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1、第一章 绪论电力电子学，又称功率电子学（Power Electronics）。它主要研究各种电力 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
2、前获得直流电能的主要 方式，得到了广泛应用。在电能的生产和传输上，目前是以交流电为主。电力网 共给用户的是交流电，而许多场合，例如点解，蓄电池的充电，直流电动机等， 需要直流电。要得到直流电，除了直流发电机外，最普遍运用的是利用各种半导 体元件产生直流电。这种方法中，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。整流电路的形式是各种各样的，整流的结构也是比较多的。单相桥式半控整 流电路，对每一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。所以本次课程设计我们将单结晶体管触发的单相 晶
3、闸管半控整流电路作为设计课题。第二章 方案的选择2.1 元器件的选择1.可关断晶闸管的结构GTO 的内部结构与普通晶闸管相同，都是 PNPN 四层结构，外部引出阳极 A、 阴极K和门极G如图2-1.和普通晶闸管不同,TO是一种多元胞的功率集成器件, 内部包含十个甚至数百个共阳极的小GTO元胞，这些元胞的阴极和门及在器件内 部并联在一起，是器件的功率可以达到相当大的数值。(a) (b) (c)图2-1 GTO的结构(a)、等效电路(B)和图形符号(c)2 可关断晶闸管的工作原理GTO的导通机理与SCR是完全一样得。GTO 一旦导通之后，门极信号是可以 撤除的，在制作时采用特殊的工艺使管子导通后处
4、于临界饱和，而不像普通晶闸 管那样处于深度饱和状态，这样可以用门极负脉冲电流破坏临界饱和状态使其关 断。GTO在关断机理上与SCR是相同的。门极加负脉冲即从门极抽出电流，强烈 正反馈使器件退出饱和而关断。3 可关断晶闸管的特点可关断晶体管具有普通晶闸管的全部优点，如耐压高，电流大等。同时它又 是全控型器件，即在门极正脉冲电流触发下导通，在负脉冲电流触发下关断。故 在本次设计中我们选择可关断晶闸管。2.2 主电路结构及工作原理图2-2单相半控桥式整流电路带大电感负载接续流二极管时的波形(a)电路：(b)波形如图2-2所示，当u的正半周、控制角为a时，触发晶闸管V，则V和VD2 1 1 2 因承受
5、正向电压而导通。当 u 下降到零并开始变负时，由于电感的作用，它将2 产生一感应电势使 V 继续导通。但此时 VD 已承受正向电压正偏导通，而 VD 反1 1 2偏截止，负载电流i经VD、V流通。此时整流桥输出电压为V和VD的正向 d 1 1 1 1压降，接近于零，所以整流输出电压u没有负半周，这种现象我们把它叫做自d然续流。在这一点上， 半控桥和全控桥是不同的。u的负半周具有与正半周相似的情况，控制角为a时触发V , V、VD导通,2 2 2 1u过零变正时经VD、V自然续流。2 2 22-1根据以上分析， 可求出输出电压平均值为其输出电压有效值为:U =1F V2U sinwtdU (1+
6、cosa) = 0.9U 土空d 兀a2兀 222流过晶闸管的电流平均值和有效值分别为:2.3 参数的计算本电路由于采用了 Matlab仿真，器件的参数我们采用默认值，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0 180度。一般输出电压为50V就可以了，可设电阻为5欧，电感视为无限大，此 次设为 3H。设置每个元件的仿真参数。最为关键的是控制角a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，转化时两个脉冲发生器的延时时间可分 别按公式2
7、-4，2-5来转化。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/(50X360) s。在此设定控制角为30, 则脉冲发生器P1的延时应设为30/(50X360) 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/(50X 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，选择其中的RL项来等效阻感性负载，可将其电感参数设为3H。 同理，利用二极管与电阻的并联元件将其中的电阻设为无穷大，起到二极管的作 用。触发角/ (交流电压源的
8、频率X360)2-4触发角+ 180/ (交流电压源的频率X360)2-5第三章 辅助电路的设计3.1 驱动电路的选择方案一采用专用集成芯片产生驱动信号。专用集成芯片对于整个系统来说 非常好，集成度高，不易产生各种干扰，产生的驱动信号精确度高，更利于系统 的准确度，简单、省事，易于实现。但是，专用集成芯片的价格比较昂贵且不易 购买，对于以锻炼个人能力设计此次课程设计显然达不到目的。方案二 采用LM339、ICL8083等构成的驱动电路虽然效果不是很好，但是它 完全是硬件驱动，能更好的锻炼人的知识运用与开发能力。两个方案相比较而言 我选择方案二。3.2 驱动电路设计晶闸管门极触发信号由触发电路提
9、供，由于晶闸管电路种类很多，如整流、 逆变、交流调压、变频等，所带负载的性质也不相同，如电阻性负载、电阻电 感性负载、反电势负载等。仅管不同的情况对触发电路的要求也不同，但其基本 要求却是相同的，具体如下:(a) 触发信号应有足够的功率。这些指标在产品样本中均已标明，由于晶闸 管元件门极参数分散性大且触发电压、电流值受温度影响会发生变化。例如元件 温度为1000c时触发电流、电压值比在室温时低23倍。元件温度为-400c时，触 发电流、电压值比在室温时高23倍。为了使元件在各种工作条件下都能可靠地 触发可参考元件出厂的试验数据或产品目录。设计触发电路的输出电压、电流值 并留有一定的裕量。一般可
10、取两倍左右的触发电流裕量而触发电压按触发电流大 小来决定，但应注意不要超过晶闸管门极允许的峰值功率和平均功率极限值。(b) 触发脉冲信号应有一定的宽度普通晶闸管的导通时间一般为6s,故触发 脉冲的宽度至少应有6 s以上，对于电感性负载，由于电感会抑制电流的上升， 触发脉冲的宽度应更大一些，通常为0.5ms1ms,否则在脉冲终止时主电路电流 还未上升到晶闸管的掣住电流时，此时将使晶闸管无法导通而重新恢复关断状 态。单结晶体管原理单结晶体管，简称UJT又称基极二极管。它是一种只有PN结 和两个电阻接触电极的半导体器件，它的基片为条状的高阻N型硅片，两端分别用欧姆接触引出两个基极bl和b2。在硅片中
11、间略偏b2侧用合金法制作一个P区 作为发射极e。其符号和等效电路如图3-1所示。3|1 TtbEBl1Bl1图3-1单结晶体管符号、等效电路图1. 单结晶体管的特性从图3.1b中可以看出两基极bl和b2之间的电阻称为基极电阻为 Rbb=rb1+rb2式中：Rbl第一基极与发射结之间的电阻，其数值随发射极电流ie而 变化；rb2为第二基极与发射结之间的电阻，其数值与ie无关。发射结是PN结，与 二极管等效。若在两面三刀基极b2, bl间加上正电压Vbb,贝山点电压为VA=rb1/ (rb1+rb2)vbb二rbl/rbbvbb二n Vbb 式中：n 称为分压比，其值一般在0.30.85 之间，如
12、果发射极电压VE由零逐渐增加，就可测得单结晶体管的伏安特性，见图 3-2。图3-2单结晶体管的伏安特性Iceo。b. 当Ven Vbb+VD时，VD为二极管正向压降，约为0.7VPN结正向导通，Ie显著增 加，rb1阻值迅速减小，Ve相应下降 这种电压随电流增加反而下降的特性，称 为负阻特性。管子由截止区进入负阻区的临界P称为峰点，与其对应的发射极电 压和电流，分别称为峰点电压Vp和峰点电流Ip。Ip是正向漏电流，它是使单结晶 体管导通所需的最小电流，显然Vp二n Vbb。c. 随着发射极电流Ie的不断上升,Ve不断下降，降到V点后,Ve不再下降了，这点V 称为谷点，与其对应的发射极电压和电流
13、,称为谷点电压Vv和谷点电流Iv。d. 过了V后，发射极与第一基极间半导体内的载流子达到了饱和状态，所以Ue继 续增加时，ie便缓慢的上升，显然Vv是维持单结晶体管导通的最小发射极电压如 果VeVv管子重新截止。2. 单结晶体管的主要参数a. 基极间电阻Rbb发射极开路时，基极b1b2之间的电阻,一般为210千欧，其数值随 温度的上升而增大。b. 分压比n由管子内部结构决定的参数，一般为0.30.85。c. eb 1间反向电压Vcb1 b2开路，在额定反向电压Vcb下，基极b1与发射极e之间反 向耐压。d. 反向电流Ieo b1开路 在额定反向电压Vcb2下eb2间的反向电流。e. 发射极饱和
14、压降Veo在最大发射极额定电流时，eb1间的压降。f. 峰点电流Ip单结晶体管刚开始导通时，发射极电压为峰点电压时的发射极电 流。单结晶体管触发电路如图3-3所示波形为图3-4所示。图3-3 单结晶体管触发电路I图3-4 单结晶体管触发信号波形第四章 MATLAB 仿真4.1 Simulink 的基本应用启动Simulink的方法有很多种，按照Matlab的传统方式，只要在命令窗口 输入：Simulink。这样，一个称为Simulink library Browser的窗口就会出 现在桌面上，用户也可以使用Mat lab主窗口的快捷按钮或者是利用launch pad 子窗口命令打开，用户可以在
15、界面上浏览、选择及调用模块。Simulink库是按功 能分为：continuous （连续），Discrete（离散），Functions & Tables（函数和平 台）、Ma th（数学）、Nonlinear（非线性）、Signal&Sys tem（信号和系统）、Sinks（接 收器）、Sources（源）等等子库，用户在调用时会很容易就找到所需的模块并加以 选择。从模块的名字可以看出，Sinks子库里的模块基本上是一些信号接收器。 如Scope（示波器）、Display（显示器）、XY Graph（XY图形）等等。具体的操作是 点击工具栏上最左边建新模型的空白按钮，会出现一个模型窗口，接下来回到浏 览器窗口，在目标模块上，女Hint egra tor模块，按下鼠标左键，然后拖动鼠标至 新窗口才松开，这时新窗口会出现一个名为integrator的方块，即把模块复制到 新窗口。一般来讲，在模型结构都己经设计好的基础上，用Simulink建立模型 的过程可以简单概括为:在Simulink的模块库里找到所需的模块，并把它们拖曳 到模型窗口中，将这些模块排列好，然后用直线把各个模块连接起来。具体的操 作步骤如下：（1）启动Simulink模块库浏览窗口。（2）新建一个空白模型，即点击库浏览器工具栏上的空白按钮。在Sim
