單相輸入亮度可連續(xù)調(diào)節(jié)燈光電路AC-AC設(shè)計

1、武漢理工大學(xué)電力電子裝置及系統(tǒng)課程設(shè)計說明書課程設(shè)計任務(wù)書學(xué)生姓名： 專業(yè)班級： 指導(dǎo)教師： 工作單位： 題 目: 單相輸入亮度可連續(xù)調(diào)節(jié)燈光電路AC-AC設(shè)計初始條件：輸入220V單相交流電。要求完成的主要任務(wù): （包括課程設(shè)計工作量及其技術(shù)要求，以及說明書撰寫等具體要求）1、采用交流調(diào)壓電路；2、負(fù)載（燈泡）要求060V交流電壓，最大負(fù)載電流5A 3、設(shè)計主電路，選擇主電路的參數(shù)時間安排：課程設(shè)計時間為兩周，將其分為三個階段。第一階段：復(fù)習(xí)有關(guān)知識，閱讀課程設(shè)計指導(dǎo)書，搞懂原理，并準(zhǔn)備收集設(shè)計資料，此階段約占總時間的20%。第二階段：根據(jù)設(shè)計的技術(shù)指標(biāo)要求選擇方案，設(shè)計計算。約占總時間的4

2、0%。第三階段：完成設(shè)計和文檔整理，約占總時間的40%。指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日系主任（或責(zé)任教師）簽名： 年 月 日目錄1 概述31.1交流調(diào)壓作用簡介31.2 方案確定41.3 斬波式交流調(diào)壓電路基本原理42 元件選擇52.1 觸發(fā)芯片SG352552.2 開關(guān)器件選擇62.2.1 IGBT的選擇62.2.2 續(xù)流二極管選擇62.3 緩沖電路元件選擇62.4 邏輯元件的選擇73 主電路設(shè)計73.1觸發(fā)電路73.2 緩沖電路84 主控電路說明84.1 芯片的介紹84.2 管腳功能94.3 芯片使用105 小結(jié)11附錄（總電路圖）12參考文獻131 概述1.1交流調(diào)壓作用簡介在工業(yè)生產(chǎn)及日用

3、電氣設(shè)備中，有不少交流供電的設(shè)備采用控制交流電壓來調(diào)節(jié)設(shè)備的工作狀態(tài)，如加熱爐的溫度、電源亮度、小型交流電機的轉(zhuǎn)速等。這樣就需要設(shè)計一種交流調(diào)壓電路來控制，其基本原理是把兩個晶閘管反并聯(lián)后串聯(lián)在交流電路中,通過對晶閘管的控制就可以控制交流電力。在每一個周波內(nèi)通過對晶閘管開通相位的控制，可以方便地調(diào)節(jié)輸出電壓的有效值，這種電路稱為交流調(diào)壓電路。用在電熱控制、交流電動機速度控制、燈光控制和交流穩(wěn)壓器等場合。采用晶閘管作為開關(guān)元件的典型單相交流調(diào)壓電路如圖1所示。常用通斷控制或相位控制方法來調(diào)節(jié)輸出電壓。圖1 典型單相交流調(diào)壓電路交流調(diào)壓電路也廣泛用于燈光控制（如調(diào)光臺燈和舞臺燈光控制）及異步電動機

4、的軟起動，也用于異步電動機調(diào)速。在供用電系統(tǒng)中，這種電路還常用于對無功功率的連續(xù)調(diào)節(jié)。此外，在高壓小電流或低壓大電流中，也常采用交流調(diào)壓電路調(diào)節(jié)變壓器一次電壓。如采用晶閘管相控整流電路，高電壓小電流可控直流電源就需要很多晶閘管串聯(lián)，同時，低電壓大電流直流電源需要很多晶閘管并聯(lián)。這都是十分不合理的。采用交流調(diào)壓電路在變壓器一次側(cè)調(diào)壓，其電壓電流值都不太大也不太小，在變壓器二次側(cè)只要用二極管整流就可以了。這樣的電路體積小、成本低、易于設(shè)計制造。（1）1.2 方案確定目前有晶閘管調(diào)壓器和逆變式調(diào)壓器兩種。晶閘管調(diào)壓器采用的是相控方式，因此其輸出波形差；逆變式調(diào)壓器采用的是斬波控制方式，其輸出波形和動

5、態(tài)響應(yīng)較好。所以，我選用斬波式控制的交流調(diào)壓裝置，其原理圖如圖1.2.圖1.2 斬波式交流調(diào)壓電路1.3 斬波式交流調(diào)壓電路基本原理斬控式交流調(diào)壓電路的原理圖如圖1.2，圖中V1、V2、VD1、VD2構(gòu)成雙向可控開關(guān)?；驹砗椭绷鲾夭娐酚蓄愃频牡胤剑皇侵绷鲾夭娐返妮斎胧侵绷麟妷?，而斬空式交流調(diào)壓電路的輸入是正弦交流電壓。在交流電源Ui的正半周，用V1進行斬波控制，用V3給負(fù)載電流供電提供續(xù)流通道；用V2進行斬波控制，用V4給負(fù)載電流提供續(xù)流通道。設(shè)斬波器件V1、V2的導(dǎo)通時間為ton，開關(guān)周期為T，則導(dǎo)通比為=ton/T，和直流斬波電路一樣，通過對的調(diào)節(jié)可以調(diào)節(jié)輸出電壓U0。圖1.3給

6、出了電阻負(fù)載時負(fù)載電壓U0和電源電流i1(也就是負(fù)載電源)的波形?？梢钥闯鲭娫措娏鞯幕ǚ至渴桥c電源電壓同相位的。即位移因數(shù)為1。電源電流不含低次諧波，只含和開關(guān)周期T有關(guān)的高次諧波，這些高次諧波用很小的濾波器即可濾除，這時電路的功率因數(shù)接近于1。圖1.3 電阻負(fù)載時斬控式交流調(diào)壓電路波形2 元件選擇2.1 觸發(fā)芯片SG3525SG3525 是一種性能優(yōu)良、功能齊全和通用性強的單片集成PWM控制芯片，其管腳圖如圖2.1所示，起內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2.2所示。它簡單可靠及使用方便靈活，輸出驅(qū)動為推拉輸出形式，增加了驅(qū)動能力；內(nèi)部含有欠壓鎖定電路、軟啟動控制電路、PWM鎖存器，有過流保護功能，頻率可調(diào)，同

7、時能限制最大占空比。圖2.1 SG3525管腳圖2.2 開關(guān)器件選擇2.2.1 IGBT的選擇當(dāng)開關(guān)管截止時，續(xù)流二極管導(dǎo)通，穩(wěn)壓電源的全部輸入電壓都加在開關(guān)管的集射極間，因此，開關(guān)管的耐壓值VCBO必須大于交流電路的輸出電壓Uwi，考慮到其他因素的影響，開關(guān)管集射級間電壓U按下式選取：U2.5Uwi=550V最大集電極電流選取Ic=2*6=12A2.2.2 續(xù)流二極管選擇當(dāng)開關(guān)管截止時，續(xù)流二極管導(dǎo)通，通過續(xù)流二極管傳輸?shù)截?fù)載。由此可知，續(xù)流二極管的正向額定電流必須大于開關(guān)管的最大集電極電流。當(dāng)開關(guān)管飽和時，集電極間的電壓可以忽略不記，續(xù)流二極管的耐壓值必須大于前級整流電路的輸出電壓Uwi。

8、2.3 緩沖電路元件選擇RCD緩沖吸收電路為例，其中應(yīng)用的元件需要結(jié)合實際的情況進行選擇。其中的吸收電容Cs的選擇可以采用下面的公式：Cs=LsI02(Upk-Uco)2電路中的電阻Rs不宜過大，如太大Cs放電時間過長，電不能完全放掉。但Rs太小，在器件導(dǎo)通時，RsCs放電電流過大、過快，可能危及器件的安全，也可能引起振蕩。一般的，電阻選擇參考下面的公式：Rs=16Csfsw其中，Ls：主電路電感，主要是沒有續(xù)流時的雜散電感；Upk：Cs上的最大充電電壓；Uc0：電源電壓；I0：負(fù)載電流；fsw：開關(guān)頻率。（3）需要注意的是，電容應(yīng)該選擇無感電容；電阻要注意它的功耗，應(yīng)選擇相應(yīng)的功率電阻；吸收

9、模塊的制作要注意絕緣。2.4 邏輯元件的選擇邏輯元件主要使用到與非門、非門。經(jīng)過這兩個邏輯元件組合形成PWM輸出關(guān)斷信號、觸發(fā)信號的互鎖等功能。3 主電路設(shè)計3.1觸發(fā)電路采用SG3525觸發(fā)芯片為主的觸發(fā)電路，電路圖如圖3.1所示。圖3.1 SG3525觸發(fā)電路其中3個與非門構(gòu)成同步失調(diào)保護，如圖3.2所示。通過對比兩組A、B和A、B，當(dāng)他們?nèi)我鈨蓚€相同時說明兩組觸發(fā)脈沖步調(diào)不一致，輸出就為高電平給管腳10，使停止輸出PWM，是晶體管關(guān)斷，停止給負(fù)載供電。圖3.2 同步時調(diào)保護3.2 緩沖電路RCD緩沖電路，其作用是抑制電力電子器件的內(nèi)因過電壓du/dt或者是過電流di/dt，減小開關(guān)損耗。

10、我選用的是di/dt抑制電路，如圖3.2所示。（2）圖3.3 RCD緩沖電路4 主控電路說明4.1 芯片的介紹隨著電能變換技術(shù)的發(fā)展，功率MOSFET在開關(guān)變換器中開始廣泛使用，為此美國硅通用半導(dǎo)體公司（SiliconGeneral）推出SG3525。SG3525是用于驅(qū)動N溝道功率MOSFET。其產(chǎn)品一推出就受到廣泛好評。SG3525系列PWM控制器分軍品、工業(yè)品、民品三個等級。下面我們對SG3525特點、引腳功能、電氣參數(shù)、工作原理以及典型應(yīng)用進行介紹。4.2 管腳功能1.Inv.input(引腳1)：誤差放大器反向輸入端。在閉環(huán)系統(tǒng)中，該引腳接反饋信號。在開環(huán)系統(tǒng)中，該端與補償信號輸入端

11、（引腳9）相連，可構(gòu)成跟隨器。2.Noninv.input(引腳2)：誤差放大器同向輸入端。在閉環(huán)系統(tǒng)和開環(huán)系統(tǒng)中，該端接給定信號。根據(jù)需要，在該端與補償信號輸入端（引腳9）之間接入不同類型的反饋網(wǎng)絡(luò)，可以構(gòu)成比例、比例積分和積分等類型的調(diào)節(jié)器。3.Sync(引腳3)：振蕩器外接同步信號輸入端。該端接外部同步脈沖信號可實現(xiàn)與外電路同步。4.OSC.Output(引腳4)：振蕩器輸出端。5.CT(引腳5)：振蕩器定時電容接入端。6.RT（引腳6）：振蕩器定時電阻接入端。7.Discharge(引腳7)：振蕩器放電端。該端與引腳5 之間外接一只放電電阻，構(gòu)成放電回路。8.Soft-Start(引腳

12、8)：軟啟動電容接入端。該端通常接一只5 的軟啟動電容。9.Compensation(引腳9)：PWM 比較器補償信號輸入端。在該端與引腳2 之間接入不同類型的反饋網(wǎng)絡(luò)，可以構(gòu)成比例、比例積分和積分等類型調(diào)節(jié)器。10.Shutdown(引腳10)：外部關(guān)斷信號輸入端。該端接高電平時控制器輸出被禁止。該端可與保護電路相連，以實現(xiàn)故障保護。11.Output A（引腳11）：輸出端A。引腳11 和引腳14 是兩路互補輸出端。12.Ground(引腳12)：信號地。13.Vc(引腳13)：輸出級偏置電壓接入端。14.Output B（引腳14）：輸出端B。引腳14 和引腳11 是兩路互補輸出端。15

13、.Vcc（引腳15）：偏置電源接入端。16.Vref(引腳16)：基準(zhǔn)電源輸出端。該端可輸出一溫度穩(wěn)定性極好的基準(zhǔn)4.3 芯片使用SG3525內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4.1所示，直流電源Vs從腳15接入后分兩路，一路加到或非門；另一路送到基準(zhǔn)電壓穩(wěn)壓器的輸入端，產(chǎn)生穩(wěn)定的元器件作為電源。振蕩器腳5須外接電容CT，腳6須外接電阻 RT。振蕩器頻率由外接電阻RT 和電容CT決定，振蕩器的輸出分為兩路，一路以時鐘脈沖形式送至雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及兩個或非門；另一路以鋸齒波形式送至比較器的同相輸入端，比較器的反向輸入端接誤差放大器的輸出，誤差放大器的輸出與鋸齒波電壓在比較器中進行比較，輸出一個隨誤差放大器輸出電壓高低而改

14、變寬度的方波脈沖，再將此方波脈沖送到或非門的一個輸入端?；蚍情T的另兩個輸入端分別為雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和振蕩器鋸齒波。雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的兩個輸出互補，交替輸出高低電平，將PWM脈沖送至三極管VT1及VT2的基極，鋸齒波的作用是加入死區(qū)時間，保證 VT1 及VT2不同時導(dǎo)通。最后，VT1及VT2分別輸出相位相差為180的PWM波。圖4.1 SG3525內(nèi)部結(jié)構(gòu)5 小結(jié)在這次課程設(shè)計中，我主要通過查閱課本、圖書館翻閱相關(guān)書籍和上網(wǎng)查詢，了解了完成任務(wù)所需要的相關(guān)知識，如觸發(fā)電路相關(guān)的，交流調(diào)壓相關(guān)的以及畫電路圖相關(guān)軟件的知識。在這次課設(shè)中，電路圖是使用DXP軟件畫的，在找原件和畫原件用了不少的時間，也讓我對著軟件的使用更熟悉。其次，在電路的設(shè)計上，在確定是AC/AC變換，我就從電力電子技術(shù)和電力電子裝置找到了交流調(diào)壓電路和有關(guān)的觸發(fā)電路，但是介紹的是移相調(diào)壓觸發(fā)電路，這樣產(chǎn)生的諧波大，難以消除，所以我選擇了PWM斬控式調(diào)壓，這樣電源電流不含低次諧波，只含和開關(guān)周期T有關(guān)的高次諧波，這些高次諧波用很小的濾波器即可濾除，電壓品質(zhì)較好。這次課設(shè)讓我理解了理論和實踐的差距，在不斷的遇到問題和解決問題中進行，讓自己的自學(xué)能力的到了加強，動手能力得到了提高，為步入社會做了進一步的準(zhǔn)備。附錄（總電路圖）參考文獻（1