論文單相橋式全控整流電路的設(shè)計(jì)

1、單相橋式全控整流電路的設(shè)計(jì)摘 要電力電子學(xué)主要研究各種電力電子器件，以及由這些電力電子器件所構(gòu)成的各式各樣的電路或裝置，以完成對(duì)電能的變換和控制。它既是電子學(xué)在強(qiáng)電(高電壓、大電流)或電工領(lǐng)域的一個(gè)分支，又是電工學(xué)在弱電(低電壓、小電流)或電子領(lǐng)域的一個(gè)分支，或者說(shuō)是強(qiáng)弱電相結(jié)合的新科學(xué)。電力電子學(xué)是橫跨“電子”、“電力”和“控制”三個(gè)領(lǐng)域的一個(gè)新興工程技術(shù)學(xué)科。隨著科學(xué)技術(shù)的日益發(fā)展,人們對(duì)電路的要求也越來(lái)越高,由于在生產(chǎn)實(shí)際中需要大小可調(diào)的直流電源,而相控整流電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制方便、性能穩(wěn)定,利用它可以方便地得到大中、小各種容量的直流電能,是目前獲得直流電能的主要方法,得到了廣泛應(yīng)用。在電

2、能的生產(chǎn)和傳輸上，目前是以交流電為主。電力網(wǎng)供給用戶的是交流電，而在許多場(chǎng)合，例如電解、蓄電池的充電、直流電動(dòng)機(jī)等，需要用直流電。要得到直流電，除了直流發(fā)電機(jī)外，最普遍應(yīng)用的是利用各種半導(dǎo)體元件產(chǎn)生直流電。這個(gè)方法中，整流是最基礎(chǔ)的一步。整流，即利用具有單向?qū)щ娞匦缘钠骷?，把方向和大小交變的電流變換為直流電。整流的基礎(chǔ)是整流電路。由于電力電子技術(shù)是將電子技術(shù)和控制技術(shù)引入傳統(tǒng)的電力技術(shù)領(lǐng)域，利用半導(dǎo)體電力開(kāi)關(guān)器件組成各種電力變換電路實(shí)現(xiàn)電能和變換和控制，而構(gòu)成的一門(mén)完整的學(xué)科。整流電路應(yīng)用非常廣泛，而單相全控橋式晶閘管整流電路又有利于夯實(shí)基礎(chǔ)，故我們將單結(jié)晶體管觸發(fā)的單相晶閘管全控整流電路這一

3、課題作為這一課程的課程設(shè)計(jì)的課題。關(guān)鍵詞：?jiǎn)蜗?，橋式，全控?錄摘 要11. 工作原理11.1 IGBT的簡(jiǎn)介11.1.1 IGBT的概述11.1.2 IGBT的基本特性11.1.3 IGBT的參數(shù)特點(diǎn)21.2 單相橋式全控整流電路的基本原理31.2.1 電路組成31.2.2 工作原理32. 電路總體設(shè)計(jì)52.1 總電路圖52.2 確定各器件參數(shù)52.2.1 參數(shù)關(guān)系52.2.2 參數(shù)的計(jì)算62.3 晶閘管的選擇73. 觸發(fā)電路的設(shè)計(jì)84. 工作過(guò)程及參數(shù)設(shè)定94.1工作過(guò)程94.2 參數(shù)設(shè)定和仿真圖94.2.1 觸發(fā)角為94.2.2 觸發(fā)角為115. 心得體會(huì)12參 考 文 獻(xiàn)13單相橋式全

4、控整流電路的設(shè)計(jì)11. 工作原理1.1 IGBT的簡(jiǎn)介1.1.1 IGBT的概述IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，絕緣柵雙極型功率管，是由BJT(雙極型三極管)和MOS(絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管)組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動(dòng)式電力電子器件, 兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導(dǎo)通壓降兩方面的優(yōu)點(diǎn)。GTR飽和壓降低，載流密度大，但驅(qū)動(dòng)電流較大;MOSFET驅(qū)動(dòng)功率很小，開(kāi)關(guān)速度快，但導(dǎo)通壓降大，載流密度小。IGBT綜合了以上兩種器件的優(yōu)點(diǎn)，驅(qū)動(dòng)功率小而飽和壓降低。非常適合應(yīng)用于直流電壓為600V及以上的變流系統(tǒng)如交流電機(jī)、變頻器、開(kāi)關(guān)電源、照明電路、牽引傳

5、動(dòng)等領(lǐng)域.正式商用的IGBT器件的電壓和電流容量還很有限，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足電力電子應(yīng)用技術(shù)發(fā)展的需求；高壓領(lǐng)域的許多應(yīng)用中，要求器件的電壓等級(jí)達(dá)到10KV以上，目前只能通過(guò)IGBT高壓串聯(lián)等技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)高壓應(yīng)用。國(guó)外的一些廠家如瑞士ABB公司采用軟穿通原則研制出了8KV的IGBT器件，德國(guó)的EUPEC生產(chǎn)的6500V/600A高壓大功率IGBT器件已經(jīng)獲得實(shí)際應(yīng)用，日本東芝也已涉足該領(lǐng)域。與此同時(shí)，各大半導(dǎo)體生產(chǎn)廠商不斷開(kāi)發(fā)IGBT的高耐壓、大電流、高速、低飽和壓降、高可靠性、低成本技術(shù)，主要采用1m以下制作工藝，研制開(kāi)發(fā)取得一些新進(jìn)展。圖1-1 IGBT等效電路和電氣圖形符號(hào)1.1.2 IGBT的

6、基本特性IGBT的基本特性分為動(dòng)態(tài)特性和靜態(tài)特性。單相橋式全控整流電路的設(shè)計(jì)3IGBT 的靜態(tài)特性主要有伏安特性、轉(zhuǎn)移特性和開(kāi)關(guān)特性。 IGBT 的伏安特性是指以柵源電壓為參變量時(shí)，漏極電流與柵極電壓之間的關(guān)系曲線。輸出漏極電流比受柵源電壓 的控制，越高，Id 越大。它與GTR 的輸出特性相似也可分為飽和區(qū)1 、放大區(qū)2 和擊穿特性3 部分。在截止?fàn)顟B(tài)下的IGBT ，正向電壓由J2 結(jié)承擔(dān)，反向電壓由J1結(jié)承擔(dān)。如果無(wú)N+ 緩沖區(qū)，則正反向阻斷電壓可以做到同樣水平，加入N+緩沖區(qū)后，反向關(guān)斷電壓只能達(dá)到幾十伏水平，因此限制了IGBT 的某些應(yīng)用范圍。 IGBT 的轉(zhuǎn)移特性是指輸出漏極電流Id

7、與柵源電壓之間的關(guān)系曲線。它與MOSFET 的轉(zhuǎn)移特性相同，當(dāng)柵源電壓小于開(kāi)啟電壓時(shí)，IGBT 處于關(guān)斷狀態(tài)。在IGBT 導(dǎo)通后的大部分漏極電流范圍內(nèi)， Id 與呈線性關(guān)系。最高柵源電壓受最大漏極電流限制，其最佳值一般取為15V左右。 IGBT 的開(kāi)關(guān)特性是指漏極電流與漏源電壓之間的關(guān)系。IGBT 處于導(dǎo)通態(tài)時(shí)，由于它的PNP 晶體管為寬基區(qū)晶體管，所以其值極低。盡管等效電路為達(dá)林頓結(jié)構(gòu)，但流過(guò)MOSFET 的電流成為IGBT 總電流的主要部分。IGBT動(dòng)態(tài)特性在開(kāi)通過(guò)程中，大部分時(shí)間是作為MOSFET 來(lái)運(yùn)行的，只是在漏源電壓下降過(guò)程后期，PNP晶體管由放大區(qū)至飽和，又增加了一段延遲時(shí)間。t

8、(on)為開(kāi)通延遲時(shí)間，為電流上升時(shí)間。實(shí)際應(yīng)用中常給出的漏極電流開(kāi)通時(shí)間t(on)即為t(on)之和。漏源電壓的下降時(shí)間由tfe1 和tfe2 組成。 IGBT的觸發(fā)和關(guān)斷要求給其柵極和基極之間加上正向電壓和負(fù)向電壓，柵極電壓可由不同的驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生。當(dāng)選擇這些驅(qū)動(dòng)電路時(shí)，必須基于以下的參數(shù)來(lái)進(jìn)行：器件關(guān)斷偏置的要求、柵極電荷的要求、耐固性要求和電源的情況。因?yàn)镮GBT柵極- 發(fā)射極阻抗大，故可使用MOSFET驅(qū)動(dòng)技術(shù)進(jìn)行觸發(fā)，不過(guò)由于IGBT的輸入電容較MOSFET為大，故IGBT的關(guān)斷偏壓應(yīng)該比許多MOSFET驅(qū)動(dòng)電路提供的偏壓更高。 IGBT在關(guān)斷過(guò)程中，漏極電流的波形變?yōu)閮啥巍Ｒ驗(yàn)镸O

9、SFET關(guān)斷后，PNP晶體管的存儲(chǔ)電荷難以迅速消除，造成漏極電流較長(zhǎng)的尾部時(shí)間，td(off)為關(guān)斷延遲時(shí)間,為電壓的上升時(shí)間。IGBT的開(kāi)關(guān)速度低于MOSFET，但明顯高于GTR。IGBT在關(guān)斷時(shí)不需要負(fù)柵壓來(lái)減少關(guān)斷時(shí)間，但關(guān)斷時(shí)間隨柵極和發(fā)射極并聯(lián)電阻的增加而增加。IGBT的開(kāi)啟電壓約34V，和MOSFET相當(dāng)。IGBT導(dǎo)通時(shí)的飽和壓降比MOSFET低而和GTR接近，飽和壓降隨柵極電壓的增加而降低。1.1.3 IGBT的參數(shù)特點(diǎn)（1）開(kāi)關(guān)速度高，開(kāi)關(guān)損耗小。在電壓1000V以上時(shí)，開(kāi)關(guān)損耗只有GTR的1/10，與電力MOSFET相當(dāng) 。（2）相同電壓和電流定額時(shí)，安全工作區(qū)比GTR大，且

10、具有耐脈沖電流沖擊能力 。單相橋式全控整流電路的設(shè)計(jì)15（3）通態(tài)壓降比VDMOSFET低，特別是在電流較大的區(qū)域。（4）輸入阻抗高，輸入特性與MOSFET類(lèi)似 。（5）與MOSFET和GTR相比，耐壓和通流能力還可以進(jìn)一步提高，同時(shí)保持開(kāi)關(guān)頻率高的特點(diǎn)。1.2 單相橋式全控整流電路的基本原理1.2.1 電路組成該電路為單相橋式全控整流電路，由變壓器四個(gè)晶閘管電感及電阻組成，如圖1-2所示。圖1-2 單相橋式全控整流電路圖帶阻感負(fù)載1.2.2 工作原理第一階段：在U2正半波的（0）區(qū)間： 晶閘管VT1、VT4承受正壓，但無(wú)觸發(fā)脈沖，處于關(guān)斷狀態(tài)。假設(shè)電路已工作在穩(wěn)定狀態(tài)，則在0區(qū)間由于電感釋放

11、能量，晶閘管VT2、VT3維持導(dǎo)通。第二階段：在U2正半波的時(shí)刻及以后：在處觸發(fā)晶閘管VT1、VT4使其導(dǎo)通，電流沿aVT1LRVT4bTr的二次繞組a流通，此時(shí)負(fù)載上有輸出電壓（）和電流。電源電壓反向加到晶閘管VT2、VT3上，使其承受反壓而處于關(guān)斷狀態(tài)。第三階段：在U2負(fù)半波的（+）區(qū)間：當(dāng)時(shí)，電源電壓自然過(guò)零，感應(yīng)電勢(shì)使晶閘管VT1、VT4繼續(xù)導(dǎo)通。在電壓負(fù)半波，晶閘管VT2、VT3承受正壓，因無(wú)觸發(fā)脈沖，VT2、VT3處于關(guān)斷狀態(tài)。第四階段：在U2負(fù)半波的=+時(shí)刻及以后：在=+處觸發(fā)晶閘管VT2、VT3使其導(dǎo)通，電流沿bVT3LRVT2aTr的二次繞組b流通，電源電壓沿正半周期的方向施

12、加到負(fù)載上，負(fù)載上有輸出電壓（）和電流。此時(shí)電源電壓反向加到VT1、VT4上，使其承受反壓而變?yōu)殛P(guān)斷狀態(tài)。晶閘管VT2、VT3一直要導(dǎo)通到下一周期wt=2+處再次觸發(fā)晶閘管VT1、VT4為止。90º輸出電壓波形正負(fù)面積相同，平均值為零，所以移相范圍是090º。控制角在090º之間變化時(shí)，晶閘管導(dǎo)通角=，導(dǎo)通角與控制角無(wú)關(guān)。1.2.3 電路分析 在U2正半周期，觸發(fā)角處給晶閘管VT1和VT4加觸發(fā)脈沖使其開(kāi)通,Ud=U2。負(fù)載中有電感存在是負(fù)載電流不能突變，電感對(duì)負(fù)載電流起平波作用，假設(shè)負(fù)載電感很大，負(fù)載電流連續(xù)，且波形近似為一水平線。U2過(guò)零變負(fù)時(shí)，由于電感的作用

13、晶閘管VT1和VT4中仍流過(guò)電流id，并不關(guān)斷。 至wt=+時(shí)刻，給VT2和VT3加觸發(fā)脈沖，VT2和VT3承受正向電壓導(dǎo)通。U2通過(guò)VT2和VT3分別向VT1和VT4施加反壓使VT1和VT4關(guān)斷，流過(guò)VT1和VT4的電流迅速轉(zhuǎn)移到VT2和VT3上，此過(guò)程稱(chēng)為換相，亦稱(chēng)換流。 圖1-3 單相橋式全控整流電路帶阻感負(fù)載電路波形2. 電路總體設(shè)計(jì)2.1 總電路圖 圖2-1 單相橋式全控整流電路的設(shè)計(jì)2.2 確定各器件參數(shù)2.2.1 參數(shù)關(guān)系(1) 輸出電壓平均值和輸出電流平均值(2) 晶閘管的電流平均值和有效值(3) 輸出電流有效值I和變壓器二次電流有效值(4) 晶閘管所承受的最大正向電壓和反向電

14、壓均為：2.2.2 參數(shù)的計(jì)算(1). 在阻感負(fù)載下電流連續(xù)，整流輸出電壓的平均值為(2). 變壓器二次側(cè)輸出電壓為(3). 整流輸出電流平均值為(4). 變壓器二次側(cè)電流為(5). 電阻為(6). 晶閘管承受的最大反向電壓為(7). 晶閘管的額定電壓為(8). 流過(guò)晶閘管電流有效值為(9). 晶閘管的額定電流為(10). U1=220V U2=100V變壓器變比為K=U1/U2=220/100=2.22.3 晶閘管的選擇(1) 額定電壓通常取和中較小的，再取靠近標(biāo)準(zhǔn)的電壓等級(jí)作為晶閘管型的額定電壓。在選用管子時(shí)，額定電壓應(yīng)為正常工作峰值電壓的23倍，以保證電路的工作安全。(2) 額定電流(A

15、V) (AV) 又稱(chēng)為額定通態(tài)平均電流。其定義是在室溫40°和規(guī)定的冷卻條件下，元件在電阻性負(fù)載流過(guò)正弦半波、導(dǎo)通角不小于170°的電路中，結(jié)溫不超過(guò)額定結(jié)溫時(shí)，所允許的最大通態(tài)平均電流值。將此電流按晶閘管標(biāo)準(zhǔn)電流取相近的電流等級(jí)即為晶閘管的額定電流。在實(shí)際使用時(shí)不論流過(guò)管子的電流波形如何、導(dǎo)通角多大，只要其最大電流有效值不大于額定電流的有效值,散熱冷卻符合規(guī)定，則晶閘管的發(fā)熱、溫升就能限制在允許的范圍。在實(shí)際使用時(shí)不論流過(guò)管子的電流波形如何、導(dǎo)通角多大，只要其最大電流有效值不大于額定電流的有效值,散熱冷卻符合規(guī)定，則晶閘管的發(fā)熱、溫升就能限制在允許的范圍。晶閘管的額定電壓

16、和晶閘管的額定電流為3. 觸發(fā)電路的設(shè)計(jì)觸發(fā)電路對(duì)其產(chǎn)生的觸發(fā)脈沖要求：(1) 觸發(fā)信號(hào)可為直流、交流或脈沖電壓。 (2) 觸發(fā)信號(hào)應(yīng)有足夠的功率。(3) 觸發(fā)脈沖應(yīng)有一定的寬度，脈沖的前沿盡可能陡，以使元件在觸發(fā)導(dǎo)通后，陽(yáng)極電流能迅速上升超過(guò)掣住電流而維持導(dǎo)通。(4) 觸發(fā)脈沖必須與晶閘管的陽(yáng)極電壓同步，脈沖移相范圍必須滿足電路要求。 (5) 觸發(fā)脈沖與主電路電源必須同步。為了使晶閘管在每一個(gè)周期都以相同的控制角被觸發(fā)導(dǎo)通，觸發(fā)脈沖必須與電源同步，兩者的頻率應(yīng)該相同，而且要有固定的相位關(guān)系，以使每一周期都能在同樣的相位上觸發(fā)。4. 工作過(guò)程及參數(shù)設(shè)定4.1工作過(guò)程假設(shè)電路已工作于穩(wěn)態(tài)，的平均

17、值不變。在的正半周期，觸發(fā)角處給晶閘管和加觸發(fā)脈沖使其開(kāi)通，等于。負(fù)載中有電感存在使負(fù)載電流不能突變，電感對(duì)負(fù)載電流起平波作用，假設(shè)負(fù)載電感很大，負(fù)載電流連續(xù)且波形近似為一水平線，過(guò)零變負(fù)時(shí)，由于電感的作用晶閘管、中仍過(guò)電流，并不關(guān)斷。至?xí)r刻，給和加觸發(fā)脈沖，因和本已承受正電壓，故兩管導(dǎo)通。和導(dǎo)通后，通過(guò)和分別向和施加反壓使和關(guān)斷，流過(guò)和的電流迅速轉(zhuǎn)移到和上，此過(guò)程稱(chēng)為換向，亦稱(chēng)換流。至下一周期重復(fù)上述過(guò)程，如此循環(huán)下去。4.2 參數(shù)設(shè)定和仿真圖4.2.1 觸發(fā)角為圖4-1 觸發(fā)角設(shè)計(jì)圖4-2 脈沖波形圖 圖4-3 電壓及電流波形4.2.2 觸發(fā)角為圖4-4 觸發(fā)角設(shè)計(jì)圖4-5 脈沖波形圖 圖4-6 電壓及電流波形5. 心得體會(huì)通過(guò)這次對(duì)單相橋式全控整流電路的課程設(shè)計(jì)，讓我對(duì)整流電路有了更加清晰的認(rèn)識(shí)，同時(shí)我也學(xué)會(huì)了用一些基本元部件進(jìn)行建模的基本方法，加深了對(duì)課本知識(shí)的進(jìn)一步理解。這次課程設(shè)計(jì)應(yīng)用到PSIM軟件，設(shè)計(jì)時(shí)借助PSIM軟件進(jìn)行系統(tǒng)模型仿真，用該