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1、单相桥式全控整流电路的设计摘 要电力电子学主要研究各种电力电子器件，以及由这些电力电子器件所构成的各式各样的电路或装置，以完成对电能的变换和控制。它既是电子学在强电(高电压、大电流)或电工领域的一个分支，又是电工学在弱电(低电压、小电流)或电子领域的一个分支，或者说是强弱电相结合的新科学。电力电子学是横跨“电子”、“电力”和“控制”三个领域的一个新兴工程技术学科。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。在电
2、能的生产和传输上，目前是以交流电为主。电力网供给用户的是交流电，而在许多场合，例如电解、蓄电池的充电、直流电动机等，需要用直流电。要得到直流电，除了直流发电机外，最普遍应用的是利用各种半导体元件产生直流电。这个方法中，整流是最基础的一步。整流，即利用具有单向导电特性的器件，把方向和大小交变的电流变换为直流电。整流的基础是整流电路。由于电力电子技术是将电子技术和控制技术引入传统的电力技术领域，利用半导体电力开关器件组成各种电力变换电路实现电能和变换和控制，而构成的一门完整的学科。整流电路应用非常广泛，而单相全控桥式晶闸管整流电路又有利于夯实基础，故我们将单结晶体管触发的单相晶闸管全控整流电路这一
3、课题作为这一课程的课程设计的课题。关键词：单相，桥式，全控目 录摘 要11. 工作原理11.1 IGBT的简介11.1.1 IGBT的概述11.1.2 IGBT的基本特性11.1.3 IGBT的参数特点21.2 单相桥式全控整流电路的基本原理31.2.1 电路组成31.2.2 工作原理32. 电路总体设计52.1 总电路图52.2 确定各器件参数52.2.1 参数关系52.2.2 参数的计算62.3 晶闸管的选择73. 触发电路的设计84. 工作过程及参数设定94.1工作过程94.2 参数设定和仿真图94.2.1 触发角为94.2.2 触发角为115. 心得体会12参 考 文 献13单相桥式全
4、控整流电路的设计11. 工作原理1.1 IGBT的简介1.1.1 IGBT的概述IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，绝缘栅双极型功率管，是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式电力电子器件, 兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。GTR饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大;MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。IGBT综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。非常适合应用于直流电压为600V及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传
5、动等领域.正式商用的IGBT器件的电压和电流容量还很有限，远远不能满足电力电子应用技术发展的需求；高压领域的许多应用中，要求器件的电压等级达到10KV以上，目前只能通过IGBT高压串联等技术来实现高压应用。国外的一些厂家如瑞士ABB公司采用软穿通原则研制出了8KV的IGBT器件，德国的EUPEC生产的6500V/600A高压大功率IGBT器件已经获得实际应用，日本东芝也已涉足该领域。与此同时，各大半导体生产厂商不断开发IGBT的高耐压、大电流、高速、低饱和压降、高可靠性、低成本技术，主要采用1m以下制作工艺，研制开发取得一些新进展。图1-1 IGBT等效电路和电气图形符号1.1.2 IGBT的
6、基本特性IGBT的基本特性分为动态特性和静态特性。单相桥式全控整流电路的设计3IGBT 的静态特性主要有伏安特性、转移特性和开关特性。 IGBT 的伏安特性是指以栅源电压为参变量时，漏极电流与栅极电压之间的关系曲线。输出漏极电流比受栅源电压 的控制，越高，Id 越大。它与GTR 的输出特性相似也可分为饱和区1 、放大区2 和击穿特性3 部分。在截止状态下的IGBT ，正向电压由J2 结承担，反向电压由J1结承担。如果无N+ 缓冲区，则正反向阻断电压可以做到同样水平，加入N+缓冲区后，反向关断电压只能达到几十伏水平，因此限制了IGBT 的某些应用范围。 IGBT 的转移特性是指输出漏极电流Id
7、与栅源电压之间的关系曲线。它与MOSFET 的转移特性相同，当栅源电压小于开启电压时，IGBT 处于关断状态。在IGBT 导通后的大部分漏极电流范围内， Id 与呈线性关系。最高栅源电压受最大漏极电流限制，其最佳值一般取为15V左右。 IGBT 的开关特性是指漏极电流与漏源电压之间的关系。IGBT 处于导通态时，由于它的PNP 晶体管为宽基区晶体管，所以其值极低。尽管等效电路为达林顿结构，但流过MOSFET 的电流成为IGBT 总电流的主要部分。IGBT动态特性在开通过程中，大部分时间是作为MOSFET 来运行的，只是在漏源电压下降过程后期，PNP晶体管由放大区至饱和，又增加了一段延迟时间。t
8、(on)为开通延迟时间，为电流上升时间。实际应用中常给出的漏极电流开通时间t(on)即为t(on)之和。漏源电压的下降时间由tfe1 和tfe2 组成。 IGBT的触发和关断要求给其栅极和基极之间加上正向电压和负向电压，栅极电压可由不同的驱动电路产生。当选择这些驱动电路时，必须基于以下的参数来进行：器件关断偏置的要求、栅极电荷的要求、耐固性要求和电源的情况。因为IGBT栅极- 发射极阻抗大，故可使用MOSFET驱动技术进行触发，不过由于IGBT的输入电容较MOSFET为大，故IGBT的关断偏压应该比许多MOSFET驱动电路提供的偏压更高。 IGBT在关断过程中，漏极电流的波形变为两段。因为MO
9、SFET关断后，PNP晶体管的存储电荷难以迅速消除，造成漏极电流较长的尾部时间，td(off)为关断延迟时间,为电压的上升时间。IGBT的开关速度低于MOSFET，但明显高于GTR。IGBT在关断时不需要负栅压来减少关断时间，但关断时间随栅极和发射极并联电阻的增加而增加。IGBT的开启电压约34V，和MOSFET相当。IGBT导通时的饱和压降比MOSFET低而和GTR接近，饱和压降随栅极电压的增加而降低。1.1.3 IGBT的参数特点（1）开关速度高，开关损耗小。在电压1000V以上时，开关损耗只有GTR的1/10，与电力MOSFET相当 。（2）相同电压和电流定额时，安全工作区比GTR大，且
10、具有耐脉冲电流冲击能力 。单相桥式全控整流电路的设计15（3）通态压降比VDMOSFET低，特别是在电流较大的区域。（4）输入阻抗高，输入特性与MOSFET类似 。（5）与MOSFET和GTR相比，耐压和通流能力还可以进一步提高，同时保持开关频率高的特点。1.2 单相桥式全控整流电路的基本原理1.2.1 电路组成该电路为单相桥式全控整流电路，由变压器四个晶闸管电感及电阻组成，如图1-2所示。图1-2 单相桥式全控整流电路图带阻感负载1.2.2 工作原理第一阶段：在U2正半波的（0）区间： 晶闸管VT1、VT4承受正压，但无触发脉冲，处于关断状态。假设电路已工作在稳定状态，则在0区间由于电感释放
11、能量，晶闸管VT2、VT3维持导通。第二阶段：在U2正半波的时刻及以后：在处触发晶闸管VT1、VT4使其导通，电流沿aVT1LRVT4bTr的二次绕组a流通，此时负载上有输出电压（）和电流。电源电压反向加到晶闸管VT2、VT3上，使其承受反压而处于关断状态。第三阶段：在U2负半波的（+）区间：当时，电源电压自然过零，感应电势使晶闸管VT1、VT4继续导通。在电压负半波，晶闸管VT2、VT3承受正压，因无触发脉冲，VT2、VT3处于关断状态。第四阶段：在U2负半波的=+时刻及以后：在=+处触发晶闸管VT2、VT3使其导通，电流沿bVT3LRVT2aTr的二次绕组b流通，电源电压沿正半周期的方向施
12、加到负载上，负载上有输出电压（）和电流。此时电源电压反向加到VT1、VT4上，使其承受反压而变为关断状态。晶闸管VT2、VT3一直要导通到下一周期wt=2+处再次触发晶闸管VT1、VT4为止。90输出电压波形正负面积相同，平均值为零，所以移相范围是090。控制角在090之间变化时，晶闸管导通角=，导通角与控制角无关。1.2.3 电路分析 在U2正半周期，触发角处给晶闸管VT1和VT4加触发脉冲使其开通,Ud=U2。负载中有电感存在是负载电流不能突变，电感对负载电流起平波作用，假设负载电感很大，负载电流连续，且波形近似为一水平线。U2过零变负时，由于电感的作用晶闸管VT1和VT4中仍流过电流id
13、，并不关断。 至wt=+时刻，给VT2和VT3加触发脉冲，VT2和VT3承受正向电压导通。U2通过VT2和VT3分别向VT1和VT4施加反压使VT1和VT4关断，流过VT1和VT4的电流迅速转移到VT2和VT3上，此过程称为换相，亦称换流。 图1-3 单相桥式全控整流电路带阻感负载电路波形2. 电路总体设计2.1 总电路图 图2-1 单相桥式全控整流电路的设计2.2 确定各器件参数2.2.1 参数关系(1) 输出电压平均值和输出电流平均值(2) 晶闸管的电流平均值和有效值(3) 输出电流有效值I和变压器二次电流有效值(4) 晶闸管所承受的最大正向电压和反向电压均为：2.2.2 参数的计算(1)
14、. 在阻感负载下电流连续，整流输出电压的平均值为(2). 变压器二次侧输出电压为(3). 整流输出电流平均值为(4). 变压器二次侧电流为(5). 电阻为(6). 晶闸管承受的最大反向电压为(7). 晶闸管的额定电压为(8). 流过晶闸管电流有效值为(9). 晶闸管的额定电流为(10). U1=220V U2=100V变压器变比为K=U1/U2=220/100=2.22.3 晶闸管的选择(1) 额定电压通常取和中较小的，再取靠近标准的电压等级作为晶闸管型的额定电压。在选用管子时，额定电压应为正常工作峰值电压的23倍，以保证电路的工作安全。(2) 额定电流(AV) (AV) 又称为额定通态平均电
15、流。其定义是在室温40和规定的冷却条件下，元件在电阻性负载流过正弦半波、导通角不小于170的电路中，结温不超过额定结温时，所允许的最大通态平均电流值。将此电流按晶闸管标准电流取相近的电流等级即为晶闸管的额定电流。在实际使用时不论流过管子的电流波形如何、导通角多大，只要其最大电流有效值不大于额定电流的有效值,散热冷却符合规定，则晶闸管的发热、温升就能限制在允许的范围。在实际使用时不论流过管子的电流波形如何、导通角多大，只要其最大电流有效值不大于额定电流的有效值,散热冷却符合规定，则晶闸管的发热、温升就能限制在允许的范围。晶闸管的额定电压和晶闸管的额定电流为3. 触发电路的设计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。(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
