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1、电力电子技术课程设计报告2009年 12月 10日目 录1.课程设计的目的2页2课程设计的题目和要求3页 3课程设计报告内容3页 3.1变压器3页3.2双向晶闸管3页3.3双基极二极管4页3.4电力二极管5页3.5稳压二极管6页3.6整流电路6页3.7单结晶体管触发电7页4.课程设计总结10页5.参考书目10页1. 课程设计的目的培养学生综合运用电力电子技术课程课题及有关学过的基本知识去理解实际问题，通过设计电路了解电子元件和电路的结构，掌握其工作原理，从而加深对本课程知识的理解。通过本课程设计，主要培养以下能力。（1） 查阅资料：收集与本课程设计有关的资料。（2） 方案选择：考虑方案的合理性
2、和实用性，提高解决实际问题的能力。（3） 培养计算机的使用能力，锻炼用简洁的文字和图来表达自己设计思想的能力。2. 课程设计的题目和要求2.1课程设计的题目描述在电子电路中，把220V交流电压转换成直流电压然后通过触发电路控制灯两段的电压，从而实现调光灯的控制。稳压电源是由电源变压器、整流电路和稳定电压电路三部分组成。其构成方框图如图2.1所示。图2.1调光灯控制电路框图图中包含的器件有电源变压器、二极管、电阻、稳压二极管、双向晶闸管、双基极二极管。电路图工作原理说明：在接通电源前，电容C上电压为零，接通电源之后，电容C经由R2、Rp充电而电压Vc逐渐升高，当Vc达到峰点电压时e-b1间导通，
3、电容上电压e-b1而向电阻R1放电，在R1上输出一个脉冲电压。当电压达到一定时，使VT导通，D通电点亮。当电容上电压逐渐降低时，通过D中的电流逐渐减小，D的亮度逐渐变暗，由于R2、Rp的阻值较大，当电容上的电压降到一定值时，单结晶体管截止，电容重新充电。重复上述过程。调节Rp阻值的大小，可以改变C的充电速率，从而改变VT触发导通时间，改变VT导通角的大小及D两端工作电压的高低，实现调光灯的控制。电路图如图3.9所示。2.2课程设计的要求通过设计一个完整的电路来实现调光灯控制的目的。3. 课程设计报告内容3.1变压器变压器主要有铁心和绕组两部分构成，其工作原理为：变压器是利用互感原理制成的电磁元
4、件，当在一次绕组加交流电压U1时，一次绕组N1中有了交流电流。将产生交变磁场，此交变磁场切割二次绕组，在二次绕组N2就得到了次级交流电压U2且二次输出电压与一次输入电压频率相同，改变两个绕组的匝数比K，就会在二次绕组上产生不同的电压。3.2双向晶闸管（a）双向晶闸管是具有NPNPN五层结构的半导体器件，相当于一对反向并联的单向晶闸管。它也有三个电极，即门极G和两个主门极T1、T2。其结构、等效电路、电路符号和伏安特性如图3.1所示。图3.1双向晶闸管结构、等效电路、电路符号和伏安特性图（b）双向晶闸管的工作原理：双向晶闸管可控制双向导通电流，它的两个主电极无论加正向电压还是反向电压，其控制极的
5、触发信号无论是正向还是反向，晶闸管都能触发双向晶闸管的触发状态如图3.2所示。双向晶闸管一旦导通，即使失去触发电压也能维持导通，只有将T1、T2间的电压或电流降低到不足以维持导通，或T1、T2间的电压降低的同时，又失去触发电压才能阻断。图3.2双向晶闸管的触发状态3.3双基极二极管（a）二极管也称为单结晶体管。它有一个发射极和两个基极，外形和普通的三极管相似。它有三个电极，一个发射极和两个基极。内部结构、电路符号、伏安特性及等效电路如图3.3所示。从图中可以看出，它有一个PN结和一个N型硅片，在PN结的P型半导体上引出的电极为发射极e，在硅片的两端分别引出第一基极b1和第二基极b2.基极b1、
6、b2之间的N型硅片可以等效为一个纯电阻。b1-e间电阻Rb1随发射极电流Ie变化。e-b2间的电阻Rb2与发射极电流Ie无关。图3.3双基极二极管 (b)二极管的工作原理：由高阻率的N型半导体硅片所构成双基极二极管的两个基极b1、b2之间。具有310K硅片电阻，这是管子内部结构的固有电阻，即在图3.4（b）的等效电路中，基极b1、b2之间的电阻Rb=Rb1+Rb2=310 K当在基极b1、b2之间施加一正向电压UBB时，位于基极b1、b2之间的发射级所处电位Ve的大小取决于上、下两部分电阻r b1与rb2所形成的分压比即Ve=UBB+UD双基级二极管的发射极e对第一基极b1突然雪崩电压导通，产
7、生负阻效应，此时的这个电压值称为双基级二极管的峰点电压Up。在发射极对第一基极突然雪崩导通后，发射极电流迅速增大，在N型半导体硅片下半部分便进入大量“空穴”载流子，因而使rb1迅速减小，从而使发射极e对第一基极b1之间变成低阻状态，也就是说，使发射极e对第一基极之间的电阻出现负的变化率，使电流骤然增加，这便是所谓的负阻效应。3.4电力二极管（a）二极管是只是一个由P型半导体和N型半导体所形成的PN结。在其PN结界面两侧形成空间电荷层和自建电场。其结构、电路符号和伏安特性如图3.4所示。 图3.4二极管结构、电路符号和伏安特性图（b）二极管的工作原理：当不存在外加电压时，由于PN结两边载流子浓度
8、差所引起的扩散电流和自建电场所引起的漂移电流相等，从而处于电平衡状态。当二极管两端施加足够大的正向电压U，即处于正向偏置时，由于外界电场和自建电场的互相抵消作用，使多数载流子的扩散电流增加，从而引起正向电流IF.此物理现象被称为二极管的正向导通现象。导通后，二极管两端电压基本保持不变。当二极管两端施加反向电压UR，即处于反向偏置时，外界电场和自建电场进一步加强，形成在一定反向电压范围内与反向偏置电压值无关的极小的反向饱和电流。这种物理现象被称为二极管的反向截止现象。当外加的反向电压高到一定程度时，PN结空间电荷的电场强度达到临界值产生载流子的倍”过程，产生大量“电子空穴”对，将会产生数值很大的
9、反向击穿电流使二极管PN结击穿而损坏。从根本上丧失单方向导电的特性，此物理现象被称为二极管的“反向击穿”。3.5稳压二极管稳压二极管是一种特殊工艺支撑的硅二极管。在它两端加上正向偏置电压时，也具有普通二极管的单向导电性。但稳压二极管一般都不这样用。它通常工作与反向击穿区，只要反向电流部超过极限电流。二极管工作于击穿区并不损坏，属可逆击穿。这是它与普通二极管的根本区别，电路符号、伏安特性如图3.5所示。图3.5稳压二极管电路符号、伏安特性图稳压原理如图3.5所示为稳压二极管的特性曲线，它的正向特性与普通二极管相似。它的方向特性比普通二极管更陡，即二极管反向电压达到一定程度时，进入反向击穿区（曲线
10、AB段）。击穿后的反向电流变化很大。二极管两端的反向电压基本不变，从而达到稳压的目的。A点电压就是稳压二极管的稳压电压Uz。当反向电流增大到一定数值后，稳压二极管会彻底击穿损坏。3.6整流电路（a）该方案选定的是单向全波可控整流电路又称单相双波可控整流电路。其带电阻负载时的电路如图3.6所示图3.6单相全波整流电路图（b）整流电路的工作原理：单向全波可控整流电路中，变压器T带中心抽头，在U2正半周期VT1两端加正向电压而导通，VT2两端加反向电压而截止。电源电压U2经变压器二次绕组的上端VT1R变压器二次绕组上端形成闭合回路。负载电阻R上有自上而下的电流流过。在U2的负半周时，VT1加反向电压
11、而截止，VT2两端加正向电压而导通，电源电压U2经变压器二次绕组的下端VT2R变压器的二次绕组的中点变压器二次绕组下端形成闭合回路，R上也有自上而下的电流流过。由此可见，在交流电压U2的整个周期内，整流器件在正负半周各导通一次负载电阻R上始终有同一方向的电流流过，所以称为全波整流。该电路输出的直流电压平均值是单相半波的2倍，电压有效值为单相半波的倍。其电压平均值U0的计算表达式为：U0=负载输出的直流电流平均值为：3.7单结晶体管触发电路（a）单结晶体管触发电路由同步电源、移相控制和脉冲输出三部分组成。图3.8单结晶体管触发电路及其波形（b）单结晶体管触发电路的工作原理：当经过整流电路输出直流
12、电压后，一路经R2、R1在单结晶体管两个基极两个基极之间按分压比分压，另一路通过RP、R3向电容C充电，发射极电压为电容两端电压Uc按指数曲线上升，当Uc=Up时单结晶体管导通管子e和b1间的电阻急剧减小，电容C向R1放电，由于放电回路电阻很小，放电时间很短，在R1上形成一个很窄的尖脉冲。当UcUv时由于（Rp+R3）数值较大，电源供给的电流小到一定值，单结晶体管截止。此后电容C又重新充电重负上述过程。于是在电容C上形成锯齿波电压，在R1上形成一个又一个的输出脉冲电压。（1）同步电源同步电源由变压器获得，而同步变压器与主电路至同一电源，故同步电压与主电路同相位、同频率。同步电压经过整流，再经过
13、稳压管削波为梯形波Uz。它的最大值是Uw。Uz既是同步信号，又是触发电路的电源。当Uz过零时，单结晶体管的电压为0，故电容C经单结晶体管的发射极e、第一基极b1、电阻R1迅速放电。也就是说每半周开始，电容C都基本上从零开始充电，进而保证每周期触发电路送出一个距离过零时刻一致的脉冲，距离过零时刻一致即控制角在每个周期相同，这样就实现了同步。（2）移相控制当调节电阻Rp增大时，单结晶体管充电到峰点电压Up的时间（即充电的时间）增大，第一个脉冲出现的时刻后移，即控制角增大。实现了移相。（3）脉冲输出触发脉冲由R1直接取出，这种方法简单、经济。但触发电路与主电路有直接的电联系，不安全。可以采用脉冲变压
14、器输出来改进这一触发电路，如图3.10所示。4.课程设计的目的通过这次的学习和研究，我对整流电路、触发电路等知识有了更深刻的理解。以前对于这部分知识只是局限于教科书上的内容，知识介绍十分有限。在这次课程设计过程中，通过去图书馆查阅大量的书籍，在网络上收索大量的参考材料，及通过认真理解、整理这些材料。我又掌握了很多书本上没有的知识，更对电源变压器、整流电路、稳压电路和触发电路等有关电力电子技术的知识。通过本次的课程设计使我不仅了解了一些电子器件的结构和原理，而且通过亲自动手设计相关电路，锻炼了自己将书本上的知识运用到实际生活的能力和运用电脑基础知识的能力。为以后的毕业设计及到工作岗位上工作打下了坚实的基础。最后，我要感谢沈老师，通过您的细心指导使我解决
