各元件的参数值，叙述主要元器件的功能及他们之间的控制关系和数据传输。
6) 用Visio绘图软件绘制电路原理图
7) 利用Matlab仿真软件对电路图进行仿真分析
2.2电路原理图及波形
图2.电路原理图
wt
wt
图3.单向半波可控整流电路电阻负载波形图
实验电路如图2所示。通过查阅有关资料分析其工作原理，确定器件变流
器件为Mosfet。主电路原理说明： T为变压器，Uvt是变流器MOSFET 两端电压，U2为变压器副端电压，R为阻性负载，Ud为负载两段电压。Id为流过负载的电流，Ug为触发电压。
根据MOSFET导通的两个条件（MOSFET的阳-阴极之间加正向电压；门极
加正向电压，流入足够的门极电流）可以判断：在电源电压U2的正半周，U2>0，MOSFET承受正向电压，可以被触发导通，但在给MOSFET门极施加触发信号之前，MOSFET处于正向阻断状态，电流Id=0,输出电压Ud=0，电源电压全部加在MOSFET上，即Uvt=U2。 设在wt时刻向MOSFET送出触发脉冲，MOSFET被触发导通，若忽略MOSFET的导通压降，则输出电压与电源电压相等，即ud=u2，电流Id=ud/Rd。 当wt
2时，电源电压u2=0，使得流过MOSFET的
电流降到维持电流以下而关断，此时电流Id=0，ud=0. 在电源电压u2的负半周，u2
2.3单相半波可控整流电路的计算公式：
根据设计要求可知电源电压为余弦函数，有效值U2T0.02s，触发角，
2
2
2sin(1sin) （2—1） 2
输出电压平均值：Ud
负载电阻值：R5
1.当Ud25V时，有公式可求出触发角34.75
电流平均值IdUd=5A R
2.当Ud30V时，有公式可求出触发角65.25
电流平均值IdUd=6A R
2.4 带电阻负载时的工作情况
(1)在电源电压正半波（
2~
2区间），MOSFET承受正向电压，脉冲Ug在wt
处触发MOSFET，MOSFET开始导通，形成负载电流id,负载上有输出电压和电流。
（2）在wt
2时刻，U2=0，电源电压自然过零，MOSFET电流小于维持电流而
关断，负载电流为零。
（3）在电源电压负半波（
2~3区间），MOSFET承受反向电压而处于关断状态，2
负载上没有输出电压，负载电流为零。
(4)直到电源电压u2的下一周期的正半波，脉冲Ug在wt2处又触发
MOSFET，MOSFET再次被触发导通，输出电压和电流又加在负载上，如此不断重复。
3. MATLAB仿真
3.1 MATLAB仿真图
3.1.1主电路仿真图
图4.主电路仿真图
3.1.2触发脉冲仿真电路
图5触发电路仿真图
3.2 元器件参数设置
3.2.1设置MOSFET参数
图6.MOSFET参数设置图
3.2.2设置电阻负载参数
图7.电阻负载参数设置图
3.2.3设置电源参数
图8.电源参数设置图
3.2.4 设置时的脉冲参数
当Ud=25V时，触发参数如图
图9.触发脉冲参数设置图
当Ud=30V时，触发参数如图
图10.触发脉冲参数设置图
3.3仿真结果展示
当Ud=25V时
图11.仿真结果图
当Ud=30V时
图12.仿真结果图
仿真结果分析
示波器第一个波形是电源电压，第二个波形是脉冲波形，第三个波形是负载两端电压，第四个波形是电流波形，第五个是MOSFET两端电压。当电源电压U2〈0，MOSFET不导通，MOSFET两端受电源电压；当电源电压U2〉0且没有触发电流时，MOSFET同样不导通承受电源电压；当电源电压U2〉0而且有触发电流 时，MOSFET导通，电阻负载承受电源电压，每个周期内重复上述情况。
4. 结论及体会
结合以上波形图，我们可以分析出单相半波可控整流电路具有以下的特点：
1、阻性负载时Ud和Id波形相同；
2、MOSFET在触发时换流；
3、在一个周期内，Ud只有一个波形；
这次课程设计让我明白了很多关于电力电子技术方面的知识，尤其是在
课本中没有完全介绍的。要完成这次课程设计，关靠书本知识是远远不够的，
所以我查阅了很多关于电力电子的书籍，并且也通过网络查到了很多相关的
知识，为这次课程设计做了很多帮助。对于课程设计的内容，首先要做的应
是对设计内容的理论理解，在理论充分理解的基础上，才能做好课程设计，
才能设计出性能良好的电路。整流电路中，基本元件的选择是最关键的，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。设计过程中，
我明白了整流电路，尤其是单相半波可控整流电路的重要性以及整流电路设
计方法的多样性。
通过这次课程设计，我对文档的编排也有了一定的掌握，这对于以后的
毕业设计及工作需要都有很大的帮助，在完成课程设计的同时我也在复习一
遍电力电子这门课程，把以前一些没弄懂的问题这次弄明白了一部分，当然
没有全部。整个课程设计过程中，由于理论知识的缺乏，以及对课程设计的
不熟悉，课程设计还有很多不足之处，在以后的课程设计中，希望能有所改
善。
参 考 文 献
[1] 王兆安.电力电子技术.机械工业出版社.2008
[2] 刘志刚.电力电子学.清华大学出版社.2009
[3] 石 玉.电力电子技术例题与电路设计指导.机械工业出版社.2003
[4] 张兴，张崇巍.PWM整流器及其控制[M].北京：机械工业出版社，2012
附录
在本次课设中负责仿真电路的连接，负责后期word的制作。