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1、目 录123第1章 绪 论11.1 电力电子技术的发展21.2 电力电子技术的应用21.3 电力电子技术课程中的整流电路3第2章 系统方案及主电路设计42.1 方案的选择42.2 系统流程框图52.3 主电路的设计62.4 整流电路参数计算82.5 晶闸管元件的选择9第3章 驱动电路设计113.1 触发电路简介113.2 触发电路设计要求113.3 集成触发电路TCA789123.3.1 TCA785芯片介绍123.3.2 TCA785锯齿波移相触发电路15第4章 保护电路设计174.1 过电压保护174.2 过电流保护184.3 电流上升率di/dt的抑制184.4 电压上升率du/dt的抑
2、制18第5章 系统MATLAB仿真205.1 MATLAB软件介绍205.2 系统建模与参数设置205.3 系统仿真结果及分析23设计体会28参考文献29附录A 系统电路图30附录B 元器件清单31第1章 绪 论1.1 电力电子技术的发展 晶闸管出现前的时期可称为电力电子技术的史前期或黎明时期。晶闸管由于其优越的电气性能和控制性能，使之很快就取代了水银整流器和旋转变流机组。并且，其应用范围也迅速扩大。电力电子技术的概念和基础就是由于晶闸管及晶闸管变流技术的发展而确立的。晶闸管是通过对门极的控制能够使其导通而不能使其关断的器件，属于半控型器件。对晶闸管电路的控制方式主要是相位控制式，简称相控方式
3、。晶闸管的关断通常依靠电网电压等外部条件来实现。这就使得晶闸管的应用受到了很大的局限。70年代后期，以门极可关断晶闸管（GTO）、电力双极型晶体管（BJT）和电力场效应晶体管（Power-MOSFET）为代表的全控型器件迅速发展。全控型器件的特点是，通过对门极（基极、栅极）的控制既可使其开通又可使其关断。在80年代后期，以绝缘栅极双极型晶体管（IGBT）为表的复合型器件异军突起。它是MOSFET和BJT的复合，综合了两者的优点。与此相对，MOS控制晶闸管（MCT）和集成门极换流晶闸管（IGCT）复合了MOSFET和GTO。1.2 电力电子技术的应用电力电子技术是一门新兴技术，它是由电力学、电子
4、学和控制理论三个学科交叉而成的，在电气自动化专业中已成为一门专业基础性强且与生产紧密联系的不可缺少的专业基础课。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
5、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、大型计算机所需的工作电源、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。1.3 电力电子技术课程中的整流电路整流电路按组成的器件不同，可分为不可控、半控与全控三种，利用晶闸管半导体器件构成的主要有半控和全控整流电路；按电路接线方式可分为桥式和零式整流电路；按交流输入相数又可分为单相、多相（主要是三相）整流电路。正是因为整流电路有着如此广泛的应用，因此整流电路的研究无论在是从经济角度，还是从科学研究角度上来讲都是很有价值的。本设计正是结合了
6、Matlab仿真软件对单相半控桥式晶闸管整流电路进行分析。第2章 系统方案及主电路设计2.1 方案的选择我们知道，单相整流电路形式是各种各样的，可分为单相桥式相控整流电路和单相桥式半控整流电路，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2-1 单相桥式半控整流电路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，当突然增大至180或出发脉冲丢失时，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
7、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2-2 单相桥式全控整流电路 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。 方案三：单相半波可控整流电路：电路简图如下： 图 2-3 单相半波可控整流电路 此电路只需要一个可控器件，电路比较简单，VT的a
8、移相范围为180。但输出脉动大，变压器二次侧电流中含直流分量，造成变压器铁芯直流磁化。为使变压器铁心不饱和，需增大铁心截面积，增大了设备的容量。实际上很少应用此种电路。 方案四：单相全波可控整流电路：电路简图如下：图 2-4 单相全波可控整流电路此电路变压器是带中心抽头的，结构比较复杂，只要用2个可控器件，单相全波只用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作电流脉冲大（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
9、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。相同的负载下流过晶闸管的平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，在均电流减小一半；且功率因数提高了一半。 综上所述，针对他们的优缺点，我们采用方案二，即单相桥式全控整流电路。 2.2 系统流程框图根据方案选择与设计任务要求，画出系统电路的流程框图如图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带阻感性负载。输入过电流保护整流主电路过电压保护驱动触发电路输出图2-5 系统流程框图2.3 主电路的设计图2-
10、6 主电路原理图图2-7 主电路工作波形图 电路如图2-6和图2-7所示。为便于讨论，假设电路已工作于稳态。(1) 工作原理 在电源电压正半周期间，VT1、VT2承受正向电压，若在时触发，VT1、VT2导通，电流经VT1、负载、VT2和T二次侧形成回路，但由于大电感的存在，过零变负时，电感上的感应电动势使VT1、VT2继续导通，直到VT3、VT4被触发导通时，VT1、VT2承受反相电压而截止。输出电压的波形出现了负值部分。在电源电压负半周期间，晶闸管VT3、VT4承受正向电压，在时触发，VT3、VT4导通，VT1、VT2受反相电压截止，负载电流从VT1、VT2中换流至VT3、VT4中在时，电压
11、过零，VT3、VT4因电感中的感应电动势一直导通，直到下个周期VT1、VT2导通时，VT3、VT4因加反向电压才截止。值得注意的是，只有当时，负载电流才连续，当时，负载电流不连续，而且输出电压的平均值均接近零，因此这种电路控制角的移相范围是。2.4 整流电路参数计算1.在阻感负载下电流连续，整流输出电压的平均值为 (2-1)由设计任务有电感，电阻，则输出电压平均值的最大值可由下式可求得。 (2-2)可见，当在范围内变化时，整流器可在范围内取值。2.整流输出电压有效值为 (2-3)3.整流输出电流平均值为： (2-4)4.在一个周期内每组晶闸管各导通180，两组轮流导通，整流变压器二次电流是正、
12、负对称的方波，电流的平均值和有效值相等，其波形系数为1。流过每个晶闸管的电流平均值与有效值分别为： (2-5) (2-6)5、晶闸管在导通时管压降=0,故其波形为与横轴重合的直线段；VT1和VT2加正向电压但触发脉冲没到时，VT3、VT4已导通，把整个电压加到VT1或VT2上，则每个元件承受的最大可能的正向电压等于；VT1和VT2反向截止时漏电流为零，只要另一组晶闸管导通，也就把整个电压加到VT1或VT2上，故两个晶闸管承受的最大反向电压也为。2.5 晶闸管元件的选择1、晶闸管的额定电流选择晶闸管额定电流的原则是必须使管子允许通过的额定电流有效值大于实际流过管子电流最大有效值 ，即 =1.57
13、 或 (2-7)考虑（1.52）倍的裕量： (2-8)此外，还需注意以下几点：当周围环境温度超过+40时，应降低元件的额定电流值。当元件的冷却条件低于标准要求时，也应降低元件的额定电流值。关键、重大设备，电流裕量可适当选大些。2、晶闸管的额定电压晶闸管实际承受的最大峰值电压乘以（23）倍的安全裕量，即可确定晶闸管的额定电压：(23)(23)(622933) (2-9)取800V。由以上分析计算知选取晶闸管的型号为。3、晶闸管的具体参数额定通态平均电流（IT（AV）：1A;断态重复峰值电压（UDRM）:500V;反向重复峰值电压（URRM）:1800V;断态重复平均电流（IDR（AV）:6mA;
14、反向重复平均电流（IRR（AV）:6mA;门极触发电流（IGT）:60mA;门极触发电压（UGT）:1.8V;断态电压临界上升率（du/dt）:50V/uS维持电流（IH）：60mA;额定结温（TjM）：110第3章 驱动电路设计3.1 触发电路简介电力电子器件的驱动电路是电力电子主电路与控制电路之间的接口，是电力电子的重要环节，对整个装置的性能有很大的影响。采用良好的性能的驱动电路。可以使电力电子器件工作在比较理想的开关状态，缩短开关时间，对装置的运行效率，可靠性和安全性都有很大的意义。对于相控电路这样使用晶闸管的场合，在晶闸管阳极加上正向电压后，还必须在门极与阴极之间加上触发电压，晶闸管才能从截止转变为导通，习惯上称为触发控制。提供这个触发电压的电路称为晶闸管的触发电路。它决定每一个晶闸管的触发导通时刻，是晶闸管装置中不可缺少的一个重要组成部分。晶闸管相控整流电路，通过控制触发角的大小即控制触发脉冲起始位来控制输出电压的大小，为保证相控电路的正常工作，很重要的一点是应保证触发角的大小在正确的时
