論文單相橋式全控整流電路的設(shè)計(jì)

1、.-. z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)的日益開展,人們對電路的要求也越來越高,由于在生產(chǎn)實(shí)際中需要大小可調(diào)的直流電源,而相控整流電路構(gòu)造簡單、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。在電能的

2、生產(chǎn)和傳輸上，目前是以交流電為主。電力網(wǎng)供應(yīng)用戶的是交流電，而在許多場合，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，整流是最根底的一步。整流，即利用具有單向?qū)щ娞匦缘钠骷逊较蚝痛笮〗蛔兊碾娏髯儞Q為直流電。整流的根底是整流電路。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)根底，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課題

3、作為這一課程的課程設(shè)計(jì)的課題。關(guān)鍵詞：單相，橋式，全控目錄TOC o 1-3 h u HYPERLINK l _Toc16936摘要 PAGEREF _Toc16936 1HYPERLINK l _Toc124961. 工作原理 PAGEREF _Toc12496 1HYPERLINK l _Toc200301.1 IGBT的簡介 PAGEREF _Toc20030 1HYPERLINK l _Toc15231.1.1 IGBT的概述 PAGEREF _Toc1523 1HYPERLINK l _Toc26281.1.2 IGBT的根本特性 PAGEREF _Toc2628 1HYPERLIN

4、K l _Toc104181.1.3 IGBT的參數(shù)特點(diǎn) PAGEREF _Toc10418 1HYPERLINK l _Toc5661.2 單相橋式全控整流電路的根本原理 PAGEREF _Toc566 1HYPERLINK l _Toc293001.2.1 電路組成 PAGEREF _Toc29300 1HYPERLINK l _Toc66061.2.2 工作原理 PAGEREF _Toc6606 1HYPERLINK l _Toc123352. 電路總體設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc12335 1HYPERLINK l _Toc106712.1 總電路圖 PAGEREF _Toc1067

5、1 1HYPERLINK l _Toc85722.2 確定各器件參數(shù) PAGEREF _Toc8572 1HYPERLINK l _Toc324112.2.1 參數(shù)關(guān)系 PAGEREF _Toc32411 1HYPERLINK l _Toc13682.2.2 參數(shù)的計(jì)算 PAGEREF _Toc1368 1HYPERLINK l _Toc50592.3 晶閘管的選擇 PAGEREF _Toc5059 1HYPERLINK l _Toc188943. 觸發(fā)電路的設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc18894 1HYPERLINK l _Toc266754. 工作過程及參數(shù)設(shè)定 PAGEREF _Toc

6、26675 1HYPERLINK l _Toc241014.1工作過程 PAGEREF _Toc24101 1HYPERLINK l _Toc43154.2 參數(shù)設(shè)定和仿真圖 PAGEREF _Toc4315 1HYPERLINK l _Toc254134.2.1 觸發(fā)角為 PAGEREF _Toc25413 1HYPERLINK l _Toc199764.2.2 觸發(fā)角為 PAGEREF _Toc19976 1HYPERLINK l _Toc56465. 心得體會 PAGEREF _Toc5646 1HYPERLINK l _Toc31695參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc31695 1.

7、-. z工作原理1.1 IGBT的簡介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、開關(guān)電源、照明電路、牽引傳動(dòng)等領(lǐng)域.正式商

8、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)開展的需求；高壓領(lǐng)域的許多應(yīng)用中，要求器件的電壓等級到達(dá)10KV以上，目前只能通過IGBT高壓串聯(lián)等技術(shù)來實(shí)現(xiàn)高壓應(yīng)用。國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)廠商不斷開發(fā)IGBT的高耐壓、大電流、高速、低飽和壓降、高可靠性、低本錢技術(shù)，主要采用1m以下制作工藝，研制開發(fā)取得一些新進(jìn)展。圖1-1 IGBT等效電路和電氣圖形符號1.1.2 IGBT的根本特性IGBT

9、的根本特性分為動(dòng)態(tài)特性和靜態(tài)特性。.-. zIGBT 的靜態(tài)特性主要有伏安特性、轉(zhuǎn)移特性和開關(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 局部。在截止?fàn)顟B(tài)下的IGBT ，正向電壓由J2 結(jié)承當(dāng)，反向電壓由J1結(jié)承當(dāng)。如果無N+ 緩沖區(qū)，則正反向阻斷電壓可以做到同樣水平，參加N+緩沖區(qū)后，反向關(guān)斷電壓只能到達(dá)幾十伏水平，因此限制了IGBT 的*些應(yīng)用圍。IGBT 的轉(zhuǎn)移特性是指輸出漏極電流Id 與柵源電壓之間的關(guān)系曲線。它與MOSFE

10、T 的轉(zhuǎn)移特性一樣，當(dāng)柵源電壓小于開啟電壓時(shí)，IGBT 處于關(guān)斷狀態(tài)。在IGBT 導(dǎo)通后的大局部漏極電流圍， Id 與呈線性關(guān)系。最高柵源電壓受最大漏極電流限制，其最正確值一般取為15V左右。IGBT 的開關(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)林頓構(gòu)造，但流過MOSFET 的電流成為IGBT 總電流的主要局部。IGBT動(dòng)態(tài)特性在開通過程中，大局部時(shí)間是作為MOSFET 來運(yùn)行的，只是在漏源電壓下降過程后期，PNP晶體管由放大區(qū)至飽和，又增加了一段延遲時(shí)間。t(on)為開通延遲時(shí)間，為電流上升時(shí)間。實(shí)際

11、應(yīng)用中常給出的漏極電流開通時(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。中選擇這些驅(qū)動(dòng)電路時(shí)，必須基于以下的參數(shù)來進(jìn)展：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)展觸發(fā)，不過由于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)斷過程中，漏極電流的波形變?yōu)閮啥?。因?yàn)镸OSFET關(guān)斷后，PNP晶體管的存儲電荷難以迅速消

12、除，造成漏極電流較長的尾部時(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開關(guān)速度高，開關(guān)損耗小。在電壓1000V以上時(shí)，開關(guān)損耗只有GTR的1/10，與電力MOSFET相當(dāng)。2一樣電壓和電流定額時(shí)，平安工作區(qū)比GTR大，且具有耐脈沖電流沖擊能力。.-. z3通態(tài)壓降比VDMOSF

13、ET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)保持開關(guān)頻率高的特點(diǎn)。1.2 單相橋式全控整流電路的根本原理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

14、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)，電源電壓自然過零，感應(yīng)電勢使晶閘管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

15、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。90輸出電壓波形正負(fù)面積一樣，平均值為零，所以移相圍是090?？刂平窃?90之間變化時(shí)，晶閘管導(dǎo)通角=，導(dǎo)通角與控制角無關(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過零變負(fù)時(shí)，由于電感的作用晶閘管VT1和VT4中仍流過電流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VT2和VT3分別向

16、VT1和VT4施加反壓使VT1和VT4關(guān)斷，流過VT1和VT4的電流迅速轉(zhuǎn)移到VT2和VT3上，此過程稱為換相，亦稱換流。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

17、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，以保證電路的工作平安。(2) 額定電流(AV) (AV) 又稱為額定通態(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)載流過正弦半波、導(dǎo)通角不小于170的電路中，結(jié)溫不超過額定結(jié)溫時(shí)，所允許

18、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即為晶閘管的額定電流。在實(shí)際使用時(shí)不管流過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圍。在實(shí)際使用時(shí)不管流過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圍。晶閘管的額定電壓和晶閘管的額定電流為觸發(fā)電路的設(shè)計(jì)觸發(fā)電路對其產(chǎn)生的觸發(fā)脈沖要求：(1) 觸發(fā)信號可為直流、交流或脈沖電壓。 (2) 觸發(fā)信號應(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，陽極電流能迅速上升超過掣住電流而維持導(dǎo)通。(4) 觸發(fā)脈沖必須與晶閘管的陽極電壓同步，脈沖移相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)。工作過程及參數(shù)設(shè)定4.1工作過程假設(shè)電路已工作于穩(wěn)態(tài)，的平均值不變。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，電感對負(fù)載電流起平