1．绪论
1.1什么是电力电子技术
电力电技术是电气工程与技术、电子科学与技术控制理论三大学科的交叉学科，诞生于20世纪50一60年代。1974年美国学者W．Newell提出了电力电子学的定义，并用倒角形对，b力电子学做了描述(图1—1)，表明电力电子学是由电气工程与技术、电子科学与技术和控制理论三个学科交叉形成的。这一观点已被学术界普遍接受。
图1.1电力电子技术的定义示意图
从定义可见，电力电子技术是依靠电力电子器件组成各种电力变换电路，实现电能的高效率转换与控制的一门学科。ST代理商它包括电力电子器件、电力电子电路(变流电路)和控制技术三个组成部分。其中，电力电子器件是电力电子技术的基础，变流电路是电力电子技术的核心，而控制技术是电力电子技术发展的纽带。电力电子技术的研究任务是把各种电力器件实用、简效、可靠地应用于电能变换系统，它包括电力电子器件的工作原理与应用、变流电路的基本原理、控制技术以及电力电子装置的开发与应用等。
电能变换的基本类型电力电子电路的根本任务是实现电能变换和控制。电能变换的基本形式有四种：Ac／Dc变换、Dc／Ac变换、Dc／Dc变换、Ac／Ac变换，在某些变流装置中，可能同时包含两种以上变换。
(一)AC／DC变换
将交流吧能转换为固定或可调的直流电能的电路即为Ac／Dc变换，也叫整流电路。由电力二极管可组成不可控整流电路；用晶问管或其他全控型器件可
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组成可控整流电路。以往使用最方便的整流咆路为晶同管相控整流rb脐，其特点是控制简单，运行可靠，适宜大功率应用。存在的问题有：网侧功率因数低、谐波严重。内全控型器件组成的PwM整流电 路因具有高功率因数等优点，近年来得到进一少发展与推广，应用前景十分广阔。
(二)Dc从c变换
将直流电能转换为频率固定或可调的交流屯能的电路，常称为逆变电路。逆变LU路不但能使直流变成可调的交流，而且可输出连续可调的工作频率。完成逆变的山力屯装置称为逆变器。如揪将逆变器的交流侧接到交流屯网上．把直流电逆变成同频率的交流屯反送别电网去，称为有源逆变。它主要用于直流EU机的可逆调速、绕线转子异步rb动机的申级晌速、i苟压直流输电和太阳能发电等方面。如兴将逆变器的交流侧直接接到负载上，把立流心逆变成某一频率或可调频率的交流电供给负载，则称为无源坐。主耍在交流电机变频调速、感应加热、不间断电源(uPs)等方面应用十分广泛，是构成电力电子技水的重要内容。
(三)DC／DC变换
将一种直流电能转换成另一固定电压或可调电压的直流电的Lb路即为Dc／DL变换，也称为斩波电路。斩波电路大都采用PwM控制技术。它广泛地用于计算机电源、各类仪器仪表、直流Lb机调速及金届焊接等。 （四)Ac／Ac变换
将固定大小和频率的交流电能转化为大小和频率可调的交流电能的电路，即为人c／Ac变换或交流变换电路。交流变换电路可分为交流调压电路相交E交变频电路。交流调压电路征维持电能频率不变的情况下改变输出电压幅佰。它广泛应用于电炉温度控制、灯光调节、异步Eb动机的软启动和调速等场合。交—交变频rb路亦称周波变换器，它把电网频率的交流电直接变换成不同频率的交流电，主要用于大功率交流电动机调这系统。
1.2电力电子技术发展概况
电力电子器件是电力电子技术发展的基础，也是EU力电子技术发展的动力。从1957年美国通用电气(G正)公司发明了半导体开关器件——晶同管(喇％on cont?011ed rcct小er，SCR)以来，电力电子器件已经走道了50年的概念更新、性能换代的发展历程。大体可分为以下三代：
(一)第一代电力电子器件
以硅整流管和晶问管(scR)为代表的第一代电子电力器件，以共休积小、功耗低等优点首先在大功率整流电路中迅速取代老式的汞弧整流器，取得了明显
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的节能效果．并奠定丁现代屯力电子技术的基础。硅整流管又称电力二极管，产生于20世纪40iF代．是电力电子器件中结构最简单、使用员广泛的一种器件。目前，硅整流管已形成份通整流管、快恢复整流管和肖持基整流管三种主要类型。电力二极管对改善各种电力电子电路的性能、降低rb路损耗和提高电源使用效率等方面都具有非常重要的作用。随着各种高件能电力电子器件的山现，开发具百良好高频性能的电力整流管显得非常必要。
目前，人们已经迥过新颖结构的设刘和大规模集成电路制作工艺的运用，研制出一些新型高压伙恢复整流管。1957年硅品闸管问世以后，电力电子器件的研究者作出了不懈的努力，经过结构的改进和工艺的改革，伎新器件不断出现ATMEL单片机相继开发出一系列品间管的派生器件。1964年，双向晶间管在cE公司开发成功。1961年，小功率光触发品间管出现，为共后出现的光糊合器打下了基础。20世纪60午代后期，大功率逆变品问管间世。成为当时逆变电路的基本万件。1974年，逆导品刚管和非对称品闸管研制完成。经过工艺完苦和应用开发，到20址纪70年代，晶间管已经形成了从低压小电流到高压大电流的系列产品。普通晶闸管广泛应用于交直流调速、调光、调温等低频(400H z以下)领域，运用出它所构成的电路对电网进行控制和变换是一种简便而经济的方法。不过，这种装置的运行会产生波形畸变和降低功率因数，影响电问的质量。目前的技术水平为12000v／1000A和6500v／4000A。双向晶间管常用于交流调压和调功电路巾。光控晶闸管是通过光俏号控制品间管导通的器件．它具有很强的抗干扰能力、良好的高压绝缘性能和较高的瞬时过电压承受能力，因而被应用于高压直流输电(HvDc)、静止无功功率补偿(sVc)等领域。逆变晶闸管因具有较短的关断时间(10—15s)，主要用于巾频感应加热。在逆变电路中，它已让位于GTR、GTo、IGBT等新器件。与普通品问管相比，逆导晶闸管具有关断时间短、正向压降小、额定结温高、高温特性好等优点，主要用于逆变器和整流器中。由晶闸管及其派生器件构成的各种电刀电子系统，征工业应用中主要解决了传统的屯能交换装置中所存征的能耗大和装置笨巫等问题，因而大大提高丁电能的利用率，同时也使工作噪声得到一定程度的控制。近十几年来，随着自关断器件的飞速发展，晶间管的应用领域有所缩水，但是，由于品闸管具有向电压大电流特性，因此它在高压直流输电(HvDc)、静止无功补偿(lVc)、大功率育流电源及超大功率和高压受频调速应用方面仍占有十分重要地位。预计在今后若干午内，品间管仍将在高电压、大电流应用场合得到继续发展。然而由于晶间管是只能通过门极电压控制共导通，而不．能控制其哭断的半控型器件，这就使它的应用范围受到了极大的限制。
(二)第二代电力电子器件
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以GTR、MOsFE7、ICBT为代表的具有自关断能力的全控型器件称为第二代电力电子器件。全控型器件可以控制开逝和关断，大大提i勾丁开关控制的灵活性。20世纪70年代中期起，电力晶体管(GTR)、可关断晶问管(GTO)、电／J场控晶体管(功MoSFET)、静电感应晶体管(sIT)、M0s控制品间管(MCT)、绝缘栅双极晶体管(1GBT)等通、断两态双可控器件相继问世。全控型器件的开关速度普遍高于晶间管，可用于开关频率较高的电路。功率MosFET是低压范围内最好的功率开关器件．目前广泛应用于高频开关电源、汁算机电源、航空电源、小功率uPs以及小功率变频器等领域。IcBT器件是一种N沟道增强型场控(电压) 复合器件。它兼有功率MosFET和双极型器件的开关速度快、安全工作区宽、驱动功率小、耐高压、载流能力大等优点。在大容显、；勾频率的电JJ电子电路中表现出非凡的性能，因此，IGBT器件将是促进高频电力电子技术发展的一种比较理想的基础元件。现在的电力电子器件可直接用Ic(集成控制器)进行驱动，高频持性更好制造技术已进入了和微电子技术相结合的初级阶段。
(三)第三代电力电子器件
第三代电力电子器件是以Ptc等功率集成心路为代表的高度智能化器件进入20世纪90午代以后，电力电子器件的研究和开发己进入高频化、标准模块化集成化和智能化代。电力电子器件的高频化是今后电力电于技术创新的主导方向，而硬件结构的标难模块化是电／J电子器件发展的必然趋势。功率集成电路(PIc)是指将高压功率器件与信号处理系统及外围接口电路、保护屯路、检测诊断电路等集成在同一芯片的集成电路。一般将其分为智能功率集成电路(sPIc)和高压集成电路(Hvlc)两类。但随着PIc的不断发展，sPIc与Hvlc在工作电压和器件结构上(垂直或横向)都难以严格区分，已习惯于将它们统称为智能功率集成电路或功率Ic。sPIc是机电一体化的关键接u，h路，是soc(系统级芯片sy瓤em on chip)的核心技术。它将信息采集、处理与功率控制台一，是引发第二次电子革命的关键技术。以5PIc、Hvlc等功率集成电路为代表的发展阶段，使电／J电子技术与微电子技术更紧密地结合在一起，是将全控型电力电子器件与驱动电路、控制电路、传感电路、保护电路、逻供电路等集成在一起的向度智能化的功率集成电路。Atmel它实现了器件与电路的集成，强吧与弱电、功率流与信息流的集成，成为机和电之间的智能化接D，是机电一体化的基础单元。sPIc的发展将会使lh力电子技术实现第二次革命，进入全新的智能化时代。综上所述，电力电子器件经过了50多年的发展，器件制造技术水平不断提高，新型器件不断涌现，为电力电子技术的发展作出了新的贡献。
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1.3电力电子技术的应用
自20世纪80年代，柔性交流输电（FACTS）概念被提出后，电力电子技术在电力统中的应用研究得到了极大的关注，多种设备相继出现。已有不少文献介绍和总结了相关设备的基本原理和应用现状。以下按照电力系统的发电、输电和配电以及节电环节，列举电力电子技术的应用研究和现状。 1.3.1在发电环节中的应用
电力系统的发电环节涉及发电机组的多种设备，电力电子技术的应用以改善这些设的运行特性为主要目的。 1.3.2大型发电机的静止励磁控制
静止励磁采用晶闸管整流自并励方式，具有结构简单、可靠性高及造价低等优点，世界各大电力系统广泛采用。由于省去了励磁机这个中间惯性环节，因而具有其特有的快速性调节，给先进的控制规律提供了充分发挥作用并产生良好控制效果的有利条件。
1.3.3水力、风力发电机的变速恒频励磁
水力发电的有效功率取决于水头压力和流量，当水头的变化幅度较大时（尤其是抽蓄能机组）机组的最佳转速变随之发生变化。风力发电的有效功率与风速的三次方成比，风车捕捉最大风能的转速随风速而变化。为了获得最大有效功率，可使机组变速运行，通过调整转子励磁电流的频率，使其与转子转速叠加后保持定子频率即输出频率恒定。此项应用的技术核心是变频电源。 1.3.4发电厂风机水泵的变频调速
发电厂的厂用电率平均为8%，风机水泵耗电量约占火电设备总耗电量的65%，且运行效率低。使用低压或高压变频器，实施风机水泵的变频调速，可以达到节能的目的。低压变频器技术已非常成熟，国内外有众多的生产厂家，并不完整的系列产品，但具备高压大容量变频器设计和生产能力的企业不多，国内有不少院校和企业正抓紧联合开发。
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1.3.5在输电环节中的应用
电力电子器件应用于高压输电系统被称为“硅片引起的第二次革命”，大幅度改善了电力网的稳定运行特性。
1.3.6直流输电（HVDC）和轻型直流输电（HVDC Light）技术
直流输电具有输电容量大、稳定性好、控制调节灵活等优点，对于远距离输电、海电缆输电及不同频率系统的联网，高压直流输电拥有独特的优势。1970年世界上第一项晶闸管换流器，标志着电力电子技术正式应用于直流输电。从此以后世界上新建的直流输电工程均采用晶闸管换流阀。 1.3.7柔性交流输电（FACTS）技术
FACTS技术的概念问世于20世纪80年代后期，是一项基于电力电子技术与现代控制技术对交流输电系统的阻抗、电压及相位实施灵活快速调节的输电技术，可实现对交流输电功率潮流的灵活控制，大幅度提高电力系统的稳定水平。20世纪90年代以来，国外在研究开发的基础上开始将FACTS技术用于实际电力系统工程。其输出无功的大小，设备结构简单，控制方便，成本较低，所以较早得到应用。 1.3.8在配电环节中的应用
配电系统迫切需要解决的问题是如何加强供电可靠性和提高电能质量。电能质量控既要满足对电压、频率、谐波和不对称度的要求，还要抑制各种瞬态的波动和干扰。电力电子技术和现代控制技术在配电系统中的应用，即用户电力（Custom Power）技术或称DFACTS技术，是在FACTS各项成熟技术的基础上发展起来的电能质量控制新术。可以将DFACTS设备理解为FACTS设备的缩小版，其原理、结构均相同，功能也相似。由于潜在需求巨大， 市场介入相对容易，开发投入和生产成本相对较低，随着电力电子器件价格的不断降低，可以预期DFACTS设备产品将进入快速发展期。 1.3.9在节能环节的运用
1.4.1 变负荷电动机调速运行
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电动机本身挖掘节电潜力只是节电的一个方面，通过变负荷电动机的调速技术节电又是另一个方面，只有将二者结合起来，电动机节电方较完善。目前，交流调速在冶金、矿山等部门及社会生活中得到了广泛的应用。首先是风机、泵类等变负荷机械中采用调速控制代替挡风板或节流阀控制风流量和水流量具有显著的效果。国外变负荷的风机、水泵大多采用了交流调速，我国正在推广应用中。变频调速的优点是调速范围广，精度高，效率高，能实现连续无级调速。在调速过程中转差损耗小，定子、转子也不大，节电率一般可达30%左右。其缺点主要为：成本高，产生高次谐波污染网。
1.4.2 减少无功损耗，提高功率因数
在电气设备中，变压器和交流异步电动机等都属于感性负载，这些设备在运行时不仅消耗有功功率，而且还消耗无功功率。因此，无功电源与有功电源一样，是保证电能质量不可缺少的部分。在电力系统中应保持无功平衡，否则，将会使系统电压降低，设备破坏，功率因数下降，严惩时会引起电压崩溃，系统解裂，造成大面积停电事故。所以，当电力网或电气设备无功容量不足时，应增装无功补偿设备，提高设备功率因数。
1.4单相半控桥式整流电路技术概况
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设置，以完成对电能的变换和制。电力电子学是横跨“电子”“电力”“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，得到了广泛的应用。但是晶闸管相控整流电路中随着触发角的增大，电流中谐波分量相应增大，因此功率因数很低。把逆变电路中得PWM控制技术用于整流电路，就构成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，且输入电压同相位，功率因数近似为1。这种整流电路称为高功率因数整流器，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的变换和控制，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的相似之处。
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单相桥式整流电路是一种相对重要的整流电路，把交流电能转换成直流的一种桥式整流电路。它可以应用到很多的地方，在许多的元器件中都有用到，范围广泛。
1.5本文研究内容
课程设计内容是设计一个单相半控桥式整流电路为1台额定电压110V、功率为5kW的直流电动机提供直流电源。其中交流电源为单相220V、整流输出电压dU在0～110V连续可调、整流输出电流最大值50A，同时根据实际工作情况，最小控制角取20～300左右。因此本文需要研究的是设计一个主电路、控制电路、保护电路组成的总电路，以及要进行MATLAB仿真实验。其中主电路是要设计一个单相半控桥式整流电路，控制电路是要同步信号为锯齿波的触发电路，而保护电路需要过电压保护和过电流保护两种。
单相桥式半控整流电路 有续流二极管与无需流二极管的区别：单相桥式半控整流电路有两种形式。一种是有续流二极管，另一种是无续流二极管。结构有所不同，原理也不同。下面是第一种情况的分析： 加续流二极管VDR, 以避免可能发生的失控现象。有续流二极管VDR时，续流过程由VDR完成，在续流阶段晶闸管关断，这就避免了某一个晶闸管持续导通而导致失控现象.同时，续流期间导电回路只有一个管压降，少了一个管压降，有利于降低损耗。第二种情况，无续流二极管，则当a突然增大至180度或触发脉冲消失时，会发生一个晶闸管持续导通而两个二极管轮流导通的情况，这使Ud为正弦半波半周期Ud另外半周期Ud为零，其平均值保持恒定，相当于单相半波不可控整流电路时波形，称为失控。
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2.单相半控桥式整流电路设计
整流的基础是整流电路。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。整流电路的应用十分广泛。广泛的应用于直流电动机、电镀、电解电源、同步发电机励磁、通信系统电源灯。整流电路是电力电子电路中出现最早的一种；整流电路是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。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。按组成的器件可分为不可控、半控、全控三种。按电路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或双向；分为单拍电路和双拍电路。单相桥式整流电路可分为单相桥式全控整流电路和单相桥式半控整流电路；它们有不同的工作特点。下面分析两种单相桥式整流电路的优缺点。
2.1单相半控桥式整流电路总体设计方案
单相半控桥式整流电路总体设计框图如图2.1所示
图2.1总电路整体框图
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220V交流输入部分是主要是由市电输入，为电路提供电源，桥式整流部分是将220V电源经过桥式整流将之前输入的交流电整流变换成直流电输出。脉冲宽度调节即调节触发脉冲的宽度改变直流输出电压的大小，最后由输出直流电源部分为电动机提供电源。
220交流输入部分作用:为电路提供电源，主要是市电输入。桥式整流电路部分作用:将交流220V电源经过桥式整流变成直流电路转换为可变的直流输出。触发电路部分作用:形成触发脉冲使主电路触发。保护电路部分作用:保护电路。输出直流电源部分作:为电动机提供电源。
2.2具体电路设计
2.2.1主电路设计
在单相式全控桥式整流电路中，每一个导电回路中有两个晶闸管，即用两个晶闸管同时导通以控制导电的回路。实际上为了对每个导电回路进行控制，只需一个晶闸管就行，另一个晶闸管可用二极管代替，从而简化整个电路。
如图2.2所示：
图2.2单项半控桥式整流电路
与全控桥时相似，假设负载中得电感很大，且电路已工作在稳态。在u2正半周，触角处给晶闸管VT1加触发脉冲，u2经VT1和VD4向负载供电。U2过零变负时，因电感作用是电流连续，VT1继续导通，但因a点电位低于b点电位，是得电流从VD4转移至VD2，VD2关断，电流不再流经变压器的二次绕组，而是
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由 VT1和VD2续流。此阶段，忽略器件的通态压降，则dU=0，不像全控桥时出现dU为负的情况。
在2u的负半周触发角刻触发VT3，VT3导通，则向VT1加反压使之关断， u2经VT3和VD2向负载供电。U2过零变正时，VD4导通, VD2关断。VT3和VD4续流，dU又为零，此后重复以上过程。
在桥式整流电路中，晶闸管VT1和VT4组成一对桥臂，VT2和VT3组成一对桥臂。在U2正半周是，若四个晶管均不导通，流过电动机的电流为零，且电动机两端电压为零，VT1和VT4串联承受压U2，设VT1和VT2漏电阻相等，则承受U2的一半。
若在触发角处给VT1和VT4加触发脉冲， VT1和VT4导通，电流从电源A端经VT1、VT4流回电源B端。当U2过零时，流经晶闸管的电流也将降到零，VT1和VT4关断。在U2负半周时，仍在触发角处触发VT2和VT3，VT2和VT3导通电流从电源B端流出，经VT3、VT2流回电源A端。到U2过零时，电流又降为零，VT2和VT3关断。此后又是VT1和VT4导通，如此循环地工作下去。晶闸管承受的最大正向电压和反相电压都为22U2。
整流电压平均值为:Ud=0.9U2cosα=0时，Ud =Ud0=0.9U2 。 a=π时，Ud =0。角的移相范围为π。
向负载输出的直流电流平均值为Id=U2/R=0.9U2/Rcosα晶闸管VT1、VT4、VT2、VT3轮流导电，流过晶闸管的电流平均值只有输出直流电流平均值的一半Idvt=1/2Id 为选择晶闸管、变压器容量、导线截面积等定额，需考虑发热问题，为此需计算电流有效值。流过晶闸管的电流有效值为:Ivt=0.707Id
变压器二次电流有效值I2与输出直流电流有效值I相等，为I=I2=Id 当不考虑变压器的损耗时，变压器的容量为S=U2*I2 同时该课设的变压器采用多分接输出。
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如图2.3所示：
图2.3单项半控桥式整流电路
2.2.2驱动电路设计
驱动电路方案：
方案一：采用专用集成芯片产生驱动信号。专用集成芯片对于整个系统来说非常好：集成度高，不易产生各种干扰；产生的驱动信号精确度高，更便于系统的精确度：简单、省事，易于实现。但是，专用集成芯片的价格比较昂贵且不易购买；对于锻炼个人能力用专用芯片业很难达到效果。
方案二：采用LM339、ICL8083等构成的驱动电路虽然效果不是很好，但是它完全是硬件驱动，能更好的锻炼人的知识运用和能力的开发。
两个方案相比较而言我选择方案二。
晶闸管门极触发信号由触发电路提供，由于晶闸管电路种类很多，如整流、逆变、交流调压、变频等；所带负载的性质也不相同，如电阻性负载、电阻—
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电感性负载、反电势负载等。尽管不同情况对触发电路的要求也不同，但是其基本的要求却是相同的，具体如下：
（a）触发信号应有足够的功率
这些指标在产品样本中均已标明，由于晶闸管元件门极参数分散性大，且触发电压、电流手温度影响会发生变化。例如元件温度为1000C时触发电流、电压值比在室温时低2—3倍；元件温度为400C时触发电流、电压值比在室温时高2—3倍；为了使元件在各种工作条件下都能可靠的触发，可参考元件出厂的实验数据或产品目录，设计触发电路的输出电压、电流值，并留有一定的裕量。一般可取两倍左右的触发电流裕量，而触发电压按触发电流的大小来决定，但是应注意不要超过晶闸管门极允许的峰值功率和平均功率极限值。
（b）触发脉冲信号应有一定的宽度
普通晶闸管的导通时间一般为6us，故触发脉冲的宽度至少应有6us以上，对于电感性负载，由于电感会抑制电流的上升，触发脉冲的宽度应该更大些，通常0.5m—1ms，否则在脉冲终止时主电路电流还未上升到晶闸管的擎住电流时，此时将使晶闸管无法导通而重新恢复关断状态。
单结晶体管原理单结晶体管（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b2一侧用合金法制作一个P区作为发射极e。其符号和等效电如下图2.4所示：
图2.4单结晶体管的符号和等效电路图
结晶体管的特性：
从图一可以看出，两基极b1和b2之间的电阻称为基极电阻。 Rbb=rb1+rb2式中：
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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Vbb，则A点电压为：
VA=[rb1/（rb1+rb2）]vbb=（rb1/rbb）vbb=ηVbb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，如图2.5所示：
图2.5管的伏安特性
（1）当Ve〈η Vbb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Ve≥ηVbb+VD VD为二极管正向压降（约为0.7V），PN结正向导通，Ie显著增加，rb1阻值迅速减小，Ve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Vp=ηVbb。
（3）随着发射极电流Ie的不断上升，Ve不断下降，降到V点后，Ve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Vv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Vv是维持单结晶体管导通的最小发射极电压，如果Ve〈Vv，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Vcb1 b2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Ieo b1开路，在额定反向电压Vcb2下，eb2间的反向电流。 （5）发射极饱和压降Veo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电流。单结晶体管电路如下图2.6所示，波形图如图2.7所示：
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图2.6单结晶体管触发电路图
图2.7触发信号波形
2.2.3触发电路设计
本课设采用的触发电路为相位控制晶闸管的触发电路，并以同步信号为锯齿波的触发电路作为控制电路、如图2.8所示。此电路可分为六个基本环节：脉冲的形成与放大、锯齿波的形成和脉冲移相、同步环节、双窄脉冲形成环节、强触发环节、封锁环节。本课设主要以脉冲形成、脉冲移相、同步作介绍。
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图2.8触发电路
（1）脉冲形成环节
脉冲形成环节由晶体管4V、5V组成，7V、8V起脉冲放大作用。控制电压Uco加在4V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8V集电极电路中。当Uco=0时，4V截止。1E电源通过11R供给5V一个足够大的基极电流，使5V饱和导通，所以5V的集电极电压5cU接近于-1E。7V、8V处于截止状态，无脉冲输出。另外，电源的1E（15V）经9R、5V发射结到-1E（-15V），对电容3C充电，充满后电容两端电压接近21E（30V）。当控制电压Uco~0.7V时，4V导通，A点电位由+1E（+15V）迅速降低至1.0V左右，由于电容3C两端电压不能突变，所以5V基极电位迅速降至约-21E（-30V），由5V发射结反偏置，5V立即截止。它的集电极电压由1E（-15V）迅速上升到+3.1V（6VD、7V、8V三个PN结正向压之和），于是7V、8V导通，输出触发脉 本科生课程设计（论文）7 冲。同时，容3C经电源+1E、11R、4VD、4V放电和反向充电，使5V基极电位又逐渐上升，直到5bU》-1E（-15），5V又重新导通。这时5cU又立即降1E，使7V、8V截止，输出脉冲终止。可见，脉冲前沿由4V导通时刻确定，5V（或6V）截止持续时间即为脉冲宽度。所以脉冲宽度与反向充电回路时间常数11R、3C有关。
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(2)锯齿波的形成和脉冲移相环节
锯齿波的形成和脉冲移相环节中，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。如图所示为恒流源电路方案，由1VV3V和2C等元件组成，其中1VsV、2RP、和3R为一恒流源电路。
(3)同步环节
在锯齿波同步的触发电路中，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。从图可知，锯齿波是由开2V管来控制的。2V由导通变截止期间产生锯齿波，2V截止状态持续的时间就是锯齿波的宽度，2V开关的频率就是锯齿波的频率。要使触发脉冲与主电路电源同步，使2V的开关频率与主电路电源频率同步就可达到。图中的同步环节，是由同步变压器TS和作同步开关用的晶2V组成的。同步变压器和整流变压器接在同一电源上，用同步变压器的二次电压来制2V的通断作用，这就保证了触发脉冲与主电路的电源同步。同步变压器二次电压TSu经二极管1VD间接加在2V的基极上。当二次电压波形在负半周的下降段时，1VD导通，电容1C被迅速充电。因O点接地为零电位，R点为负电位，Q点电位与R点相近，故在这一阶段2V基极为反向偏置，2V截止。在负半周的上升段，+1E电源通过1R给电容1C反向充电，Qu为电容反向充电波形，其上升速度比TSu波形慢，故1VD截止。当Q点电位达1.4V时，2V导通，Q点电位被钳位在1.4V。直到TS二次电压的下一个负半周到来时，1VD重新导通，1C迅速放电后又被充电，2V截止。如此周而复始。在一个正弦波周期内，2V包括截止与导通两个状态，对应锯齿波波形恰好是一个周期，与主电路电源频率和相位完全同步，达到同步的目的。可以看出，Q点电位从同步电压负半周上升段开始时刻到达1.4V的时间越长，2V截止时间就越长，锯齿波就越宽。可知锯齿波的宽度是由充电时间常数1R、1C决定的。
2.2.4保护电路设计
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便。检测开关器件的电流、电压，保主电路中得开关器件，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式电路短时间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。保护电路的设计在电力电子电路中，除了电力电子器件参数选择合适、驱动电路设计采用合适的过电
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压、过电流、du/dt保护和di/dt保护也是必要的。过电压保护电力电子装置中可能发生的过电压分为外因过电压和内应过电压两类。
外因过电压主要来自雷击和系统中的操作过程等外部原因，包括： （1）操作过电压：由分闸、合闸等开关操作引起的过电压，快速直流开关的切断等经常性操作中的电磁过程引起的过压。
（2）雷击过电压：由雷击引起的过电压。
内因过电压主要来自电力电子装置内部器件的开关过程，包括：
（1）换相过电压：由于晶闸管或者全控器件反并联的续流二极管在换相结束后不能立刻恢复阻断能力，因而有较大的反向电流流过，使残存的载流子恢复，当其恢复了阻断能力时，反向电流急剧减小，这样的电流突变会因线路电感而在晶闸管阴阳极之间或与续流二极管反并联的全控型器件两端产生过电压。
（2）关断过电压：全控型器件在较高的频率下工作，当器件关断时，因正向电流的迅速降低而由线路电感在器件两端感应出的过电压。过压保护要根据电路中过压产生的不同部位，加入不同的保护电路，当达到—定电压值时，自动开通保护电路，使过压通过保护电路形成通路，消耗过压储存的电磁能量，从而使过压的能量不会加到主开关器件上，保护了电力电子器件。为了达到保护效果，可以使用阻容保护电路来实现。将电容并联在回路中，当电路中出现电压尖峰电压时，电容两端电压不能突变的特性，可以有效地抑制电路中的过压。与电容串联的电阻能消耗掉部分过压能量，同时抑制电路中的电感与电容产生振荡示。
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；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。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适合，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速熔断器，因流过快速熔断器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。
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图2.9过电流保护电路
过电压保护：
设备在运行过程中，会受到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。过电压保护的一种方法是并接R-C阻容吸收回路，以及用压敏电阻等非线性元件加以抑制。如图2.10所示：
图2.10过电压保护电路
电流上升率、电压上升率的抑制保护：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，局部电流很大，然后以一定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，必须限制晶闸管的电流上升率使其在合适的范围内。有效办法是在晶闸管的阳极回路串联入电感。如图2.11所示：
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：
图2.11电流上升率抑制保护电路
加在晶闸管上的正向电压上升率dv/dt也应有所限制，如果dv/dt过大，由于晶闸管接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，严重时引起晶闸管的误导通，有效
办法可以在晶闸管两端并联R-C吸收回路。如图2.12所示
：
图2.12 R-C吸收回路
2.3元器件型号选择
2.3.1参数计算
由于单相桥式半空整流电路带电感性负载主电路主要原件是晶闸管，所以选取原件主要考虑晶闸管的参数及选取原则。
1.通常取断态重复峰值电压UDRM和反向重复峰值电压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，额定电压要留有一定裕量，一般取额定电压应为正常工作峰值电压UTM的2～3倍，以保证电路的工作安全。
因此晶闸管额定电压：UTN =min(UDR M，URRM ) UTN=( 2 ~ 3 )UTM (2-1)
2.额定电流IT(AV)
又称为额定通态平均电流，国标规定为晶闸管在环境温度为40°C和规定的冷却状态下，稳定结温不超过额定结温时所允许留过的最大贡品正弦半波电流的平均值。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。要注意的是若晶闸管的导通时间远小于正弦波的半个周期即使正向电流值没超过额定值，但峰值电流将非常大，可能要超过管子所能提供的极限，使管子由
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于过热而损坏。使用时应按十几电流与通态平均电流有效值相等的原则来选取晶闸管，而且应留有一定的裕量，一般取1.5～2倍。正弦半波电流平均值IT(AV)电流有效值IT和电流最大值Im三者的关系为：
(2-2)
各种有直流分量的电流波形，其电流波形的有值IT(AV)之比，称为这个电流的波形系数，用Kf表示。因此在正弦半波情况下电流波形系数为：
(2-3)
本设计要求带阻感性负载，则有：
(2-4)
当α=0°时，Ud取最大值180V既而得出U2=200V，α=180°时，Ud =0，则α角的移相范围为0～180°。晶闸管承受的最大电压为： 考虑到2～3倍的安全裕量，则晶闸管的额定电压为：
(2-5)
那么单独流过一个晶闸管的电流有效值为：
考虑（1.5～2）倍的安全裕量则晶闸管的额定电流为： 因此晶闸管的型号：KP15—700
(2-6)
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电子元件（1）<电阻>
电阻在电路中用“R”加数字表示，如：R1表示编号为1的电阻。电阻在电路中的主要作用为：分流、限流、分压、偏置等。＃ 1、参数识别：电阻的单位为欧姆（Ω），倍率单位有：千欧（KΩ），兆欧（MΩ）等。换算方法是：1兆欧=1000千欧=1000000欧电阻的参数标注方法有3种，即直标法、色标法和数标法。a、数标法主要用于贴片等小体积的电路，如：472 表示47×100Ω（即4.7K）；104则表示100K b、色环标注法使用最多，现举例如下：四色环电阻五色环电阻（精密电阻）＃2、电阻的色标位置和倍率关系如下表所示：颜色有效数字倍率允许偏（%）银色/ x0.01 ±10 金色/ x0.1 ±5 黑色0 +0 / 棕1 x10 ±1 红色2 x100 ±2 橙3 x1000黄4x10000 / 绿色5 x100000 ±0.5 蓝色6 x1000000 ±0.2 紫色7 x10000000 ±0.1灰色8 x100000000 / 白色9 x1000000000 /。
电子元件（2）<电容>
电容在电路中一般用“C”加数字表示（如C13表示编号为13的电容）。电容是由两片金属膜紧靠，中间用绝缘材料隔开而组成的元件。电容的特性主要是隔直流通交流。电容容量的大小就是表示能贮存电能的大小，电容对交流信号的阻碍作用称为容抗，它与交流信号的频率和电容量有关。容抗XC=1/2πf c (f表示交流信号的频率，C表示电容容量)电话机中常用电容的种类有电解电容、瓷片电容、贴片电容、独石电容、钽电容和涤纶电容等。＃2、识别方法：电容的识别方法与电阻的识别方法基本相同，分直标法、色标法和数标法3种。电容的基本单位用法拉（F）表示，其它单位还有：毫（mF）、微法（uF）、纳法（nF）、皮法（pF）。其中：1法拉=103毫法=106微法=109纳法=1012皮法容量大的电容其容量值在电容上直接标明，如10 uF/16V容量小的电容其容量值在电容上用字母表示或数字表示字母表示法：1m=1000 uF 1P2=1.2PF1n=1000PF 数字表示法：一般用三位数字表示容量大小，前两位表示有效数字，第三位数字是倍率。如：102表示10×102PF=1000PF 224表22×104PF=0.22 uF＃3、电容容量误差表符号F G J K L M 允许误差±1% ±2% ±5% ±10% ±15% ±20% 如：一瓷片电容为104J表示容量为0. 1 uF、误差为±5%。
电子元件（3）<晶体二极管>
晶体二极管在电路中常用“D”加数字表示，如：D5表示编号为5的二极管。＃1、作用：二极管的主要特性是单向导电性，也就是在正向电压的作用下，导通电阻很小；而在反向电压作用下导通电阻极大或无穷大。正因为二极管具有上述特性，无绳电话机中常把它用在整流、隔离、稳压、极性保护、编码控制、调频调制和静噪等电路中。电话机里使用的晶体二极管按作用可分为：整
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流二极管（如 1N4004）、隔离二极（如1N4148）、肖特基二极管（如BAT85）、发光二极管、稳压二极管等。＃2、识别方法：二极管的识别很简单，小功率二极管的N极（负极），在二极管外表大多采用一种色圈标出来，有些二极管也用二极管专用符号来表示P极（正极）或N极（负极），也有采用符号标志为“P”、“N”来确定二极管极性的。发光二极管的正负极可从引脚长短来识别，长脚为正，短 脚为负。＃3、测试注意事项：用数字式万用表去测二极管时，红表笔接二极管的正极，黑表笔接二极管的负极，此时测得的阻值才是二极管的正向导通阻值，这与指针式万用表的表笔接法刚好相反。＃4、常用的1N4000系列二极管耐压比较如下：型号1N4001 1N4002 1N4003 1N4004 1N4005 1N4006 1N4007 耐压（V）50 100 200 400 600 800 1000 电流（A）均为1 。
电子元件（4）<稳压二极管>
稳压二极管在电路中常用“ZD”加数字表示，如：ZD5表示编号为5的稳压管。＃1、稳压二极管的稳压原理：稳压二极管的特点就是击穿后，其两端的电压基本保持不变。这样，当把稳压管接入电路以后，若由于电源电压发生波动，或其它原因造成电路中各点电压变动时，负载两端的电压将基本保持不变。＃ 2、故障特点：稳压二极管的故障主要表现在开路、短路和稳压值不稳定。在这3种故障中，前一种故障表现出电源电压升高；后2种故障表现为电源电压变低到零伏或输出不稳定。常用稳压二极管的型号及稳压值如下表：型号1N4728 1N4729 1N4730 1N4732 1N4733 1N4734 1N4735 1N4744 1N4750 1N4751 1N4761 稳压值 3.3V 3.6V 3.9V 4.7V 5.1V 5.6V 6.2V 15V 27V 30V 75V。
电子元件（5）<电感>
电感在电路中常用“L”加数字表示，如：L6表示编号为6的电感。电感线圈是将绝缘的导线在绝缘的骨架上绕一定的圈数制成。直流可通过线圈，直流电阻就是导线电阻，压降很小；当交流信号通过线圈时，线圈两端将会产生自感电动势，自感电动势的方向与外加电压的方向相反，阻碍交流的通过，所以电感的特性是通直流阻交流，频率越高，线圈阻抗越大。电感在电路中可与电容组成振荡电路。电感一般有直标法和色标法，色标法与电阻类似。如：棕、黑、金、金表示1uH（误差5%）的电感。
电感的基本单位为：亨（H）换算单位有：1H=103mH=106uH。
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2.4仿真模型
启动MATLAB，打开Simulink，新建文件，根据单相桥式半控整流电路所需的元器件添加相应的控件并连线，完成仿真图的绘制。绘制完成后的仿真图如图2.13所示。
图2.13单相半控桥式电路仿真模型
仿真电路各元件参数设计：
1.单相交流电路。峰值电压设置为141v,频率设置50Hz。 2.二极管和晶闸管为默认的参数。
3.设置触发器的周期与电压周期一致，为0.02s，通过设置触发时间来控制输出电压与电流的波形。
4.设置负载电阻为100欧。
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2.5仿真波形
经过以上参数整定后，整个系统的仿真设计已经完成，现给出所有输出结果。其仿真波形如下：
当触发角为30°，波形如图2.14所示：
图2.14触发角为30°的波形
当触发角为90°时，波形如图2.15所示：
图2.15触发角为90°的波形
当触发角为120°时，波形如图2.16所示：
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图2.16触发角为120°的波形
2.6仿真结果分析
仿真得到的第一个波形为单相交流输入电压波形，可以看出在触发角不同时，输入电 压不变。
第二个波形为触发脉冲，在一个周期内有两个相差180°的触发脉冲。第三个波形为流过某一个晶闸管的电流波形，可以看出每个晶闸管都只在半个周期内能导通且电流随触发角不同而不同。第四个波形为输出电流波形。第五个波形为输出电压波形，可以看出输出电流波形与输出电压波形形状一样。单相交流电在经过整流之后变成直流电，输出电压波形与电流波形相同。由于有反电势的存在，使晶闸管提前了度30停止导电。
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总结
本课程设计是要求设计一个单相半控桥式整流电路为额定电压110V、功率为5kW的直流电动机提供直流可调电源，在设计过程中需要设计一个单相半控桥式整流电路作为主电路，以及需要设计一个控制电路，同时还要有保护电路。在总电路设计之后还需要进行MATLAB仿真实验。
在设计过程中先要设计一个桥式电路作为主电路。单相半控桥式整流电路的设计需要用到晶闸管和电力二极管，相对于单相全控桥式整流电路来说，需要的器件更加简单、经济，对于晶闸管的应用数量更少，但是相对去全控整流电路更容易出现失控现象。对于单相半控桥式整流电路，需要一个控制电路，所以在主电路设计完成之后就是对控制电路的设计，而本课程设计中所用到的是同步信号为锯齿波的触发电路作为该设计中的控制电路。对于一个电路来说需要保护电路来保护器件和系统，所以在最后要设计保护电路，而对于保护电路来说有过电压保护和过电流保护两种。根据不同的原因要设计不同的保护电路，所以就需要过电压和过电流两种保护电路。在设计电路完成之后，要进行MATLAB的仿真实验来验证所设计的电路是否成功，通过MATLAB仿真实验可以验证设计的电路符合设计要求。
最后通过电力电子课程设计对于主要器件晶闸管的原理和作用有了很大的提高，在这个过程中也学到了很多东西。
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致谢
通过这次的课程设计让我不仅对电力电子的理论知识有了很深的认识也对我的实践动手能力有了很大的培养。课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，这是我们迈向社会，从事职业工作前一个必不少的过程．”千里之行始于足下”，通过这次课程设计，我们深深体会到这句千古名言的真正含义．我们今天认真的进行课程设计，学会脚踏实地迈开这一步，就是为明天能稳健地在社会大潮中奔跑打下坚实的基础。当然这次设计还有很多不足之处，例如对基础知识了解不够充分，导致设计过程中出现很多不必要的麻烦，所以在以后的学习构成中我会加倍学习相关知识，以弥补自己的不足。
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参考文献
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