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任务提出与方案论证
现在, 人们越来越注意用电安全和打造节约型社会, 因此, 那种大小可调的直流电源越 来越受到人们的重视。此次设计的任务就是设计一个基于单相桥式半控整流电路的可调直流 电源。
1.1 设计要求
1、电源电压:交流 220V/50Hz2、输出电压范围:20V-50V(40V3、最大输出电流:10A4、具有过流保护功能,动作电流:12A5、具有稳压功能
6、电源效率不低于 70% 1.2 方案的论证与设计
触发电路是本电路的核心部分, 也是一个难点。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有如下要求:(1触发电路的触发信号必须在晶闸管门极伏安特性的可靠触发区。同时要 求脉冲功率不超过允许瞬时最大功率限制线和平均功率限制线。
(2触发脉冲应具有一定的宽度和幅度,触发脉冲消失前,阳极电流应能上 升至擎住电流,保证晶闸管可靠开通。
(3触发脉冲必须与晶闸管的阳极电压同步,脉冲移相范围必须满足电路要 求。
(4触发脉冲与主电路电源必须同步。为了使晶闸管在每一个周期都以相同 的控制角 被触发导通, 触发脉冲必须与电源同步, 两者的频率应该相同, 而且 要有固定的相位关系,以使每一周期都能在同样的相位上触发。
对触发电路的选择有以下二种方案: 方案一:单结晶体管移相触发电路
单结晶体管构成的触发电路由自激振荡、同步电源、移相、脉冲形成等部分 组成。电路如图 1-1所示 : 图 1-1单结晶体管移相触发电路图
对于此电路, 改变电位器 RP 的数值可以调节输出脉冲电压的频率。但是(RV1+RS 的阻值不能太小,否则在单结晶体管导通之后,电源经过 RV1和 RS 供给的电流较大, 单结晶体管的电流不能降到谷点电流之下, 电容电压始终大于 谷点电压,因此,单结晶体管就不能截止,造成单结晶体管的直通现象。当然,(RV1+RS 的阻值也不能太大,否则充电太慢,使晶闸管的最大导通角受到限 制,减小移相范围。一般(RV1+RS 是几千欧到几十千欧。
单结晶体管触发电路输出的脉冲电压的宽度, 主要决定于电容器放电的时间 常数。R1或 C2太小,放电快,触发脉冲的宽度小,不能使晶闸管触发。因为晶 闸管从阻断状态到完全导通需要一定时间,一般在 10uf 以下,所以触发脉冲的 宽度必须在 10uf 以上。但是,若 C2值太大,由于充电时间常数(RV1+RS C2的最小值决定于最小控制角,则(RV1+RS 就必须很小,如上所述,这将引起 单结晶体管的直通现象。如果 R1太大,当单结晶体管尚未导通时,其漏电流就 可能在 R1上产生较大的电压,这个电压加在晶闸管的控制极上而导致误触发。方案二:锯齿波垂直移相相控触发电路
输出可为双窄脉冲(适用于有两个晶闸管同时导通的电路 ,也可为单窄脉 冲。五个基本环节:同步环节、锯齿波的形成和脉冲移相、脉冲的形成与放大。1.3 方案的确定
经过全方位的对比, 使电路的设计更加合理化, 切合技术指标的标准, 觉得 使用方案二比较好。总体设计
晶闸管相控整流电路中随着触发角α的增大,电流中谐波分量相应增大, 因此功率因素很低。把逆变电路中的 SPWM 控制技术用于整流电路, 就构成了 PWM 整流电路。通过对 PWM 整流电路的适当控制, 可以使其输出电流非常接近正弦波, 且和输入电压同相位,功率因素近似为 1。
2.1 总体设计框图
电路组成包括电源模块、控制电路、触发电路以及过流保护电路, 如图 2-1所示。
图 2-1电路组成框图 2.2 方框图的论述 各部分功能: 控制电路:综合系统信息进行处理, 产生和负载所需电压相适应的相位控制 信号
同步电路:获得与交流源同步的正弦交流信号 , 确定各元件自然换相点和移 相范围
移相控制电路:由相位控制信号和同步信号结合,产生移相脉冲信号。驱动电路:移相脉冲信号进行整形处理 , 产生所需的触发脉冲信号详细设计及仿真
在本章节当中,将对本设计中各单元电路的具体设计方案、元器件的选择 作进一步论述。3.1主电路的设计
主电路主要包括单相桥式半控整流电路,其结构如图 3-1所示。
图 3-1 单相桥式半控整流电路 3.1.1 晶闸管的结构与工作原理(1晶闸管的结构
晶闸管内部是 PNPN 四层半导体结构,分别命名为 P1、N1、P2、N2四个区。P1区引 出阳极 A , N2区引出阴极 K , P2区引出门极 G。四个区形成 J1、J2、J3三个 PN 结。如果 正向电压加到器件上,则 J2处于反向偏置状态,器件 A、K 两端之间处于阻断状态,只能 流过很小的漏电流;如果反向电压加到器件上,则 J1和 J3反偏,该器件也处于阻断状态, 仅有极小的反向漏电流通过。
(2晶闸管的工作原理
晶闸管导通的工作原理可以用双晶体管模型来解释, 如图 2-3所示。如在器件上取一倾 斜的截面,则晶闸管可以看作由 P1N1P2和 N1P2N2构成的两个晶体管 V1、V2组合而成。如果外电路向门极注入电流 IG ,也就是注入驱动电流,则 IG 流入晶体管 V2的基极。即产 生集电极电流 Ic2,它构成晶体管 V1的基极电流,放大成集电极电流 Ic1,又进一步增大 V2的基极电流, 如此形成强烈的正反馈, 最后 V1和 V2进入完全饱和状态, 即晶闸管导通。此时如果撤掉外电路注入门极的电流 IG ,晶闸管由于内部已形成了强烈的正反馈会仍然维 持导通状态。而若要使晶闸管关断,必须去掉阳极所加的正向电压,或者给阳极施加反压, 或者设法使流过晶闸管的电流降低到接近于零的某一数值以下, 晶闸管才能关断。所以, 对 晶闸管的驱动过程更多的是成为触发,产生注入门极的触发电流 IG 的电路称为门极触发电 路。也正是由于通过其门极只能控制其开通, 不能控制其关断, 晶闸管才被称为半控型器件。
