單相半控橋式晶閘管整流電路的設(shè)計(jì)

1、.學(xué) 號(hào)：課 程 設(shè) 計(jì)題 目單相半控橋式晶閘管整流電路的設(shè)計(jì)帶續(xù)流二極管阻感負(fù)載學(xué) 院自動(dòng)化專(zhuān) 業(yè)自動(dòng)化班 級(jí)100.班姓 名指導(dǎo)教師許湘蓮2021年12月29日. v.一 課程設(shè)計(jì)的性質(zhì)和目的性質(zhì)：是電氣信息專(zhuān)業(yè)的必修實(shí)踐性環(huán)節(jié)。目的：1、培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用知識(shí)解決問(wèn)題的能力與實(shí)際動(dòng)手能力；2、加深理解"電力電子技術(shù)"課程的根本理論；3、初步掌握電力電子電路的設(shè)計(jì)方法。二 課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容:單相半控橋式晶閘管整流電路的設(shè)計(jì)帶續(xù)流二極管阻感負(fù)載設(shè)計(jì)條件：1、電源電壓：交流100V/50Hz2、輸出功率：500W3、移相X圍0º180º三 課程設(shè)計(jì)根本要求1

2、、兩人一個(gè)題目，按學(xué)號(hào)組合；2、根據(jù)課程設(shè)計(jì)題目，收集相關(guān)資料、設(shè)計(jì)主電路、控制電路；3、用MATLAB/Simulink對(duì)設(shè)計(jì)的電路進(jìn)展仿真；4、撰寫(xiě)課程設(shè)計(jì)報(bào)告畫(huà)出主電路、控制電路原理圖，說(shuō)明主電路的工作原理、選擇元器件參數(shù)，說(shuō)明控制電路的工作原理、繪出主電路典型波形，繪出觸發(fā)信號(hào)驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形，說(shuō)明仿真過(guò)程中遇到的問(wèn)題和解決問(wèn)題的方法，附參考資料；5、通過(guò)辯論。. v.摘 要電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)是在教學(xué)及實(shí)驗(yàn)根底上，對(duì)課程所學(xué)理論知識(shí)的深化和提高。本次課程設(shè)計(jì)要完成單相橋式半控整流電路的設(shè)計(jì)，對(duì)電阻負(fù)載供電，并使輸出電壓在0到180伏之間連續(xù)可調(diào)，由于是半控電路，因此會(huì)用到晶閘管與電力二極

3、管。此外，還要用MATLAB對(duì)設(shè)計(jì)的電路進(jìn)展建模并仿真，得到電壓與電流波形，對(duì)結(jié)果進(jìn)展分析。關(guān)鍵詞：半控 整流 晶閘管. v.目錄1 設(shè)計(jì)的根本要求11.1設(shè)計(jì)的主要參數(shù)及要求：11.2 設(shè)計(jì)的主要功能12總體系統(tǒng)22.1主電路構(gòu)造及其工作原理22.2 參數(shù)計(jì)算23硬件電路43.1 系統(tǒng)總體原理框圖43.2 驅(qū)動(dòng)電路43.2.1 驅(qū)動(dòng)電路方案43.2.2 驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)53.3 保護(hù)電路73.3.1 變壓器二次側(cè)熔斷器73.3.2 晶閘管保護(hù)電流73.4 觸發(fā)電路84 元器件的選擇94.1 晶閘管94.1.1 晶閘管的構(gòu)造與工作原理94.1.2 晶閘管的選擇114.2 電力二極管115 MAT

4、LAB建模與仿真136 心得體會(huì)16參考文獻(xiàn)17. v. v. v.1 設(shè)計(jì)的根本要求1.1設(shè)計(jì)的主要參數(shù)及要求：設(shè)計(jì)條件：1、電源電壓：交流100V/50Hz 2、輸出功率：500W 3、移相X圍0º180º1.2 設(shè)計(jì)的主要功能單相橋式半控整流電路的工作特點(diǎn)是晶閘管觸發(fā)導(dǎo)通，而整流二極管在陽(yáng)極電壓高于陰極電壓時(shí)自然導(dǎo)通。單相橋式整流電路在感性負(fù)載電流連續(xù)時(shí)，當(dāng)相控角<90°時(shí)，可實(shí)現(xiàn)將交流電功率變?yōu)橹绷麟姽β实南嗫卣鳎辉?gt;90°時(shí)，可實(shí)現(xiàn)將直流電返送至交流電網(wǎng)的有源逆變。在有源逆變狀態(tài)工作時(shí)，相控角不應(yīng)過(guò)大，以確保不發(fā)生換相換流失敗事故

5、。 不含續(xù)流二極管的電路具有自續(xù)流能力，但一旦出現(xiàn)異常，會(huì)導(dǎo)致：一只晶閘管與兩只二極管之間輪流導(dǎo)電，其輸出電壓失去控制，這種情況稱(chēng)之為“失控。失控時(shí)的的輸出電壓相當(dāng)于單相半波不可控整流時(shí)的電壓波形。在失控情況下工作的晶閘管由于連續(xù)導(dǎo)通很容易因過(guò)載而損壞。因?yàn)榘雽?dǎo)體本身具有續(xù)流作用，半控電路只能將交流電能轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟娔?，而直流電能不能返回到交流電能中去，即能量只能單方向傳遞。含續(xù)流二極管的電路具有電路簡(jiǎn)單、調(diào)整方便、使用元件少等優(yōu)點(diǎn)，而且不會(huì)導(dǎo)致失控顯現(xiàn)，續(xù)流期間導(dǎo)電回路中只有一個(gè)管壓降，少了一個(gè)管壓降，有利于降低損耗。2總體系統(tǒng)2.1主電路構(gòu)造及其工作原理 單相橋式半控整流電路雖然具有電路簡(jiǎn)單

6、、調(diào)整方便、使用元件少等優(yōu)點(diǎn)，但卻有整流電壓脈動(dòng)大、輸出整流電流小的缺點(diǎn)。其使用的電路圖如下列圖2.1所示。圖2.1 主體電路構(gòu)造原理圖在交流輸入電壓u2的正半周a端為正時(shí)，Th1和D1承受正向電壓。這時(shí)如對(duì)晶閘管Th1引入觸發(fā)信號(hào)，那么Th1和D1導(dǎo)通電流的通路為u2+Th1RD1u2-。 這時(shí)Th2和D1都因承受反向電壓而截至。同樣，在電壓u2的負(fù)半周時(shí)，Th2和D2承受正向電壓。這時(shí)，如對(duì)晶閘管Th2引入觸發(fā)信號(hào)，那么Th2和D2導(dǎo)通，電流的通路為：u2-Th2RD2u2+。這時(shí)Th1和D1處于截至狀態(tài)。顯然，與單相半波整流相比擬，橋式整流電路的輸出電壓的平均值要大一倍。2.2 參數(shù)計(jì)算

7、輸出電壓的平均值： 2-1=0時(shí)，Ud=Ud0=0.9U；=1800時(shí)，Ud=0?？梢?jiàn)，角的移相X圍為1800。向負(fù)載輸出的直流電流平均值為 2-2輸出電壓平均值： U=0.9U22-3輸出電流平均值： = Ud/R2-4流過(guò)晶閘管電流有效值： I= /2-5波形系數(shù)： K= I/=/22-6交流側(cè)相電流的有效值: I=·I2-7續(xù)流管電流有效值： I=·I2-82-92-102-112-122-13 令0時(shí)，U2=220V,P出=50V×10A=500W。Ud=0.9U2(1+)/2=198V Id=P出/Ud=10.8A，Kf=IVT/ Id=/2=0.707

8、，晶閘管的額定電流為：IT= Kf Id/1.57=2.5A,取2倍電流平安儲(chǔ)藏，并考慮晶閘管元件額定電流系列取5A。晶閘管元件額定電壓U2=100=141.4V，取23倍電壓平安儲(chǔ)藏，并考慮晶閘管額定電壓系列取300V。令時(shí)，IVT= Id=Id=10.8A時(shí)，此時(shí)流過(guò)續(xù)流二極管的電流最大為10.8A，取2倍電流平安儲(chǔ)藏，并考慮晶閘管元件額定電流系列取20A。續(xù)流二極管兩端的最大電壓為Ud=220V, 取23倍電壓平安儲(chǔ)藏，并考慮晶閘管額定電壓系列去220V。所以選擇續(xù)流二極管額定電壓為220V,額定電流為20A的晶閘管和二極管，電感取無(wú)窮大，L=150H，R=20。3硬件電路3.1 系統(tǒng)總

9、體原理框圖單相半控橋式整流電路的設(shè)計(jì)，我們首先對(duì)電路原理進(jìn)展分析，通過(guò)分析，結(jié)合具體的性能指標(biāo)求出相應(yīng)的參數(shù)，然后在Matlab仿真軟件中建立仿真模型，仿真模型采用交流輸入電源，使用晶閘管和二極管作為整流器件，通過(guò)不斷仿真、調(diào)試、不斷修改參數(shù)，知道符合正確的參數(shù)要求。其系統(tǒng)原理框圖如下列圖3.1圖 3.1 系統(tǒng)原理框圖其對(duì)應(yīng)波形原理圖如圖3.2所示圖 3.2 波形原理圖3.2 驅(qū)動(dòng)電路3.2.1 驅(qū)動(dòng)電路方案方案一：采用專(zhuān)用集成芯片產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)。專(zhuān)用集成芯片對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)非常好：集成度高，不易產(chǎn)生各種干擾；產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)信號(hào)準(zhǔn)確度高，更便于系統(tǒng)的準(zhǔn)確度：簡(jiǎn)單、省事，易于實(shí)現(xiàn)。但是，專(zhuān)用集成芯片的

10、價(jià)格比擬昂貴且不易購(gòu)置；對(duì)于鍛煉個(gè)人能力用專(zhuān)用芯片業(yè)很難到達(dá)效果。方案二：采用LM339、ICL8083等構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)電路雖然效果不是很好，但是它完全是硬件驅(qū)動(dòng)，能更好的鍛煉人的知識(shí)運(yùn)用和能力的開(kāi)發(fā)。兩個(gè)方案相比擬而言我選擇方案二。3.2.2 驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì) 晶閘管門(mén)極觸發(fā)信號(hào)由觸發(fā)電路提供，由于晶閘管電路種類(lèi)很多，如整流、逆變、交流調(diào)壓、變頻等；所帶負(fù)載的性質(zhì)也不一樣，如電阻性負(fù)載、電阻電感性負(fù)載、反電勢(shì)負(fù)載等。盡管不同情況對(duì)觸發(fā)電路的要求也不同，但是其根本的要求卻是一樣的，具體如下 a觸發(fā)信號(hào)應(yīng)有足夠的功率這些指標(biāo)在產(chǎn)品樣本中均已標(biāo)明，由于晶閘管元件門(mén)極參數(shù)分散性大，且觸發(fā)電壓、電流手溫度影

11、響會(huì)發(fā)生變化。例如元件溫度為1000C時(shí)觸發(fā)電流、電壓值比在室溫時(shí)低23倍；元件溫度為-400C時(shí)觸發(fā)電流、電壓值比在室溫時(shí)高23倍；為了使元件在各種工作條件下都能可靠的觸發(fā)，可參考元件出廠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)或產(chǎn)品目錄，設(shè)計(jì)觸發(fā)電路的輸出電壓、電流值，并留有一定的裕量。一般可取兩倍左右的觸發(fā)電流裕量，而觸發(fā)電壓按觸發(fā)電流的大小來(lái)決定，但是應(yīng)注意不要超過(guò)晶閘管門(mén)極允許的峰值功率和平均功率極限值。b觸發(fā)脈沖信號(hào)應(yīng)有一定的寬度 普通晶閘管的導(dǎo)通時(shí)間一般為6us，故觸發(fā)脈沖的寬度至少應(yīng)有6us以上，對(duì)于電感性負(fù)載，由于電感會(huì)抑制電流的上升，觸發(fā)脈沖的寬度應(yīng)該更大些，通常為0.5ms1ms，否那么在脈沖終止時(shí)主

12、電路電流還未上升到晶閘管的擎住電流時(shí)，此時(shí)將使晶閘管無(wú)法導(dǎo)通而重新恢復(fù)關(guān)斷狀態(tài)。單結(jié)晶體管原理單結(jié)晶體管簡(jiǎn)稱(chēng)UJT又稱(chēng)基極二極管，它是一種只有PN結(jié)和兩個(gè)電阻接觸電極的半導(dǎo)體器件，它的基片為條狀的高阻N型硅片，兩端分別用歐姆接觸引出兩個(gè)基極b1和b2。在硅片中間略偏b2一側(cè)用合金法制作一個(gè)P區(qū)作為發(fā)射極e。其符號(hào)和等效電如下列圖3.3所示。圖 3.3 單結(jié)晶體管的符號(hào)和等效電路圖結(jié)晶體管的特性從圖a可以看出，兩基極b1和b2之間的電阻稱(chēng)為基極電阻。Rbb=rb1+rb2式中：Rb1第一基極與發(fā)射結(jié)之間的電阻，其數(shù)值隨發(fā)射極電流ie而變化，rb2為第二基極與發(fā)射結(jié)之間的電阻，其數(shù)值與ie無(wú)關(guān)；發(fā)

13、射結(jié)是PN結(jié)，與二極管等效。假設(shè)在兩面三刀基極b2，b1間加上正電壓Vbb，那么A點(diǎn)電壓為：VA=rb1/rb1+rb2vbb=rb1/rbbvbb=Vbb式中：稱(chēng)為分壓比，其值一般在0.30.85之間，如果發(fā)射極電壓VE由零逐漸增加，就可測(cè)得單結(jié)晶體管的伏安特性，見(jiàn)圖3.4圖 3.4 單結(jié)晶體管的伏安特性1當(dāng)VeVbb時(shí)，發(fā)射結(jié)處于反向偏置，管子截止，發(fā)射極只有很小的漏電流Iceo。2當(dāng)VeVbb+VD VD為二極管正向壓降約為0.7V，PN結(jié)正向?qū)?，Ie顯著增加，rb1阻值迅速減小，Ve相應(yīng)下降，這種電壓隨電流增加反而下降的特性，稱(chēng)為負(fù)阻特性。管子由截止區(qū)進(jìn)入負(fù)阻區(qū)的臨界P稱(chēng)為峰點(diǎn)，與其

14、對(duì)應(yīng)的發(fā)射極電壓和電流，分別稱(chēng)為峰點(diǎn)電壓Ip和峰點(diǎn)電流Ip。Ip是正向漏電流，它是使單結(jié)晶體管導(dǎo)通所需的最小電流，顯然Vp=Vbb。3隨著發(fā)射極電流Ie的不斷上升，Ve不斷下降，降到V點(diǎn)后，Ve不再下降了，這點(diǎn)V稱(chēng)為谷點(diǎn)，與其對(duì)應(yīng)的發(fā)射極電壓和電流，稱(chēng)為谷點(diǎn)電壓Vv和谷點(diǎn)電流Iv。4過(guò)了V后，發(fā)射極與第一基極間半導(dǎo)體內(nèi)的載流子到達(dá)了飽和狀態(tài)，所以u(píng)c繼續(xù)增加時(shí)，ie便緩慢的上升，顯然Vv是維持單結(jié)晶體管導(dǎo)通的最小發(fā)射極電壓，如果VeVv，管子重新截止。單結(jié)晶體管的主要參數(shù)1基極間電阻Rbb發(fā)射極開(kāi)路時(shí)，基極b1，b2之間的電阻，一般為2-10千歐，其數(shù)值隨溫度的上升而增大。2分壓比由管子內(nèi)部構(gòu)

15、造決定的參數(shù)，一般為0.3-0.85。3eb1間反向電壓Vcb1 b2開(kāi)路，在額定反向電壓Vcb2下，基極b1與發(fā)射極e之間的反向耐壓。4反向電流Ieo b1開(kāi)路，在額定反向電壓Vcb2下，eb2間的反向電流。5發(fā)射極飽和壓降Veo在最大發(fā)射極額定電流時(shí)，eb1間的壓降。6峰點(diǎn)電流Ip單結(jié)晶體管剛開(kāi)場(chǎng)導(dǎo)通時(shí)，發(fā)射極電壓為峰點(diǎn)電壓時(shí)的發(fā)射極電流。單結(jié)晶體管電路如下列圖3.5所示，波形圖如圖3.6所示圖 3.5 單結(jié)晶體管觸發(fā)電路圖圖 3.6 觸發(fā)信號(hào)波形3.3 保護(hù)電路3.3.1 變壓器二次側(cè)熔斷器采用快速熔斷器是電力電子裝置中最有效、應(yīng)用最廣泛的一種過(guò)電流保護(hù)措施。在選擇快速熔斷時(shí)應(yīng)考慮：（1

16、） 電壓等級(jí)應(yīng)根據(jù)熔斷后快速熔斷實(shí)際承受的電壓來(lái)確定。（2） 電流容量應(yīng)按其在主電路中的接入方式和主電路聯(lián)接形式確定。快速熔斷一般與電力半導(dǎo)體器件串聯(lián)連接，在小容量裝置中也可串聯(lián)于閥側(cè)交流母線或直流母線中。（3） 快速熔斷值應(yīng)小于被保護(hù)器件的允許值。（4） 為保護(hù)熔體在正常過(guò)載情況下不熔化，應(yīng)考慮其時(shí)間電流特性。 因?yàn)榫чl管的額定電流為10A，快速熔斷器電流大于1.5倍的晶閘管額定電流，所以快速熔斷器的熔斷電流為15A。3.3.2 晶閘管保護(hù)電流過(guò)流保護(hù)：當(dāng)電力電子變流裝置內(nèi)部某些器件被擊穿或短路；驅(qū)動(dòng)、觸發(fā)電路或控制電路發(fā)生故障；外部出現(xiàn)負(fù)載過(guò)載；直流側(cè)短路；可逆?zhèn)鲃?dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生逆變失??；以及交

17、流電源電壓過(guò)高或上下；均能引起裝置或其它元件的電流超過(guò)正常的工作電流，即出現(xiàn)過(guò)電流。因此，必須對(duì)電力電子裝置進(jìn)展適當(dāng)?shù)倪^(guò)流保護(hù)。其保護(hù)原理圖如下列圖3.7所示。 過(guò)壓保護(hù)：設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中，會(huì)受到由交流供電電網(wǎng)進(jìn)入的操作過(guò)電壓和雷擊過(guò)電壓的侵襲。同時(shí)，設(shè)備自身運(yùn)行過(guò)程中以及非正常運(yùn)行中也有過(guò)電壓出現(xiàn)。因此，必須對(duì)電力電子裝置進(jìn)展適當(dāng)?shù)倪^(guò)壓保護(hù)。其保護(hù)原理圖如下列圖3.8所示。圖 3.7 過(guò)流保護(hù)原理圖圖 3.8 過(guò)壓保護(hù)原理圖3.4 觸發(fā)電路晶閘管觸發(fā)主要有移相觸發(fā)、過(guò)零觸發(fā)和脈沖列調(diào)制觸發(fā)等。觸發(fā)電路對(duì)其產(chǎn)生的觸發(fā)脈沖有如下要求。第一，觸發(fā)信號(hào)可為直流、交流或脈沖電壓。第二，觸發(fā)信號(hào)應(yīng)有足夠

18、的功率觸發(fā)電壓和觸發(fā)電流。由晶閘管的門(mén)極伏安特性曲線可知，同一型號(hào)的晶閘管的門(mén)極伏安特性的分散性很大，所以規(guī)定晶閘管元件的門(mén)極阻值在某高阻和低阻之間，才可能算是合格的產(chǎn)品。晶閘管器件出廠時(shí)，所標(biāo)注的門(mén)極觸發(fā)電流Igt、門(mén)極觸發(fā)電壓U是指該型號(hào)的所有合格器件都能被觸發(fā)導(dǎo)通的最小門(mén)極電流、電壓值，所以在接近坐標(biāo)原點(diǎn)處以觸發(fā)脈沖應(yīng)以一定的寬度且脈沖前沿應(yīng)盡可能陡。由于晶閘管的觸發(fā)是有一個(gè)過(guò)程的，也就是晶閘管的導(dǎo)通需要一定的時(shí)間。只有當(dāng)晶閘管的陽(yáng)極電流即主回路電流上升到晶閘管的掣住電流以上時(shí)，晶閘管才能導(dǎo)通，所以觸發(fā)信號(hào)應(yīng)有足夠的寬度才能保證被觸發(fā)的晶閘管可靠的導(dǎo)通。觸發(fā)脈沖應(yīng)有一定的寬度，脈沖的前沿

19、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。第三，觸發(fā)脈沖的寬度要能維持到晶閘管徹底導(dǎo)通后才能撤掉，晶閘管對(duì)觸發(fā)脈沖的幅值要求是：在門(mén)極上施加的觸發(fā)電壓或觸發(fā)電流應(yīng)大于產(chǎn)品提出的數(shù)據(jù)，但也不能太大，以防止損壞其控制極，在有晶閘管串并聯(lián)的場(chǎng)合，觸發(fā)脈沖的前沿越陡越有利于晶閘管的同時(shí)觸發(fā)導(dǎo)通。第四，觸發(fā)脈沖必須與晶閘管的陽(yáng)極電壓同步，脈沖移相X圍必須滿足電路要求。第五，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)周期都以一樣的控制角被觸發(fā)導(dǎo)通，觸發(fā)脈沖必須與電源同步，兩者的頻率應(yīng)該一樣，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 元器件的選擇

20、4.1 晶閘管晶閘管Thyristor是晶體閘流管的簡(jiǎn)稱(chēng)，又稱(chēng)作可控硅整流SCR，開(kāi)辟了電力電子技術(shù)迅速開(kāi)展和廣泛應(yīng)用的嶄新時(shí)代。自20世紀(jì)80年代以來(lái)，晶閘管開(kāi)場(chǎng)被性能更好的全控型器件取代。晶閘管能承受的電壓和電流容量最高，工作可靠，以被廣泛應(yīng)用于相控整流、逆變、交流調(diào)壓、直流變換等領(lǐng)域，成為功率低頻200Hz以下裝置中的主要器件。晶閘管往往專(zhuān)指晶閘管的一種根本類(lèi)型-普通晶閘管。廣義上講，晶閘管還包括其許多類(lèi)型的派生器件。4.1.1 晶閘管的構(gòu)造與工作原理 1晶閘管的外形與構(gòu)造圖4-2所示為晶閘管的外形、構(gòu)造、電器圖形符號(hào)和模塊外形。從外形上來(lái)看，晶閘管也主要有螺栓型和平板型兩種封裝構(gòu)造，均

21、引出陽(yáng)極A、陰極K和門(mén)極G三個(gè)連接端。晶閘管內(nèi)部是PNPN四層半導(dǎo)體構(gòu)造，分別命名為P1、N1、P2、N2四個(gè)區(qū)。P1區(qū)引出陽(yáng)極A，N2區(qū)引出陰極K，P2區(qū)引出門(mén)極G。四個(gè)區(qū)形成J1、J2、J3三個(gè)PN結(jié)。如果正向電壓加到器件上，那么J2處于反向偏置狀態(tài)，器件A、K兩端之間處于阻斷狀態(tài)，只能流過(guò)很小的漏電流；如果反向電壓加到器件上，那么J1和J3反偏，該器件也處于阻斷狀態(tài)，僅有極小的反向漏電流通過(guò)。2晶閘管的工作原理晶閘管導(dǎo)通的工作原理可以用雙晶體管模型來(lái)解釋?zhuān)鐖D4-3所示。如在器件上取一傾斜的截面，那么晶閘管可以看作由P1N1P2和N1P2N2構(gòu)成的兩個(gè)晶體管V1、V2組合而成。如果外電路

22、向門(mén)極注入電流IG，也就是注入驅(qū)動(dòng)電流，那么IG流入晶體管V2的基極。即產(chǎn)生集電極電流Ic2，它構(gòu)成晶體管V1的基極電流，放大成集電極電流Ic1，又進(jìn)一步增大V2的基極電流，如此形成強(qiáng)烈的正反應(yīng)，最后V1和V2進(jìn)入完全飽和狀態(tài)，即晶閘管導(dǎo)通。此時(shí)如果撤掉外電路注入門(mén)極的電流IG，晶閘管由于內(nèi)部已形成了強(qiáng)烈的正反應(yīng)會(huì)仍然維持導(dǎo)通狀態(tài)。而假設(shè)要使晶閘管關(guān)斷，必須去掉陽(yáng)極所加的正向電壓，或者給陽(yáng)極施加反壓，或者設(shè)法使流過(guò)晶閘管的電流降低到接近于零的某一數(shù)值以下，晶閘管才能關(guān)斷。所以，對(duì)晶閘管的驅(qū)動(dòng)過(guò)程更多的是成為觸發(fā)，產(chǎn)生注入門(mén)極的觸發(fā)電流IG的電路稱(chēng)為門(mén)極觸發(fā)電路。也正是由于通過(guò)其門(mén)極只能控制其開(kāi)

23、通，不能控制其關(guān)斷，晶閘管才被稱(chēng)為半控型器件。晶閘管在以下幾種情況下也可能被觸發(fā)導(dǎo)通：陽(yáng)極電壓升高至相當(dāng)高的數(shù)值造成雪崩效應(yīng)；陽(yáng)極電壓上升率du/dt過(guò)高；結(jié)溫較高；光直接照射硅片，即光觸發(fā)。這些情況除了由于光觸發(fā)可以保證電路與主電路之間的良好絕緣而應(yīng)用于高壓電力設(shè)備之外，其他都因不易控制而難以應(yīng)用于實(shí)踐。只有門(mén)極觸發(fā)是最準(zhǔn)確、迅速而可靠的控制手段。圖4.2 晶閘管的外形、構(gòu)造、電氣圖形符號(hào)和模塊外形a)晶閘管外形 b)內(nèi)部構(gòu)造 c)電氣圖形符號(hào) d)模塊外形圖4.3 晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理4.1.2 晶閘管的選擇由于設(shè)計(jì)要求單相橋式半控整流電路輸出電壓X圍為0180伏連續(xù)可調(diào)，即

24、4-1化簡(jiǎn)得 4-2取U=200V，那么，正好滿足的X圍。即輸出電壓的0180伏對(duì)應(yīng)著角的18000。輸出平均電流的最大值為 4-3晶閘管承受的最大反向電壓為 4-4流過(guò)每個(gè)晶閘管的最大電流的有效值為 (4-5)故晶閘管的額定電壓為 (4-6)晶閘管的額定電流為 (4-7)4.2 電力二極管電力二極管Power Diode自20世紀(jì)50年代初期就獲得應(yīng)用，雖然是不可控器件，但其原理和構(gòu)造簡(jiǎn)單，工作可靠，所以直到現(xiàn)在電力二極管仍然大量應(yīng)用于許多電氣設(shè)備當(dāng)中。電力二極管實(shí)際上是由一個(gè)面積較大的PN結(jié)和兩端引線以及封裝組成的。當(dāng)PN結(jié)外加正向電壓正向偏置，即外加電壓的正端接P區(qū)、負(fù)端接N區(qū)時(shí)，外加電

25、場(chǎng)與PN結(jié)自建電場(chǎng)方向相反，使得多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)大于少子的漂移運(yùn)動(dòng)，形成擴(kuò)散電流，在內(nèi)部造成空間電荷區(qū)變窄，而在外電路上那么形成自P區(qū)流入而從N區(qū)流出的電流，稱(chēng)為正向電流IF。當(dāng)外加電壓升高時(shí)，自建電場(chǎng)將進(jìn)一步被削弱，擴(kuò)散電流進(jìn)一步增加。這就是PN結(jié)的正向?qū)顟B(tài)。當(dāng)PN結(jié)外加反向電壓時(shí)反向偏置，外加電場(chǎng)與PN結(jié)自建電場(chǎng)方向一樣，使得少子的漂移運(yùn)動(dòng)大于多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，形成漂移電流，在內(nèi)部造成空間電荷區(qū)變窄，而在外電路上那么形成自N區(qū)流入而從P區(qū)流出的電流，稱(chēng)為反向電流IR。但是少子的濃度很小，在溫度一定時(shí)漂移電流的數(shù)值趨于恒定，被稱(chēng)為反向飽和電流Is，一般僅為微安數(shù)量級(jí)，因此反向偏置的PN結(jié)表現(xiàn)

26、為高阻態(tài)，幾乎沒(méi)有電流流過(guò)，被稱(chēng)為反向截止?fàn)顟B(tài)。這就是PN結(jié)的單向?qū)щ娦裕O管的根本原理就在于PN結(jié)的單向?qū)щ娦赃@個(gè)主要特征。由于在單相橋式半控整流電路中，電力二極管所承受的電壓和流經(jīng)的電流與晶閘管一樣，因此電力二極管參數(shù)的選定與晶閘管一樣。5 MATLAB建模與仿真啟動(dòng)MATLAB，翻開(kāi)Simulink，新建文件，根據(jù)單相橋式半控整流電路所需的元器件添加相應(yīng)的控件并連線，完成仿真圖的繪制。繪制完成后的仿真圖如圖5-1所示。圖5-1 單相橋式半控整流電路的MATLAB仿真圖由前面的計(jì)算我們已經(jīng)知道，當(dāng)控制角從0連續(xù)變化到1800時(shí)，對(duì)應(yīng)的直流輸出電壓從180V連續(xù)變化到0。圖5-2、5-3、5-4、5-5分別給出了控制角 為0、450、900、1800時(shí)的仿真波形圖。從上到下的分別是電源電壓U、晶閘管VT1的觸發(fā)脈沖P1、晶閘管VT3的觸