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1、武汉理工大学电力电子课程设计说明书摘要电力电子技术课程设计是在教学及实验基础上，对课程所学理论知识的深化和提高。本次课程设计要完成单相桥式半控整流电路的设计，对电阻负载供电，并使输出电压在0到180伏之间连续可调，由于是半控电路，因此会用到晶闸管与电力二极管。此外，还要用MATLAB对设计的电路进行建模并仿真，得到电压与电流波形，对结果进行分析。关键词：半控 整流 晶闸管目录1 设计内容及要求12 电路的设计及工作原理23 元器件的选择43.1 晶闸管43.1.1 晶闸管的结构与工作原理43.1.2 晶闸管的选择53.2 电力二极管64 触发电路85 MATLAB建模与仿真96 心得体会12参
2、考文献13单相桥式半控整流电路的设计1 设计内容及要求本次课程设计要求设计一个单相桥式半控整流电路，对电阻负载供电，其中R=10，要求直流输出电压在0180伏连续可调。设计成功后，用MATLAB对所设计的电路进行建模并仿真，获得相应的电压与电流波形，根据波形分析设计方法的可行性。2 电路的设计及工作原理单相相控整流电路可分为单相半波、单相全波和单相桥式相控流电路，它们所连接的负载性质不同就会有不同的特点。而负载性质又分为带电阻性负载、电阻-电感性负载和反电动势负载时的工作情况。单相桥式半控整流电路带电阻负载的电路图如图2-1所示。图2.1 单相桥式半控整流电路带电阻负载在单向桥式半控整流电路中
3、，VT1和VD4组成一对桥臂，VD2和VT3组成另一对桥臂。在u正半周（即a点电位高于b点电位），若4个管子均不导通，负载电流id为零，ud也为零，VT1、VD4串联承受电压u，设VT1和VD4的漏电阻相等，则各承受u的一半。若在触发角处给VT1加触发脉冲，VT1和VD4即导通，电流从电源a端经VT1、R、VD4流回电源b端。当u过零时，流经晶闸管的电流也降到零，VT1和VD4关断。在u负半周，仍在触发延迟角处触发VD2和VT3，VD2和VT3导通，电流从电源b端流出，经VT3、R、VD2流回电源a端。到u过零时，电流又降为零，VD2和VT3关断。此后又是VT1和VD4导通，如此循环地工作下去
4、。晶闸管承受的最大正向电压和反向电压分别为U和U。由于在交流电源的正负半周都有整流输出电流流过负载，故该电路为全波整流。在u一个周期内，整流电压波形脉动2次，脉动次数多于半波整流电路，该电路属于双脉波整流电路。整流电压平均值为=0时，Ud=Ud0=0.9U；=1800时，Ud=0。可见，角的移相范围为1800。向负载输出的直流电流平均值为管子VT1、VD4和VD2、VT3轮流导电，流过管子的电流平均值只有输出直流电流平均值的一半，即流过晶闸管的电流有效值为3 元器件的选择 3.1 晶闸管晶闸管（Thyristor）是晶体闸流管的简称，又称作可控硅整流（SCR），开辟了电力电子技术迅速发展和广泛
5、应用的崭新时代。自20世纪80年代以来，晶闸管开始被性能更好的全控型器件取代。晶闸管能承受的电压和电流容量最高，工作可靠，以被广泛应用于相控整流、逆变、交流调压、直流变换等领域，成为功率低频（200Hz以下）装置中的主要器件。晶闸管往往专指晶闸管的一种基本类型-普通晶闸管。广义上讲，晶闸管还包括其许多类型的派生器件。3.1.1 晶闸管的结构与工作原理 1）晶闸管的外形与结构图2-2所示为晶闸管的外形、结构、电器图形符号和模块外形。从外形上来看，晶闸管也主要有螺栓型和平板型两种封装结构，均引出阳极A、阴极K和门极G三个连接端。晶闸管内部是PNPN四层半导体结构，分别命名为P1、N1、P2、N2四
6、个区。P1区引出阳极A，N2区引出阴极K，P2区引出门极G。四个区形成J1、J2、J3三个PN结。如果正向电压加到器件上，则J2处于反向偏置状态，器件A、K两端之间处于阻断状态，只能流过很小的漏电流；如果反向电压加到器件上，则J1和J3反偏，该器件也处于阻断状态，仅有极小的反向漏电流通过。2）晶闸管的工作原理晶闸管导通的工作原理可以用双晶体管模型来解释，如图2-3所示。如在器件上取一倾斜的截面，则晶闸管可以看作由P1N1P2和N1P2N2构成的两个晶体管V1、V2组合而成。如果外电路向门极注入电流IG，也就是注入驱动电流，则IG流入晶体管V2的基极。即产生集电极电流Ic2，它构成晶体管V1的基
7、极电流，放大成集电极电流Ic1，又进一步增大V2的基极电流，如此形成强烈的正反馈，最后V1和V2进入完全饱和状态，即晶闸管导通。此时如果撤掉外电路注入门极的电流IG，晶闸管由于内部已形成了强烈的正反馈会仍然维持导通状态。而若要使晶闸管关断，必须去掉阳极所加的正向电压，或者给阳极施加反压，或者设法使流过晶闸管的电流降低到接近于零的某一数值以下，晶闸管才能关断。所以，对晶闸管的驱动过程更多的是成为触发，产生注入门极的触发电流IG的电路称为门极触发电路。也正是由于通过其门极只能控制其开通，不能控制其关断，晶闸管才被称为半控型器件。晶闸管在以下几种情况下也可能被触发导通：阳极电压升高至相当高的数值造成
8、雪崩效应；阳极电压上升率du/dt过高；结温较高；光直接照射硅片，即光触发。这些情况除了由于光触发可以保证电路与主电路之间的良好绝缘而应用于高压电力设备之外，其他都因不易控制而难以应用于实践。只有门极触发是最精确、迅速而可靠的控制手段。 图2.2 晶闸管的外形、结构、电气图形符号和模块外形a)晶闸管外形 b)内部结构 c)电气图形符号 d)模块外形图2.3 晶闸管的双晶体管模型及其工作原理3.1.2 晶闸管的选择由于设计要求单相桥式半控整流电路输出电压范围为0180伏连续可调，即化简得取U=200V，则，正好满足的范围。即输出电压的0180伏对应着角的18000。输出平均电流的最大值为晶闸管承
9、受的最大反向电压为流过每个晶闸管的最大电流的有效值为故晶闸管的额定电压为晶闸管的额定电流为3.2 电力二极管电力二极管（Power Diode）自20世纪50年代初期就获得应用，虽然是不可控器件，但其原理和结构简单，工作可靠，所以直到现在电力二极管仍然大量应用于许多电气设备当中。电力二极管实际上是由一个面积较大的PN结和两端引线以及封装组成的。当PN结外加正向电压（正向偏置），即外加电压的正端接P区、负端接N区时，外加电场与PN结自建电场方向相反，使得多子的扩散运动大于少子的漂移运动，形成扩散电流，在内部造成空间电荷区变窄，而在外电路上则形成自P区流入而从N区流出的电流，称为正向电流IF。当外
10、加电压升高时，自建电场将进一步被削弱，扩散电流进一步增加。这就是PN结的正向导通状态。当PN结外加反向电压时（反向偏置），外加电场与PN结自建电场方向相同，使得少子的漂移运动大于多子的扩散运动，形成漂移电流，在内部造成空间电荷区变窄，而在外电路上则形成自N区流入而从P区流出的电流，称为反向电流IR。但是少子的浓度很小，在温度一定时漂移电流的数值趋于恒定，被称为反向饱和电流Is，一般仅为微安数量级，因此反向偏置的PN结表现为高阻态，几乎没有电流流过，被称为反向截止状态。这就是PN结的单向导电性，二极管的基本原理就在于PN结的单向导电性这个主要特征。由于在单相桥式半控整流电路中，电力二极管所承受的
11、电压和流经的电流与晶闸管相同，因此电力二极管参数的选定与晶闸管相同。4 触发电路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有如下要求 。第一，触发信号可为直流、交流或脉冲电压。第二，触发信号应有足够的功率（触发电压和触发电流）。由晶闸管的门极伏安特性曲线可知，同一型号的晶闸管的门极伏安特性的分散性很大，所以规定晶闸管元件的门极阻值在某高阻和低阻之间，才可能算是合格的产品。晶闸管器件出厂时，所标注的门极触发电流Igt、门极触发电压U是指该型号的所有合格器件都能被触发导通的最小门极电流、电压值，所以在接近坐标原点处以触发脉冲应以一定的宽度且脉冲前沿应尽可能陡。
12、由于晶闸管的触发是有一个过程的，也就是晶闸管的导通需要一定的时间。只有当晶闸管的阳极电流即主回路电流上升到晶闸管的掣住电流以上时，晶闸管才能导通，所以触发信号应有足够的宽度才能保证被触发的晶闸管可靠的导通。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。第三，触发脉冲的宽度要能维持到晶闸管彻底导通后才能撤掉，晶闸管对触发脉冲的幅值要求是：在门极上施加的触发电压或触发电流应大于产品提出的数据，但也不能太大，以防止损坏其控制极，在有晶闸管串并联的场合，触发脉冲的前沿越陡越有利于晶闸管的同时触发导通。第四，触发脉冲必须与晶闸管的阳极电压同步
13、，脉冲移相范围必须满足电路要求。第五，触发脉冲与主电路电源必须同步。为了使晶闸管在每一个周期都以相同的控制角被触发导通，触发脉冲必须与电源同步，两者的频率应该相同，而且要有固定的相位关系，以使每一周期都能在同样的相位上触发。5 MATLAB建模与仿真启动MATLAB，打开Simulink，新建文件，根据单相桥式半控整流电路所需的元器件添加相应的控件并连线，完成仿真图的绘制。绘制完成后的仿真图如图5-1所示。图5-1 单相桥式半控整流电路的MATLAB仿真图由前面的计算我们已经知道，当控制角从0连续变化到1800时，对应的直流输出电压从180V连续变化到0。图5-2、5-3、5-4、5-5分别给
14、出了控制角 为0、450、900、1800时的仿真波形图。从上到下的分别是电源电压U、晶闸管VT1的触发脉冲P1、晶闸管VT3的触发脉冲P2、流经晶闸管VT1的电流Id1、流经晶闸管VT3的电流Id2、输出电压Ud的波形。图5-2 控制角=0时的仿真波形图5-3 控制角=450时的仿真波形图5-4 控制角=900时的仿真波形图5-5 控制角=1800时的仿真波形6 心得体会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，尤其是在书本中介绍不完全的。要完成这次课程设计，仅仅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有关电力电子的知识。对于课程设计的
15、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。设计过程中，我明白了整流电路，尤其是单相桥式半控整流电路的重要性以及整流电路设计方法的多样性。这次的课程设计是我设计时间最长的一次，也是收获最大的一次。刚拿到题目时感觉很简单，但做的过程中困难重重，如仿真时晶闸管、触发脉冲和示波器的参数设置，这次课程设计使我明白了理论与实践之间的遥远。另外通过这次课程设计，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，把以前很多没学懂的问题都学懂学透了。所以课程设计是理论知识的升华。整个课程设计过程中，由于理论知识的缺乏，课程设计还有很多不足之处，在以后的
