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1、1课程设计的目的与要求11 引言本方面有很大潜电力电子技术又称为功率电子技术，他是用于电能变换和功率控制的电子技术。电力电子技术是弱电控制强电的方法和手段，是当代高新技术发展的重要容，也是支持电力系统技术革命发展的重要基础，并节能降耗、增产节约提高生产效能的重要技术手段。微电子技术、计算机技术以与大功率电力电子技术的快速发展，极推动了电工技术、电气工程和电力系统的技术发展和进步。电力电子器件是电力电子技术发展的基础。正是大功率晶闸管的发明，使得半导体变流技术从电子学中分离出来，发展成为电力电子技术这一专门的学科。而二十世纪九十年代各种全控型大功率半导体器件的发明，进一步拓展了电力电子技术应用和
2、覆盖的领域和围。电力电子技术的应用领域已经深入到国民经济的各个部门，包括钢铁、冶金、化工、电力、石油、汽车、运输以与人们的日常生活。功率围大到几千兆瓦的高压直流输电，小到一瓦的手机充电器，电力电子技术随处可见。电力电子技术在电力系统中的应用中也有了长足的发展，电力电子装置与传统的机械式开关操作设备相比有动态响应快，控制方便，灵活的特点，能够显著地改善电力系统的特性，在提高系统稳定、降低运行风险、节约运行成力。1.2 课程设计的目的“电力电子技术”课程设计是在教学与实验基础上，对课程所学理论知识的深化和提高。因此，通过电力电子计术的课程设计达到以下几个目的：1）培养综合应用所学知识，并设计出具有
3、电压可调功能的直流电源系统的能力；2）较全面地巩固和应用本课程中所学的基本理论和基本方法，并初步掌整流电路设计的基本方法。3）培养独立思考、独立收集资料、独立设计的能力；4）培养分析、总结与撰写技术报告的能力。1.3 课程设计要求设计条件：1.电源电压：交流100V/50Hz 2.输出功率：500W 3.触发角 4.反电势、电阻负载、带续流二极管E=75V根据课程设计题目和设计条件，说明主电路的工作原理、计算选择元器件参数。设计容包括：1.整流变压器额定参数的计算 2.晶闸管电流、电压额定参数选择 3.触发电路的设计2 课程设计方案选择2.1整流电路单相相控整流电路可分为单相半波、单相全波和单
4、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（电阻负载 反电动势）电路简图如下：该电路在实际应用中需加设续流二极管VDR，以避免可能发生的失控现象。实际运行中，若没有续流二极管，则当突然增大至180o或触发脉冲丢失时，会发生一个晶闸管持续导通儿两个二极管轮流导通的情况，这使Ud成为正弦半波，即半轴期Ud为正弦，另外半周期Ud为零，其平均值保持恒定，相当于单相半波不可控整流电路时的波形，称为失控。例如当VT1导通时切断触发电路，则当U2变负时，由于电感作用，负载电流由VT1和VD2续流，
5、当U2又为正时，因VT1是导通的，U2又经VT1和 VD4向负载供电，出现失控现象。有续流二极管VDR时，续流过程由VDR完成，在续流阶段晶闸管关断，这就避免了某一个晶闸管持续导通从而导致失控的现象。同时续流期间导电回路只有一个压降管，少了一个压降管，有利于降低损耗。2.2元器件的选择12.2.1晶闸管晶管又称为晶体闸流管，可控硅整流（Silicon Controlled Rectifier-SCR），开辟了电力电子技术迅速发展和广泛应用的崭新时代; 20世纪80年代以来，开始被性能更好的全控型器件取代。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
6、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。 1）晶闸管的结构晶闸管是大功率器件，工作时产生大量的热，因此必须安装散热器。引出阳极A、阴极K和门极（或称栅极）G三个联接端。部结构:四层三个结如图2.22）晶闸管的工作原理图晶闸管由四层半导体（P1、N1、P2、N2）组成，形成三个结J1（P1N1）、J2（N1P2）、J3（P2N2），并分别从P1、P2、N2引入A、G、K三个电极，如图1.2(左)所示。由于具有扩散工艺，具有三结四层结构的普通晶闸管可以等效成如图2.3（右）所示的两个晶闸管T1（
7、P1-N1-P2）和（N1-P2-N2）组成的等效电路。图2.2晶闸管的外形、部结构、电气图形符号和模块外形a)晶闸管外形 b)部结构 c)电气图形符号 d)模块外形图2.3 晶闸管的部结构和等效电路3）晶闸管的门极触发条件（1）: 晶闸管承受反向电压时，不论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通； （2）：晶闸管承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情况下晶闸管才能导通；（3）：晶闸管一旦导通门极就失去控制作用；（4）：要使晶闸管关断，只能使其电流小到零一下。晶闸管的驱动过程更多的是称为触发，产生注入门极的触发电流的电路称为门极触发电路。也正是由于能过门极只能控制其开通，不能控制其关断，晶闸管才
8、被称为半控型器件。只有门极触发是最精确、迅速而可靠的控制手段。2.2.2 可关断晶闸管可关断晶闸管简称GTO可关断晶闸管的工作原理图1.3 GTO的结构、等效电路和图形符号GTO的导通机理与SCR是完全一样的。 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于临界饱和，而不像普通晶闸管那样处于深饱和状态，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是不同的。门极加负脉冲即从门极抽出电流（即抽出饱和导通时储存的大量载流子），强烈正反馈使器件退出饱和而关断。3 元器件和电路参数计算23.1晶闸管的基本特性3.1.1静态特性静态特性又
9、称伏安特性，指的是器件端电压与电流的关系。这里介绍阳极伏安特性和门极伏安特性。（1）阳极伏安特性晶闸管的阳极伏安特性表示晶闸管阳极与阴极之间的电压Uak与阳极电流ia之间的关系曲线，如图5-1所示。图5.1晶闸管阳极伏安特性正向阻断高阻区；负阻区；正向导通低阻区；反向阻断高阻区阳极伏安特性可以划分为两个区域：第象限为正向特性区，第象限为反向特性区。第象限的正向特性又可分为正向阻断状态与正向导通状态。（2）门极伏安特性晶闸管的门极与阴极间存在着一个PN结J3，门极伏安特性就是指这个PN结上正向门极电压Ug与门极电流Ig间的关系。由于这个结的伏安特性很分散，无法找到一条典型的代表曲线，只能用一条极
10、限高阻门极特性和一条极限低阻门极特性之间的一片区域来代表所有元件的门极伏安特性，如图5-2阴影区域所示。图5.2晶闸管门极伏安特性3.1.2动态特性晶闸管常应用于低频的相控电力电子电路时，有时也在高频电力电子电路中得到应用，如逆变器等。在高频电路应用时，需要严格地考虑晶闸管的开关特性，即开通特性和关断特性。（1）开通特性晶闸管由截止转为导通的过程为开通过程。图1-12给出了晶闸管的开关特性。在晶闸管处在正向阻断的条件下突加门极触发电流，由于晶闸管部正反馈过程与外电路电感的影响，阳极电流的增长需要一定的时间。从突加门极电流时刻到阳极电流上升到稳定值IT的10%所需的时间称为延迟时间td，而阳极电
11、流从10%IT上升到90%IT所需的时间称为上升时间tr，延迟时间与上升时间之和为晶闸管的开通时间tgt=td+tr，普通晶闸管的延迟时间为0.51.5s，上升时间为0.53s。延迟时间随门极电流的增大而减少，延迟时间和上升时间随阳极电压上升而下降。图6.7晶闸管的开关特性（2）关断特性通常采用外加反压的方法将已导通的晶闸管关断。反压可利用电源、负载和辅助换流电路来提供。要关断已导通的晶闸管，通常给晶闸管加反向阳极电压。晶闸管的关断，就是要使各层区载流子消失，使元件对正向阳极电压恢复阻断能力。突加反向阳极电压后，由于外电路电感的存在，晶闸管阳极电流的下降会有一个过程，当阳极电流过零，也会出现反
12、向恢复电流，反向电流达最大值IRM后，再朝反方向快速衰减接近于零，此时晶闸管恢复对反向电压的阻断能力。3.2晶闸管基本参数3.2.1晶闸管的主要参数说明：1、额定电压UTn通常取UDRM和URRM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。晶闸管的额定电压 UTn =（23）UTM UTM ：工作电路中加在管子上的最大瞬时电压 2、额定电流IT(AV)IT(AV)又称为额定通态平均电流。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
13、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。ITn ：额定电流有效值，根据管子的IT(AV) 换算出，IT(AV) 、ITMITn 三者之间的关系： (3-2-1) (3-2-2)3、维持电流IH维持电流是指晶闸管维持导通所必需的最小电流，一般为几十到几百毫安。维持电流与结温有关，结温越高，维持电流越小，晶闸管越难关断。4、掣住电流IL晶闸管刚从阻断状态转变为导通状态并撤除门极触发信号，此时要维持元件导通所需的最小阳极电流称为掣住电流。一般掣住电流比维持电流大（24）倍。5、通态平均管压降 UT(AV) 。指在规定的工作温度条件下，使晶闸管导通的正弦波半
14、个周期阳极与阴极电压的平均值，一般在0.41.2V。6、门极触发电流Ig。在常温下，阳极电压为6V时，使晶闸管能完全导通所用的门极电流，一般为毫安级。7、 断态电压临界上升率du/dt。在额定结温和门极开路的情况下，不会导致晶闸管从断态到通态转换的最大正向电压上升率。一般为每微秒几十伏。8、 通态电流临界上升率di/dt。在规定条件下，晶闸管能承受的最大通态电流上升率。若晶闸管导通时电流上升太快，则会在晶闸管刚开通时，有很大的电流集中在门极附近的小区域，从而造成局部过热而损坏晶闸管。9、波形系数：有直流分量的电流波形，其有效值与平均值之比称为该波形的波形系数，用Kf表示。 (3-2-3) 额定
15、状态下， 晶闸管的电流波形系数4 单相桥式半控主电路的设计44.1电路的结构与工作原理4.1.1电路结构图8 半控整流电阻负载加续流二极管原理图4.1.2 工作原理当U2正半周时，在wt=时刻，触发晶闸管VT1使其导通，电流从电源U2正端VT1RVD4U2负载向负载供电。U2过零变负时，负载电流经续流二极管，使桥路直流输出只有1V左右的压降，迫使晶闸管与二极管串联电路中的电流减小到维持电流以下，使晶闸管关断，不会出现失控现象。在U2负半周wt=+时刻，触发VT3使其导通，则VT1承受反压而关断，U2经VT3RVD2U2端向负载供电。U2过零变正时，负载电流经续流二极管，使桥路直流输出只有1V左右的压降，迫使晶闸管与二极管串联电路中的电流减小到维持电流以下，使晶闸管关断，重复以上过程。4.2基本数量关系a.直流输出电压平均值=67.5V=0.46AP=I2R
