第1章 绪论

1.1 电力电子技术概况

电力电子学,又称功率电子学(Power Electronics)。它主要研究各种电力电子器件，以及由这些电力电子器件所构成的各式各样的电路或装置，以完成对电能的变换和控制。它既是电子学在强电(高电压、大电流)或电工领域的一个分支，又是电工学在弱电(低电压、小电流)或电子领域的一个分支，或者说是强弱电相结合的新科学。电力电子学是横跨“电子”、“电力”和“控制”三个领域的一个新兴工程技术学科。

    随着科学技术的日益发展,人们对电路的要求也越来越高,由于在生产实际中需要大小可调的直流电源,而相控整流电路结构简单、控制方便、性能稳定,利用它可以方便地得到大中、小各种容量的直流电能,是目前获得直流电能的主要方法,得到了广泛应用。但是晶杂管相控整流电路中随着触发角α的增大，电流中谐波分量相应增大，因此功率因素很低。把逆变电路中的SPWM控制技术用于整流电路，就构成了PWM整流电路。通过对PWM整流电路的适当控制，可以使其输入电流非常接近正弦波，且和输入电压同相位，功率因素近似为1。这种整流电路称为高功率因素整流器，它具有广泛的应用前景

    由于电力电子技术是将电子技术和控制技术引入传统的电力技术领域，利用半导体电力开关器件组成各种电力变换电路实现电能和变换和控制，而构成的一门完整的学科。故其学习方法与电子技术和控制技术有很多相似之处，因此要学好这门课就必须做好实验和课程设计，因而我们进行了此次课程设计。又因为整流电路应用非常广泛，而锯齿波移相触发三相晶闸管全控整流电路又有利于夯实基础，故我们单结晶体管触发的单相晶闸管全控整流电路这一课题作为这一课程的课程设计的课题。

1.2 本文设计内容

  设计任务和要求：

（1）、设计任务：

   1、进行设计方案的比较，并选定设计方案；

   2、完成单元电路的设计和主要元器件说明；

   3、完成主电路的原理分析,各主要元器件的选择；

   4、驱动电路的设计,保护电路的设计； 

（2）、设计要求： 

     单相桥式相控整流的设计要求为：

     负载为感性负载,L=700mH,R=500欧姆.

（3）、技术要求:

   1、电网供电电压为单相220V；

   2、电网电压波动为 5%－-10%；

   3、输出电压为0～100V.

第二章  总体设计方案

2.1、 方案的选择

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

    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

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3：单相半波可控整流电路：

电路简图如下：

图 1.6

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

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）。

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、主体电路的设计

主要电路原理及说明

总的设计方案

                                      图2.1 总体框图

主电路为单相桥式整流电路，其目的将220V交流电源输入整流为0-110V可调，输入到直流电动机。其过程需保护电路部分，采用过电压过电流保护以保证电路安全。控制电路触发器的设计采用晶闸管、锯齿波等触发。采用以上设计，使得整个电路具有结构简单，控制方便等优点。

2.3 主电路的设计

主电路原理图及其工作波形

（1）电阻性负载：

晶闸管VT1和VT4，VT2和VT3分别组成一对臂桥。在正半周，若4个晶闸管均不导通，负载电流id为零，ud也为零，VT1，VT4串联承受电压u2的一半。若在触发角施加脉冲，VT1和VT4即导通，电流从电源经VT1、R、VT4流回电源。当u2过零时，经晶闸管的电流也降到零，VT1和VT4关断。

图2.2主电路原理图

电阻性负载时输出波形：

 图2.3主电路原理图

（2）电感性负载：

在u2的正半周期，触发角给晶闸管VT1和VT4加触发脉冲时期开通，ud=u2.负载中有电感存在使负载电流不能突变。u2过零变负时，由于电感的作用晶闸管VT1和VT4中仍流过电流id，并不关断。至时刻，给VT2和VT3加触发脉冲，两管导通。u2通过VT2和VT3分别向VT1和VT4施加反压使VT1和VT4关断，流过VT1和VT4的电流迅速转移到VT2和VT3上。

 图2.4主电路原理图

电感型负载时输出波形：

 图2.5电感负载输出波形图

（3）带反电动势负载：

当忽略主电路各部分的电感时，只有在U2瞬间值的绝对值大于反电动势即时，才能有晶闸管承受正电压，有导通的可能。晶闸管导通后，Ud=U2，，直至，id即降至0使得晶闸管关断，此后Ud=E。与电阻负载时相比，晶闸管提前的电角度停止导电。

             图2.6主电路原理图

带反电动势负载时输出波形：

            图2.7反电动势输出波形

第3章  触发电路的选择与设计

3.1 晶闸管的触发电路

常见的晶闸管触发电路

       图3.1晶体管触发电路

由V1、V2构成的脉冲放大环节和脉冲变压器TM和附属电路构成的脉冲输出环节两部分组成。当V1、V2导通时，通过脉冲变压器向晶闸管的门极和阴极之间输出触发脉冲。VD1和R3是为了V1、V2由导通变为截止时脉冲变压器TM释放其储存的能量而设的。 为了获得触发脉冲波形中的强脉冲部分，还需适当附加其它电路环节。 

晶闸管触发电路应满足下列要求

（1）触发脉冲的宽度应该保证晶闸管的可靠导通，对感性和反电动势负载的变流器采用宽脉冲或脉冲列触发，对变流器的启动，双星型带平衡电抗器电路的触发脉冲应该宽于30°，三相全控桥式电路应小于60°或采用相隔60°的双窄脉冲。

（2）脉冲触发应有足够的幅度，对户外寒冷场合，脉冲电流的幅度应增大为器件最大触发电流的3—5倍，脉冲前沿的陡度也要增加。一般需达1-2A/us

（3）所提供的触发脉冲不应超过晶闸管门极的电压、电流和额定功率，且在门极伏安特性的可靠触发区域之内。

（4）应有良好的抗干扰性能、温度稳定性及主电路的电气隔离。

 3.2锯齿波的触发电路

图3.2锯齿波触发电路

电路输出可为双窄脉冲（适用于有两个晶闸管同时导通的电路），也可为单窄脉冲。三个基本环节：脉冲的形成与放大、锯齿波的形成和脉冲移相、同步环节。此外，还有强触发和双窄脉冲形成环节。

（1）脉冲形成环节

    由晶体管V4、V5组成，V7、V8起脉冲放大作用。 

    控制电压uco加在V4基极上。电路的触发脉冲由脉冲变压器TP二次侧输出，其一次绕组接在V8集电极电路中。

    脉冲前沿由V4导通时刻确定，脉冲宽度与反向充电回路时间常数R11C3有关。

（2）锯齿波的形成和脉冲移相环节

    锯齿波电压形成的方案较多，如采用自举式电路、恒流源电路等，本电路采用恒流源电路。 

    恒流源电路方案由V1、V2、V3和C2等元件组成，其中V1、VS、RP2和R3为一恒流源电路

（3）同步环节

触发电路与主电路的同步是指要求锯齿波的频率与主电路电源的频率相同且相位关系确定。 锯齿波是由开关V2管来控制的，V2开关的频率就是锯齿波的频率——由同步变压器所接的交流电压决定。V2由导通变截止期间产生锯齿波——锯齿波起点基本就是同步电压由正变负的过零点。V2截止状态持续的时间就是锯齿波的宽度——取决于充电时间常数R1C1。

双窄脉冲形成环节

  内双脉冲电路：每个触发单元的一个周期内输出两个间隔60 的脉冲的电路。V5、V6构成一个“或”门，当V5、V6都导通时，V7、V8都截止，没有脉冲输出。只要V5、V6有一个截止，都会使V7、V8导通，有脉冲输出。 第一个脉冲由本相触发单元的uco对应的控制角 产生。隔60 的第二个脉冲是由滞后60 相位的后一相触发单元产生（通

过V6）。

   在三相桥式全控整流电路中，器件的导通次序为VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6，彼此间隔60 ，相邻器件成双接通，所以某个器件导通的同时，触发单元需要给前一个导通的器件补送一个脉冲。 

最终输出的脉冲波形为：

                      图3.3输出脉冲波形

锯齿波同步触发脉冲不受电网电压波动与波形畸变的直接影响，抗干扰能力强，而且移相范围宽。（所以我选取该触发器做设计。）

3.3集成化晶闸管移相触发电路

 随着电力电子技术及微电子技术的发展，集成化晶闸管触发电路已得到广泛应用。集成化触发电路具有体积小、功耗小、性能稳定可靠、使用方便等优点。相控集成触发器主要有KC系列和KJ系列，广泛应用于晶闸管电力拖动系统、整流供电装置、交流无触点开关，以及交流和直流的调压、调速、调光等领域。下面介绍KJ004晶闸管移相触发电路的

工作原理。

集成触发器KJ004

图3.4 KJ004电路原理图

集成电路可靠性高，技术性能好，体积小，功耗低，调试方便，已逐步取代分立式电路。 KJ004与分立元件的锯齿波移相触发电路相似,分为同步、锯齿波形成、移相、脉冲形成、脉冲分选及脉冲放大几个环节。

其脉冲输出波形为右图所示：                         

                                                     图3.5脉冲输出波形

第4章 保护电路的设计

电力电子系统在发生故障时可能会发生过流、过压，造成开关器件的永久性损坏。过流、过压保护包括器件保护和系统保护两个方面。检测开关器件的电流、电压，保护主电路中的开关器件，防止过流、过压损坏开关器件。检测系统电源输入、输出及负载的电流、电压，实时保护系统，防止系统崩溃而造成事故。例如，R-C阻容吸收回路、限流电感、快速熔断器、压敏电阻或硒堆等。再一种则是采用电子保护电路，检测设备的输出电压或输入电流，当输出电压或输入电流超过允许值时，借助整流触发控制系统使整流桥短时内工作于有源逆变工作状态，从而抑制过电压或过电流的数值。

4.1过电流保护

当电力电子变流装置内部某些器件被击穿或短路；驱动、触发电路或控制电路发生故障；外部出现负载过载；直流侧短路；可逆传动系统产生逆变失败；以及交流电源电压过高或过低；均能引起装置或其他元件的电流超过正常工作电流，即出现过电流。因此，必须对电力电子装置进行适当的过电流保护。

采用快速熔断器作过电流保护，其接线图（见图8.4）。熔断器是最简单的过电流保护元件，但最普通的熔断器由于熔断特性不合适，很可能在晶闸管烧坏后熔断器还没有熔断，快速熔断器有较好的快速熔断特性，一旦发生过电流可及时熔断起到保护作用。最好的办法是晶闸管元件上直接串快熔，因流过快熔电流和晶闸管的电流相同，所以对元件的保护作用最好，这里就应用这一方法快熔抑制过电流电路图如下图所示：

图8.4 快速熔短器的接入方法

A型熔断器

特点：是熔断器与每一个元件串连，能可靠的保护每一个元件。

B型熔断器

特点：能在交流、直流和元件短路时起保护作用，其可靠性稍有降低

C型熔断器

特点：直流负载侧有故障时动作，元件内部短路时不能起保护作用

对于第二类过流，即整流桥负载外电路发生短路而引起的过电流，则应当采用电子电路进行保护。常见的电子保护原理图如8.5所示

图8.5 过流保护原理图

4.2过压保护

设备在运行过程中，会受到由交流供电电网进入的操作过电压和雷击过电压的侵袭。同时，设备自身运行中以及非正常运行中也有过电压出现。

过电压保护的第一种方法是并接R-C阻容吸收回路，以及用压敏电阻或硒堆等非线性元件加以抑制。见图8.5和图8.6

图8.5阻容三角抑制过电压                图8.6 压敏电阻过压                  

过电压保护的第二种方法是采用电子电路进行保护。常见的电子保护原图如图2.7所示：

图8.7过电压保护电路

电流上升率、电压上升率的抑制保护

1)电流上升率di/dt的抑制

晶闸管初开通时电流集中在靠近门极的阴极表面较小的区域，局部电流密度很大，然后以0.1mm/μs的扩展速度将电流扩展到整个阴极面，若晶闸管开通时电流上升率di/dt过大，会导致PN结击穿，必须晶闸管的电流上升率使其在合适的范围内。其有效办法是在晶闸管的阳极回路串联入电感。如下图8.8所示:

图8.8串联电感抑制回路

2)电压上升率dv/dt的抑制

加在晶闸管上的正向电压上升率dv/dt也应有所,如果dv/dt过大，由于晶闸管结电容的存在而产生较大的位移电流，该电流可以实际上起到触发电流的作用，使晶闸管正向阻断能力下降，严重时引起晶闸管误导通。为抑制dv/dt的作用，可以在晶闸管两端并联R-C阻容吸收回路。如图8.9所示：

图8.9并联R-C阻容吸收回

第5章  元器件参数计算选取与总电路图

5.1整流电路参数计算 

 纯电阻负载时：

     由图知晶闸管承受的最大正向电压和反向电压分别为        和        

 整流电压平均值为：

α=0时，Ud= Ud0=0.9U2。α=180 时，Ud=0。可见，α角的移相范围为180 向负载输出的直流电流平均值为： 

流过晶闸管的电流平均值 ：  

流过晶闸管的电流有效值为： 

变压器二次侧电流有效值I2与输出直流电流有效值I相等，为

有上两式得

不考虑变压器的损耗时，要求变压器的容量为S=U2I2。

阻感负载时

整流电压平均值为：

当 =0时，Ud0=0.9U2。 =90 时，Ud=0。晶闸管移相范围为90 。

晶闸管承受的最大正反向电压均为       。 

晶闸管导通角 与 无关，均为180 ，其电流平均值和有效值分别为：        

和                          。

变压器二次侧电流i2的波形为正负各180 的矩形波，其相位由 角决定，有效值

I2=Id。 

5. 2元件型号选择

（1）变压器T的变比为11：1。

（2）晶闸管的选取

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。

内部结构:四层三个结如图2.2

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2.3（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2.2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

图2.3 晶闸管的内部结构和等效电路

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。

只有门极触发是最精确、迅速而可靠的控制手段。

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1.3  GTO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。

2)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。

        整流输出平均电压Ud、电流Id，变压器二次侧电流有效值I2分别为

      Ud＝0.9 U2 cos ＝0.9×220×cos0°＝198V

       I2＝Id＝100(A)

晶闸管承受的最大正反向电压为：

          U＝220   ＝311   （V）

       流过每个晶闸管的电流的有效值为：

       IVT＝Id∕   ＝70.7  （A）

       故晶闸管的额定电压为：

       UN＝(2~3)×311＝622~933（V）

       晶闸管的额定电流为：

       IN＝(1.5~2)×70.7∕1.57＝67.5~90.1（A）

其型号为KP100-4。

（3）快速熔断器的选择

IRN=70.7A

可选用RSF-1 500/80型号的。

其额定电压500V，额定电流80A。

（4）压敏电阻的选择

漏电流为1mA时的额定电压U1mA应大于等于1.3U。U为压敏电阻两端正常工作电压的有效值； 可选择MY31-410/3 普通型压敏电阻器，其标称电压410V，通流容量为3KA。

（5）并联于晶闸管两端的RC为： R2 =20Ω, C2=0.25μf。

（6）电感L的作用是平波，防止电流发生断续现象。其值要足够大。

根据公式                                 =6.3H      

经计算下图中R1=5Ω，C1=13.6μf。

5.3电路总接线图

                        图5.1电路总结线图

                    图5.2单相桥式整流电路仿真图

第六章、设计总结

这次的课程设计虽然不是很完美，但他却让我真正学到了很多东西，使我受益匪浅。

    通过这次的课程设计实践使我加深了对整流电路的理解，让我对电力电子该课程产生了浓烈的兴趣。由于平时大家都是学理论，没有过实际开发设计的经验，拿到的时候都不知道怎么做。但通过各方面的查资料并学习，我们基本学会了单相全控桥式整流电路的设计。这次的课程设计是我收获最大的一次，虽然中途遇到了不少困难，但还是被我逐步解决了。每次做课程设计我都感觉比较棘手，因为它不单是要求你单纯地完成一个题目，而是要求你对所学的知识都要弄懂，并且能将其贯穿起来，是综合性比较强的，尽管如此，我还是迎难而上了，首先把设计任务搞清，不能盲目地去做，你连任务都不清楚从何做起呢，接下来就是找相关资料，我每天除了上图书馆就是在网上找资料，然后对资料进行整理，找资料说起来好像很简单，但真正做起来是需要耐心的，不是你所找的就一定是有用的，所以这个过程中要花费一些时间做看似无用功的事，其实不尽然，这其中也拓展了你的知识面。通过合作，我们的合作意识得到加强，合作能力得到提高。上大学后，很多同学都没有过深入的交流，在设计的过程中，我们用了分工与合作的方式，每个人互责一定的部分，同时在一定的阶段共同讨论，以解决分工中个人不能解决的问题，在交流中大家积极发言，和提出意见，同时我们还向别的同学请教。有很多设计理念来源于实际，从中找出最适合的设计方法。 虽然本次课程设计是要求自己完成，但是，彼此还是脱离不了集体的力量，遇到问题和同学互相讨论交流。多和同学讨论。我们在做课程设计的过程中要不停的讨论问题，这样，我们可以尽可能的统一思想，这样就不会使自己在做的过程中没有方向，并且这样也是为了方便最后设计和在一起。讨论不仅是一些思想的问题，还可以深入的讨论一些技术上的问题，这样可以使自己的处理问题要快一些，少走弯路。

    我相信我们每个人都从这次课程设计中学到了很多，我们也只有在实践中才能提高得更快！实践是我们接触社会的平台，也很感谢老师给了我们每个人这么好的学习机会！

参考文献

黄俊.半导体变流技术.第二版.北京：机械工业出版社，1980

莫正康.半导体变流技术.北京：机械工业出版社，1999

叶斌.电力电子应用技术及装置.北京：中国铁道出版社，1999

王维平.现代电力电子技术及其应用.南京.：东南大学出版社，2000下载本文