单相桥式整流电路设计..

单相桥式整流电路设计11单相桥式整流电路设计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。单相半控整流电路的优点是：线路简单、调整方便。弱点是：输出电压脉动冲大，负载电流脉冲大（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。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，在相同的负载下流过晶闸管的平均电流减小一半；且功率因数提高了一半。单相半波相控整流电路因其性能较差，实际中很少采用，在中小功率场合采用更多的是单相全控桥式整流电路。根据以上的比较分析因此选择的方案为单相全控桥式整流电路（负载为阻感性负载）。1.1元器件的选择1.1.1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单相桥式整流电路设计2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。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单相桥式整流电路设计3②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。1.1.2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。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。1.1.3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）、双向晶闸管单相桥式整流电路设计4（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。1.2整流电路我们知道，单相整流器的电路形式是各种各样的，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1：单相桥式半控整流电路电路简图如下：图1.4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2：单相桥式全控整流电路电路简图如下：图1.5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，正负两个单相桥式整流电路设计5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3：单相半波可控整流电路电路简图如下：图1.6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4：单相全波可控整流电路：电路简图如下：图1.7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。根据以上的比较分析因此选择的方案为单相全控桥式整流电路（负载为阻感性负载）。单相桥式整流电路设计6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。1.3主电路设计图1.8主电路原理图图1.9主电路工作波形图电路如图1.8和图1.9所示。为便于讨论，假设电路已工作于稳态。(1)工作原理单相桥式整流电路设计7在电源电压2u正半周期间，VT1、VT2承受正向电压，若在t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，2u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2u负半周期间，晶闸管VT3、VT4承受正向电压，在t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2t时，电压2u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2，负载电流di才连续，当时2，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20。1.4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2221222sin()cos0.9cosdUUtdtUU(2-1)由设计任务有电感700LmH，电阻500R，220VU2，则输出电压平均值dU的最大值可由下式可求得。20.9cos00.92201198VdUU(2-2)可见，当在2/~0范围内变化时，整流器可在0~198V范围内取值。2.整流输出电压有效值为2221(2sin)()220VUUtdtU(2-3)3.整流输出电流平均值为：22221980.3625362.5(2)500(23.14500.7)ddddUUIAmARRfL22221980.3625362.5(2)500(23.14500.7)ddddUUIAmARRfL(2-4)4.在一个周期内每组晶闸管各导通180°，两组轮流导通，整流变压器二次单相桥式整流电路设计8电流是正、负对称的方波，电流的平均值dI和有效值I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：10.50.36250.18125181.25222TdTdddIIIIAAmA(2-5)110.36250.25636256.362222TTdddIIIIAAmA(2-6)5、晶闸管在导通时管压降Tu=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2u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22U；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2u加到VT1或VT2上，故两个晶闸管承受的最大反向电压也为22U。2辅助电路的设计2.1驱动电路的设计2.1.1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，符号和等效电路如图2.1所示。单相桥式整流电路设计9图2.1单结晶体管2)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：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。单相桥式整流电路设计10（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