98电力电子技术课程设计

武汉理工大学《电力电子技术》课程设计说明书0目录1设计任务及要求....................................................12方案比较及选择....................................................13设计原理与方法....................................................31晶闸管的介绍..................................................32可关断晶闸管..................................................43晶闸管的派生器件..............................................54辅助电路的设计....................................................61驱动电路的设计................................................62保护电路的设计...............................................105主体电路的设计...................................................131接阻感性负载.................................................132接反电动势负载...............................................143主要元器件说明...............................................146小结与体会.......................................................177参考文献.........................................................18武汉理工大学《电力电子技术》课程设计说明书1单相桥式带续流二极管的整流器的设计1设计任务及要求设计一个单相桥式带续流二极管的整流器设计要求：1.变压器2次侧220V交流电；2.采用单相桥电路，电阻，电感，电容，晶闸管，单结晶体管，滑线变阻器自选；3.负载要求是电感很大阻感负载以及电动机负载2方案比较及选择单相桥式整流电路可分为单相桥式相控整流电路和单相桥式半控整流电路，它们所连接的负载性质不同就会有不同的特点。下面分析两种单相桥式整流电路在带电感性负载的工作情况。方案一：单相半控桥式整流电路电路简图如下：武汉理工大学《电力电子技术》课程设计说明书2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α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：单相全控桥式整流电路（按课题要求加装续流二极管）此电路对每个导电回路进行控制，本来无须用续流二极管，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。但为了扩大移相范围，使Ud波形不出现负值且输出电流更加平稳，在负载两端并接续流二极管,接续流管后，α的移相范围可扩大到0～π。α在这区间内变化，只要电感量足够大，输出电流Id就可保持连续且平稳。在电源电压U2过零变负时，续流管承受正向电压而导通，晶闸管承受反向电压被关断。经过比较可以发现单项全控桥式整流电路更加稳定，效率更高，故选用方案二。武汉理工大学《电力电子技术》课程设计说明书33设计原理与方法1晶闸管的介绍晶管又称为晶体闸流管，可控硅整流（SiliconControlledRectifier--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。晶闸管有螺栓型和平板型两种封装引出阳极A、阴极K和门极（或称栅极）G三个联接端。对于螺栓型封装，通常螺栓是其阳极，能与散热器紧密联接且安装方便平板型封装的晶闸管可由两个散热器将其夹在中间内部结构:四层三个结如图1.1图1.1晶闸管的外形、内部结构、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2)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1.2（右）所示的两个晶闸管T1（P1-N1-P2）和（N1-P2-N2）组成的等效电路。武汉理工大学《电力电子技术》课程设计说明书4图1.2晶闸管的内部结构和等效电路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ＩＧ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，晶闸管才被称为半控型器件。其他几种可能导通的情况：①阳极电压升高至相当高的数值造成雪崩效应②阳极电压上升率du/dt过高③结温较高④光直接照射硅片，即光触发：光控晶闸管只有门极触发是最精确、迅速而可靠的控制手段。2可关断晶闸管可关断晶闸管简称GTO。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1.3。和普通晶闸管不同，GTO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GTO元胞的阴极和门极在器件内部并联在一起，使器件的功率可以到达相当大的数值。武汉理工大学《电力电子技术》课程设计说明书5图1.3GTO的结构、等效电路和图形符号1)可关断晶闸管的工作原理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晶闸管的派生器件在晶闸管的家族中，除了最常用的普通型晶闸管之外，根据不同的的实际需要，珩生出了一系列的派生器件，主要有快速晶闸管（FST）、双向晶闸管（TRIAL）、可关断晶闸管（GTO）、逆导晶闸管、（RCT）和光控晶闸管。可关断晶闸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。故我们选择可关断晶闸管。武汉理工大学《电力电子技术》课程设计说明书64辅助电路的设计1驱动电路的设计1触发电路的论证与选择1)单结晶体管的工作原理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b1和b2。在硅片中间略偏b2一侧用合金法制作一个P区作为发射极e。其结构，符号和等效电如图2.1所示。图2.12)单结晶体管的特性从图一可以看出，两基极b1和b2之间的电阻称为基极电阻。Rbb=rb1+rb2式中：Rb1——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，b1间加上正电压Vbb，则A点电压为：VA=[rb1/（rb1+rb2）]vbb=（rb1/rbb）vbb=ηVbb式中：η——称为分压比，其值一般在0.3—0.85之间，如果发射极电压VE由零逐渐增加，就可测得单结晶体管的伏安特性，见图2.2：武汉理工大学《电力电子技术》课程设计说明书7图2.2单结晶体管的伏安特性（1）当Ve〈ηVbb时，发射结处于反向偏置，管子截止，发射极只有很小的漏电流Iceo。（2）当Ve≥ηVbb+VDVD为二极管正向压降（约为0.7V），PN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Ip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=ηVbb。（3）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，称为谷点电压Vv和谷点电流Iv。（4）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uc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Ve〈Vv，管子重新截止。单结晶体管的主要参数①基极间电阻Rbb发射极开路时，基极b1，b2之间的电阻，一般为2-10千欧，其数值随温度的上升而增大。②分压比η由管子内部结构决定的参数，一般为0.3--0.85。③eb1间反向电压Vcb1b2开路，在额定反向电压Vcb2下，基极b1与发射极e之间的反向耐压。④反向电流Ieob1开路，在额定反向电压Vcb2下，eb2间的反向电流。⑤发射极饱和压降Veo在最大发射极额定电流时，eb1间的压降。⑥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。武汉理工大学《电力电子技术》课程设计说明书82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要求：①触发信号可为直流、交流或脉冲电压。②触发信号应有足够的功率（触发电压和触发电流）。③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。④触发脉冲必须与晶闸管的阳极电压同步，脉冲移相范围必须满足电路要求。1)单结晶体管触发电路由单结晶体管构成的触发电路具有简单、可靠、抗干扰能力强、温度补偿性能好，脉冲前沿徒等优点，在容量小的晶闸管装置中得到了广泛应用。他由自激震荡、同步电源、移相、脉冲形成等部分组成，电路图如图2.3（a）所示。2)单结晶体管自激震荡电路利用单结晶体管的负阻特性与RC电路的充放电可组成自激振荡电路，产生频率可变的脉冲。从图2.3（a）可知，经D1-D2整流后的直流电源UZ一路径R2、R1加在单结晶体管两个基极b1、b2之间，另一路通过Re对电容C充电，发射极电压ue=uc按指数规律上升。Uc刚冲点到大于峰点转折电压Up的瞬间，管子e-b1间的电阻突然变小，开始导通。电容C开始通过管子e-b1迅速向R1放电，由于放电回路电阻很小，故放电时间很短。随着电容C放电，电压Ue小于一定值，管子BT又由导通转入截止，然后电源又重新对电容C充电，上述过程不断重复。在电容上形成锯齿波震荡电压，在R1上得到一系列前沿很陡的触发尖脉冲us，如图2.3（b）所示，武汉理工大学《电力电子技术》课程设计说明书9图2.3单结晶体管触发电路及波形其震荡频率为f=1/T=1/ReCLn(1/1-η)式中η=0.3～0.9是单