单相桥式整流电路

电力电子技术课程设计说明书单相桥式整流电路的设计院、部：学生姓名：指导教师：职称专业：班级：完成时间：Ⅰ摘要整流电路（rectifyingcircuit）把交流电能转换为直流电能的电路。大多数整流电路由变压器、整流主电路和滤波器等组成。它在直流电动机的调速、发电机的励磁调节、电解、电镀等领域得到广泛应用。整流电路通常由主电路、滤波器和变压器组成。20世纪70年代以后，主电路多用硅整流二极管和晶闸管组成。滤波器接在主电路与负载之间，用于滤除脉动直流电压中的交流成分。变压器设置与否视具体情况而定。变压器的作用是实现交流输入电压与直流输出电压间的匹配以及交流电网与整流电路之间的电隔离。可以从各种角度对整流电路进行分类，主要的分类方法有：按组成的期间可分为不可控，半控，全控三种；按电路的结构可分为桥式电路和零式电路；按交流输入相数分为单相电路和多相电路；按变压器二次侧电流的方向是单向还是双向，又可分为单拍电路和双拍电路。本次设计的主题是设计一个单相桥式电路。确定设计方案，通过方案来设计各个单元电路，如触发电路、保护电路等。根据要求计算参数，包括触发角的选择，输出平均电压，输出平均电流，输出有功功率计算，输出波形分析，器件额定参数确定等。完成这些后，将各个单元电路衔接起来，并完成主电路的设计。然后再用PSIM软件仿真，如有错误进行修改，最后将仿真图形保存下来。关键字：设计；仿真；单相桥式Ⅱ目录1绪论.............................................................11.1设计的背景与意义............................................11.2整流电路的发展与应用........................................11.3本设计主要内容..............................................12单相桥式整流主电路的设计.........................................22.1单相桥式整流电路原理........................................22.2单相桥式整流电路参数选择....................................22.3单相桥式整流电路性能指标....................................33单元电路的设计...................................................53.1触发电路的设计..............................................53.2触发电路....................................................64仿真调试........................................................84.1仿真软件的介绍..............................................84.2仿真模型建立................................................84.3仿真结果....................................................9结束语.............................................................11参考文献...........................................................12致谢...............................................................13附录...............................................................14附录A元件清单.................................................14附录B主电路图.................................................1511绪论1.1设计的背景与意义整流电路（rectifyingcircuit）把交流电能转换为直流电能的电路。大多数整流电路由变压器、整流主电路和滤波器等组成。滤波器接在主电路与负载之间，用于滤除脉动直流电压中的交流成分。变压器设置与否视具体情况而定。变压器的作用是实现交流输入电压与直流输出电压间的匹配以及交流电网与整流电路之间的电隔离。主要的分类方法有：按组成的期间可分为不可控，半控，全控三种；按电路的结构可分为桥式和零式；按交流输入相数分为单相和多相；按变压器二次侧电流的方向是单向还是双向，又可分为单拍和双拍。1.2整流电路的发展与应用电力电子器件的发展对电力电子的发展起着决定性的作用，不管是整流器还是电力电子技术的发展都是以电力电子器件的发展为纲的，1947年美国贝尔实验室发明了晶体管，引发了电子技术的一次革命；1957年美国通用公司研制了第一个晶闸管，标志着电力电子技术的诞生；70年代后期，以门极可关断晶闸管（GTO）、电力双极型晶体管（BJT）和电力场效应晶体管（power-MOSFET）为代表的全控型器件迅速发展，把电力电子技术推上一个全新的阶段；80年代后期，以绝缘极双极型晶体管（IGBT）为代表的复合型器件异军突起，成为了现代电力电子技术的主导器件。另外，又把驱动，控制，保护电路和功率器件集成在一起，构成功率集成电路（PIC）,随着全控型电力电子器件的发展，电力电电路的工作频率也不断提高。1.3本设计主要内容课题设计的是一个单相桥式整流电路。确定方案，通过方案来设计各个单元电路，如触发电路、保护电路等。根据要求计算参数，包括触发角的选择，输出平均电压，输出平均电流，输出有功功率计算，输出波形分析，器件额定参数确定等。完成这些后，将各个单元电路衔接起来，并完成主电路的设计。然后再用MATLAB软件建立仿真模型，设置了模型的参数，并进行了仿真仿真，仿真结果证明了设计的正确性。22单相桥式整流主电路的设计2.1单相桥式整流电路原理主电路原理图如图1所示。图1主电路原理图电路主要由四部分构成，分别为电源、过电保护电路、整流电路和触发电路构成。输入的信号经变压器变压后通过过电保护电路，保证电路出现过载或短路故障时，不至于伤害到晶闸管和负载。在电路中还加了防雷击的保护电路。然后将经变压和保护后的信号输入整流电路中。整流电路中的晶闸管在触发信号的作用下动作，以发挥整流电路的整流作用。2.2单相桥式整流电路参数选择由于单相桥式全控整流带电感性负载主电路主要元件是晶闸管，所以选取元件时主要考虑晶闸管的参数及其选取原则。2.2.1晶闸管的主要参数①额定电压UTn通常取UDRM和URRM中较小的，再取靠近标准的电压等级作为晶闸管型的额定电压。在选用管子时，额定电压应为正常工作峰值电压的2～3倍，以保证电路的工作安全。晶闸管的额定电压RRMDRMTnUUU,min(1)3UTn≥（2～3）UTMUTM：工作电路中加在管子上的最大瞬时电压②额定电流IT(AV)IT(AV)又称为额定通态平均电流。其定义是在室温40°和规定的冷却条件下，元件在电阻性负载流过正弦半波、导通角不小于170°的电路中，结温不超过额定结温时，所允许的最大通态平均电流值。将此电流按晶闸管标准电流取相近的电流等级即为晶闸管的额定电流。ITn：额定电流有效值，根据管子的IT(AV)换算出，IT(AV)、ITMITn三者之间的关系：Im5.02Im/)()sin(Im2/102tdtITn(2)Im318.0Im/)(sinIm2/10)(ttdIAVT(3)波形系数：有直流分量的电流波形，其有效值I与平均值dI之比称为该波形的波形系数，用Kf表示。dfIIK(4)额定状态下，晶闸管的电流波形系数57.12)(AVTTnfIIK(5)晶闸管承受最大电压为VVUUTM157111222考虑到2倍裕量，取400V.③通态平均管压降UT(AV)。指在规定的工作温度条件下，使晶闸管导通的正弦波半个周期内阳极与阴极电压的平均值，一般在0.4～1.2V。2.2.2变压器的选取根据参数计算可知:变压器应选变比为2,容量至少为24.2V·A。2.3单相桥式整流电路性能指标整流电路的性能常用两个技术指标来衡量：一个是反映转换关系的用整流输出电压的平均值表示；另一个是反映输出直流电压平滑程度的，称为纹波系数。（1）整流输出电压平均值dU=ttdsinU212=cos222U=cos9.02U(6)（2)纹波系数4纹波系数rK用来表示直流输出电压中相对纹波电压的大小，即dddLrrUUUUUK222(7)53单元电路的设计3.1触发电路的设计3.1.1单结晶体管单结晶体管（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，符号和等效电如图2所示。图2单结晶体管原理3.1.2单结晶体管的特性两基极b1和b2之间的电阻称为基极电阻。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Ubb，则A点电压为：UA=[rb1/（rb1+rb2）]Ubb=（rb1/rbb）Ubb=ηUbb(8)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3：图3单结晶体管的伏安特性（1）当Ue〈ηUbb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。（2）当Ue≥ηUbb+UDUD为二极管正向压降（约为0.7V），PN结正向导6通，Ie显著增加，rb1阻值迅速减小，Ue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Up=ηUbb。（3）随着发射极电流Ie的不断上升，Ue不断下降，降到V点后，Ue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Uv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Uv是维持单结晶体管导通的最小发射极电压，如果Ue〈Uv，管子重新截止。单结晶体管的主要参数（1）基极间电阻Rbb发射极开路时，基极b1，b2之间的电阻，一般为2-10千欧，其数值随温度的上升而增大。（2）分压比η由管子内部结构决定的参数，一般为0.3--0.85。（3）eb1间反向电压Vcb1b2开路，在额定反向电压Vcb2下，基极b1与发射极e之间的反向耐压。（4）反向电流Ieob1开路，在额定反向电压Ucb2下，eb2间的反向电流。（5）发射极饱和压降Ueo在最大发射极额定电流时，eb1间的压降。（6）峰点电流Ip单结晶体管刚开始导通时，发射极电压为峰点电压时的发射极电流。3.2触发电路晶闸管触发主要有移相触发、过零触发和脉冲列调制触发等。触发电路对其产生的触发脉冲要求：（1）触发信号可为直流、交流或脉冲电压。（2）触发信号应有足够的功率（触发电压和触发电流）。（3）触发脉冲应有一定的宽度，脉冲的前沿尽可能陡，以使元件在触发导通后，阳极电流能迅速上升超过掣住