SG3525斬控式單相交流調(diào)壓電路課程設計

1、等級:湖南工程學院 課 程 設 計 課程名稱 電力電子技術 課題名稱 sg3525斬控式單相交流調(diào)壓電路 專 業(yè) 自動化 班 級 自動化1191 學 號 201101029126 姓 名 指導教師 唐勇奇 趙葵銀 2013 年12 月 16日湖南工程學院課 程 設 計 任 務 書 課程名稱 電力電子技術 課 題 sg3525斬控式單相交流調(diào)壓電路 專業(yè)班級 自動化1191 學生姓名 學 號 201101029126 指導老師 唐勇奇 趙葵銀 審 批 任務書下達日期 2013 年 12 月 16日設計完成日期 2013 年 12 月 27 日 設計內(nèi)容與設計要求一 設計內(nèi)容：1 電路功能：1）

2、用斬控方式實現(xiàn)交流調(diào)壓，功率因數(shù)高，諧波小，輸出波形好。2） 電路由主電路與控制電路組成，主電路主要環(huán)節(jié)：主電力電子開關與續(xù)流管。控制電路主要環(huán)節(jié)：脈寬調(diào)制pwm電路、電壓電流檢測單元、驅動電路、檢測與故障保護電路。3） 主電路電力電子開關器件采用gtr、igbt或mosfet。4） 系統(tǒng)具有完善的保護2. 系統(tǒng)總體方案確定3. 主電路設計與分析1）確定主電路方案2）主電路元器件的計算及選型3）主電路保護環(huán)節(jié)設計4. 控制電路設計與分析1） 檢測電路設計2） 功能單元電路設計3） 觸發(fā)電路設計4） 控制電路參數(shù)確定二 設計要求：1 用sg3525產(chǎn)生脈沖。2 設計思路清晰，給出整體設計框圖；3

3、 單元電路設計，給出具體設計思路和電路；4 分析所有單元電路與總電路的工作原理，并給出必要的波形分析。5 繪制總電路圖6 寫出設計報告； 主要設計條件1 設計依據(jù)主要參數(shù)1） 輸入輸出電壓：單相（ac）220（1+15%）、0100v（ac）2） 最大輸出電流：5a3） 功率因數(shù)：0.7 2. 可提供實驗與仿真條件 說明書格式1 課程設計封面；2 任務書；3 說明書目錄；4 設計總體思路，基本原理和框圖（總電路圖）；5 單元電路設計（各單元電路圖）；6 故障分析與電路改進、實驗及仿真等。7 總結與體會；8 附錄（完整的總電路圖）；9 參考文獻；11、課程設計成績評分表 進 度 安 排 第一周星

4、期一:課題內(nèi)容介紹和查找資料； 星期二:總體電路方案確定 星期三:主電路設計星期四:控制電路設計 星期五:控制電路設計；第二周星期一: 控制電路設計星期二：電路原理及波形分析、實驗調(diào)試及仿真等星期四五:寫設計報告，打印相關圖紙； 星期五下午:答辯及資料整理 參 考 文 獻1石玉 栗書賢電力電子技術題例與電路設計指導機械工業(yè)出版社，1998 2王兆安 黃俊電力電子技術（第4版）機械工業(yè)出版社，20003浣喜明 姚為正電力電子技術高等教育出版社，20004莫正康電力電子技術應用（第3版）機械工業(yè)出版社，20005鄭瓊林耿學文電力電子電路精選機械工業(yè)出版社，19966劉定建朱丹霞實用晶閘管電路大全機

5、械工業(yè)出版社，19967劉祖潤 胡俊達畢業(yè)設計指導機械工業(yè)出版社，19958劉星平電力電子技術及電力拖動自動控制系統(tǒng)校內(nèi)，1999目 錄第1章 概述11.1 交流調(diào)壓在生活中的應用11.2 關于單向調(diào)壓器11.3 關于本課題2第章 設計總體思路32.1 系統(tǒng)總體方案確定32.2 交流斬波調(diào)壓的基本原理6第3章 主電路設計與分析83.1 主要技術條件及要求83.2 開關器件的選擇83.3 主電路計算及元器件參數(shù)選型83.4 主電路結構設計93.5 主電路保護設計10第4章 單元控制電路設計114.1 主控制芯片的詳細說明及介紹114.11 芯片的選擇114.12 芯片的詳細介紹114.13芯片的

6、工作原理124.2 驅動電路設計134.3 過零檢測及續(xù)流觸發(fā)電路134.4 控制保護電路設計15第7章 總結與體會16第6章 附錄17附錄a 參考文件18第1章 概述1.1 交流調(diào)壓在生活中的應用交流調(diào)壓電路廣泛用于燈光控制（如調(diào)光臺燈和舞臺燈光控制）及異步電動機的軟起動，也用于異步電動機調(diào)速。在電力系統(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，在高電壓小電流或低電壓大電流直流電源中，也常用交流高壓電路調(diào)節(jié)變壓器一次電壓。因此交流調(diào)壓電路廣泛存在于農(nóng)村、輕工業(yè)、家用電器等小功率傳動領域以及電力機車供電系統(tǒng)。1.2 關于單向調(diào)壓器對于單相交流電源，調(diào)壓和穩(wěn)壓是最為普遍的要求。目前能夠實現(xiàn)

7、這一要求的調(diào)壓器有下面三種：磁飽和式調(diào)壓器 該調(diào)壓器通過控制主電路中電感的飽和程度，以改變電抗值以及其上的電壓，實現(xiàn)對輸出電壓的調(diào)節(jié)。這種調(diào)壓器具有一定的動態(tài)性能，但輸出電壓的調(diào)節(jié)范圍小，體積和重量較大。機械式調(diào)壓器 機械式調(diào)壓器由電動機帶動碳刷實現(xiàn)輸出電壓的調(diào)節(jié)。這種調(diào)壓器輸出波形較好，但體積、重量大，動態(tài)性能差。電子式調(diào)壓器 這種調(diào)壓器采用電力電子器件實現(xiàn)。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，其輸出波形和動態(tài)響應較好。從上面可知，逆變式電子調(diào)壓器具有最好的性能。逆變式電子調(diào)壓器的結構不僅具有調(diào)壓、穩(wěn)壓的能力

8、，而且還可以實現(xiàn)頻率的變換。它是通過ac/dc/ac變換實現(xiàn)的。具有中間直流環(huán)節(jié)和儲能電容，不過，變換效率低是它的不足。與自耦變壓器調(diào)壓方法相比，交流調(diào)壓電路控制方便，調(diào)節(jié)速度快，裝置的重量輕、體積小，有色金屬消耗也少。1.3 關于本課題與自耦變壓器調(diào)壓方法相比，交流調(diào)壓電路控制方便，調(diào)節(jié)速度快，裝置的重量輕、體積小，有色金屬消耗也少。 本文提出采用icbt的斬控式交流調(diào)壓器。斬控式調(diào)壓的原理圖如圖如圖1.3所示圖1.3 斬控式交流調(diào)壓電路圖第章 設計總體思路2.1 系統(tǒng)總體方案確定交流調(diào)壓的控制方式有三種：1磁飽和式調(diào)壓器；2機械式調(diào)壓器；3電子式調(diào)壓器。整周波控制調(diào)壓適用于負載熱時間常數(shù)較

9、大的電熱控制系統(tǒng)。電子式調(diào)壓器這種調(diào)壓器采用電力電子器件實現(xiàn)。目前有晶閘管凋壓器和逆變式調(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，其輸出波形和動態(tài)響應較好。晶閘管導通時間與關斷時間之比，使交流開關在某幾個周波連續(xù)導通，某幾個周波連續(xù)關斷，如此反復循環(huán)地運行，其輸出電壓的波形如圖2.1所示。圖2.1 周波控制的電壓波形改變導通的周波數(shù)和控制周期的周波數(shù)之比即可改變輸出電壓。為了提高輸出電壓的分辨率，必須增加控制周期的周波數(shù)。為了減少對周圍通信設備的干擾，晶閘管在電源電壓過零時開始導通。在負載容量很大時，開關的通斷將引起對電網(wǎng)的沖擊，產(chǎn)生由控制周

10、期決定的分數(shù)次諧波，這些分數(shù)次諧波引起電網(wǎng)電壓閃變。這是其缺陷。 相位控制調(diào)壓 利用控制觸發(fā)滯后角的方法,控制輸出電壓。晶閘管承受正向電壓開始到觸發(fā)點之間的電角度稱為觸發(fā)滯后角。在有效移相范圍內(nèi)改變觸發(fā)滯后角，即能改變輸出電壓。有效移相范圍隨負載功率因數(shù)不同而不同，電阻性負載最大,純感性負載最小。圖2.2是阻性負載時相控方式的交流調(diào)壓電路的輸出電壓波形。相控交流調(diào)壓電路輸出電壓包含較多的諧波分量，當負載是電動機時，會使電動機產(chǎn)生脈動轉矩和附加諧波損耗。另外它還會引起電源電壓畸變。為減少對電源和負載的諧波影響，可在電源側和負載側分別加濾波網(wǎng)絡。 圖2.2 相位控制的輸出電壓波形斬波控制調(diào)壓使開關

11、在一個電源周期中多次通斷，將輸入電壓切成幾個小段，用改變小段的寬度或開關通斷的周期來調(diào)節(jié)輸出電壓。斬控調(diào)壓電路輸出電壓的質量較高,對電源的影響也較小。圖2.3是斬波控制的交流調(diào)壓電路的輸出電壓波形。圖2.3 斬波控制的交流調(diào)壓電路圖2.3 斬波控制調(diào)壓電路的輸出電壓波形在斬波控制的交流調(diào)壓電路中，為了在感性負載下提供續(xù)流通路，除了串聯(lián)的雙向開關s1外，還須與負載并聯(lián)一只雙向開關s2。當開關 s1導通，s2關斷時，輸出電壓等于輸入電壓；開關s1關斷，s2導通時,輸出電壓為零?？刂崎_關導通時間與關斷時間之比即能控制交流調(diào)壓器的輸出電壓。開關 s1、s2動作的頻率稱斬波頻率。斬波頻率越高,輸出電壓中

12、的諧波電壓頻率越高,濾波較容易。當斬波頻率不是輸入電源頻率的整數(shù)倍時，輸出電壓中會產(chǎn)生分數(shù)次諧波。當斬波頻率較低時，分數(shù)次諧波較大，對負載產(chǎn)生惡劣的影響。將斬波信號與電源電壓鎖相，可消除分數(shù)次諧波。斬波控制的交流調(diào)壓電路的功率開關元件必須采用功率晶體管或其他自關斷元件，所以成本較高。圖2.4 斬控式交流調(diào)壓電路斬控式交流調(diào)壓電路的原理圖如圖2.4所示，一般采用全控型器件作為開關器件。其基本原理和直流斬波電路有類似之處，只是直流斬波電路的輸入是直流電壓，而斬控式交流調(diào)壓電路的輸入是正弦交流電壓。在交流電源u1的正半周，用v1進行斬波控制，用v3給負載電流提供續(xù)流通道；在u1的負半周，用v2進行斬

13、波控制，用v4 給負載電流提供續(xù)流通道。設載波器件（v1或v2）導通時間為ton，開關周期為t，則導通比a=ton/t。和直流斬波電路一樣，也可以通過改變a來調(diào)節(jié)輸出電壓。 圖5給出了電阻性負載時負載電壓u0和電源電流i1(也就是負載電流)的波形。可以看出，電源電流的基波分量是和電源電壓同相位的，即位移因數(shù)為1。另外，通過傅里葉分析可知，電源電流中不含低次諧波，只含和開關周期 t有關的高次諧波。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1。 本次課程設計所用的斬控式單相交流調(diào)壓電路的結構框圖如圖6所示，首先是交流輸入電壓為220v，經(jīng)濾波后用全控型開關器件進行斬波，輸出電壓為0

14、100 v，然后在其輸出取樣電流，進行過壓檢測保護。時鐘震蕩器及脈寬pwm調(diào)制均由芯片形成控制部分。圖6 電路的結構框圖2.2 交流斬波調(diào)壓的基本原理交流斬波調(diào)壓的原理波形如圖2.2所示。由圖可知，它是用一組頻率恒定、占空比可調(diào)的脈沖，對正弦波電壓進行調(diào)制后，得到邊緣為正弦波、占空比可調(diào)的電壓波形。該電壓的調(diào)制頻率f0，其基本諧波頻率為土50hz。改變占空比，即可改變輸出電壓。 利用具有自關斷能力的電力半導體器件就可方便地構成交流斬波調(diào)壓電路。 圖2.2 交流斬波調(diào)壓的原理波形圖第3章 主電路設計與分析3.1 主要技術條件及要求斬波控制要求以比電源頻率高得多的頻率周期性接通和斷開主電路開關器件

15、，把連續(xù)的正弦輸入電壓“斬”成離散的脈沖狀加于負載。由于開關器件以高頻工作，在電路中必須實施強迫換流。為此斬波控制的交流調(diào)壓都是采用全控型雙向開關器件。所以設計主電路采用的是mosfet新型的全控型器件，驅動電路簡單，需要的驅動功率小，開關的速度快，工作的頻率高，符合設計的要求。3.2 開關器件的選擇 由于斬波調(diào)壓電路一般采用全控型器件作為開關器件，典型的全控型開關器件有，門極可關斷晶閘管（gto）、電力晶體管（gtr）、電力場效應晶體管（mosfet）及絕緣柵雙極晶體管（igbt）等。由于 mosfet的開關時間在10100ns之間，其工作頻率可達100khz以上，是主要電力電子器件中最高的

16、，而且它的驅動電路簡單，需要的驅動功率小，所以這次課程設計決定用 mosfet 來做開關器件。3.3 主電路計算及元器件參數(shù)選型開關管選用vmosfet。它是繼mosfet之后新發(fā)展起來的高效、功率開關器件。它不僅繼承了mos場效應管輸入阻抗高（108w）、驅動電流小（左右0.1a左右）， 還具有耐壓高（最高可耐壓1200v）、工作電流大（1.5a100a）、輸出功率高（1250w）、跨導的線性好、開關速度快等優(yōu)良特性因為功率因數(shù)指電壓與電流的相位之間的關系，則由波形可以看出，電源電流的基波分量是和電源電壓同相位的，即位移因數(shù)為1。另外，通過傅里葉分析可知，電源電流不含低次諧波，只含和開關周期

17、t有關的高次諧波。這些高次諧波用很小的濾波器即可濾除。這時電路功率因數(shù)接近1。因為輸入電壓為220v的交流電，選用耐壓值為500v的開關管irfp450lc，二極管采用快速恢復二極管，c1取0.47uf,其余的選用0.01 uf,電感,電阻未定。3.4 主電路結構設計在考慮到減少電路誤差的情況下，我們采用了如圖3.4所示的主電路，主回路由qlq3三個vmos管和d1d3三個二極管組成的全控整流電路實現(xiàn)對交流輸入電壓的斬波調(diào)壓。當交流輸入電壓在正半周時，電流流經(jīng)vd1、q3、vd3；當交流輸入處于負半周時，電流流經(jīng)vd2、q3、vd4、；q3始終處于正向電壓作用下，當在q3源柵極之間加入觸發(fā)信號

18、時，q3處于開關狀態(tài)。調(diào)整加在柵極上的脈沖寬度即可調(diào)節(jié)輸出電壓的大小。由于q3處于開關狀態(tài)，且vmos管具有很小的關斷時間，只要適當選擇較低的飽和壓降，q3的功耗可以做得很小，所以該斬波調(diào)壓具有較高的效率?？紤]到負載可能為感性的，加了由q1、q2及d1、d2組成的續(xù)流環(huán)節(jié)。當q3關斷時，在電壓處于正半周時，q2導通，q1關斷，流經(jīng)負載的電流通過q2、d1續(xù)流。在電壓負半周 ，q1導通，q2關斷，流經(jīng)負載的電流通過q1、d2續(xù)流。為防止q1、q 2、q3同時導通而引起較大的短路電流，對加在q1和q2上的觸發(fā)信號有一定要求，這在過零觸發(fā)電路中討論。圖中l(wèi)1、c1為電源濾波網(wǎng)，以吸收瞬態(tài)過程中的過電

19、壓，并減少對外線路的干擾。l2、c2為輸出濾波環(huán)節(jié)，由于本機調(diào)制頻率取得較高，所以l2和c2只需很小值即可。其中每個vmos管都有保護裝置如圖所示。圖3.4 主電路圖其中q3的pwm波控制由pwm波發(fā)生器通過對給定的調(diào)整產(chǎn)生，輸出占空比一定的pwm波。3.5 主電路保護設計在主電路上有一個線圈 km的常閉觸點，在電路的輸出端用一變壓器進行降壓然后再用整流橋進行整流使之變成直流電，輸出電壓與比較器上設定的正5伏電壓相比較，如果電路出現(xiàn)了過電壓的現(xiàn)象，輸出電壓就會高于設定值，比較器就會輸出電壓，使三極管導通，這樣就會使線圈km的保護電路接通，線圈就會被通電，km在主電路的常閉觸點就會斷開，從而達到

20、保護主電路的作用。圖3.5 主電路保護電路第4章 單元控制電路設計4.1 主控制芯片的詳細說明及介紹4.11 芯片的選擇本次課程設計由芯片sg3525產(chǎn)生脈沖，來控制mosfet來實現(xiàn)斬波調(diào)壓，它具有管腳數(shù)量少，外圍電路簡單等特點，因而得到了廣泛的應用。4.12 芯片的詳細介紹sg3525的內(nèi)部結構如圖6-1所示， 它主要由基準電壓調(diào)整器、震蕩器、誤差放大器、比較器、鎖存器、欠壓鎖定電路、閉鎖控制電路、軟啟動電路、輸出電路構成。圖6-1 sg2535內(nèi)部框圖sg3525a系列脈寬調(diào)制器控制電路可以改進為各種類型的開關電源的控制性能和使用較少的外部零件。在芯片上的5.1v基準電壓調(diào)定在±

21、;1，誤差放大器有一個輸入共模電壓范圍。它包括基準電壓，這樣就不需要外接的分壓電阻器了。一個到振蕩器的同步輸入可以使多個單元成為從電路或一個單元和外部系統(tǒng)時鐘同步。在ct和放電腳之間用單個電阻器連接即可對死區(qū)時間進行大范圍的編程。在這些器件內(nèi)部還有軟起動電路，它只需要一個外部的定時電容器。一只斷路腳同時控制軟起動電路和輸出級。只要用脈沖關斷，通過pwm（脈寬調(diào)制）鎖存器瞬時切斷和具有較長關斷命令的軟起動再循環(huán)。當vcc低于標稱值時欠電壓鎖定禁止輸出和改變軟起動電容器。輸出級是推挽式的可以提供超過200ma的源和漏電流。sg3525a系列的nor（或非）邏輯在斷開狀態(tài)時輸出為低。·工作

22、范圍為8.0v到35v·5.1v±1.0調(diào)定的基準電壓·100hz到400khz振蕩器頻率·分立的振蕩器同步腳4.13芯片的工作原理 sg3525內(nèi)置了5.1v精密基準電源，微調(diào)至 1.0%，在誤差放大器共模輸入電壓范圍內(nèi)，無須外接分壓電組。sg3525還增加了同步功能，可以工作在主從模式，也可以與外部系統(tǒng)時鐘信號同步，為設計提供了極大的靈活性。在ct引腳和discharge引腳之間加入一個電阻就可以實現(xiàn)對死區(qū)時間的調(diào)節(jié)功能。由于sg3525內(nèi)部集成了軟啟動電路，因此只需要一個外接定時電容。 sg3525的軟啟動接入端（引腳8）上通常接一個5 的軟啟動電

23、容。上電過程中，由于電容兩端的電壓不能突變，因此與軟啟動電容接入端相連的pwm比較器反向輸入端處于低電平，pwm比較器輸出高電平。此時，pwm瑣存器的輸出也為高電平，該高電平通過兩個或非門加到輸出晶體管上，使之無法導通。只有軟啟動電容充電至其上的電壓使引腳8處于高電平時，sg3525才開始工作。由于實際中，基準電壓通常是接在誤差放大器的同相輸入端上，而輸出電壓的采樣電壓則加在誤差放大器的反相輸入端上。當輸出電壓因輸入電壓的升高或負載的變化而升高時，誤差放大器的輸出將減小，這將導致pwm比較器輸出為正的時間變長，pwm瑣存器輸出高電平的時間也變長，因此輸出晶體管的導通時間將最終變短，從而使輸出電

24、壓回落到額定值，實現(xiàn)了穩(wěn)態(tài)。反之亦然。 外接關斷信號對輸出級和軟啟動電路都起作用。當shutdown（引腳10）上的信號為高電平時，pwm瑣存器將立即動作，禁止sg3525的輸出，同時，軟啟動電容將開始放電。如果該高電平持續(xù)，軟啟動電容將充分放電，直到關斷信號結束，才重新進入軟啟動過程。注意，shutdown引腳不能懸空，應通過接地電阻可靠接地，以防止外部干擾信號耦合而影響sg3525的正常工作。 欠電壓鎖定功能同樣作用于輸出級和軟啟動電路。如果輸入電壓過低，在sg3525的輸出被關斷同時，軟啟動電容將開始放電。 此外，sg3525還具有以下功能，即無論因為什么原因造成pwm脈沖中止，輸出都將

25、被中止，直到下一個時鐘信號到來，pwm瑣存器才被復位。4.2 驅動電路設計驅動電路是指驅動開關器件q3，從而來實現(xiàn)斬波調(diào)壓的目的。由以上對sg3525的介紹可知，在sg3525芯片中產(chǎn)生了三角波，用一直流信號與之比較，就會產(chǎn)生一系列的矩形脈沖，這些矩形脈沖可以用來控制開關器件q3的導通與關閉，我們通過調(diào)制直流信號的大小或是調(diào)節(jié)三角波的頻率就可以改變矩形脈沖的頻率，從而達到交流調(diào)壓的目的。驅動電路的電路圖如下圖所示，我們通過調(diào)節(jié)rp1就可以調(diào)節(jié)三角波的頻率。4.3 過零檢測及續(xù)流觸發(fā)電路當負載為阻感負載時，電路必須有續(xù)流環(huán)節(jié)，續(xù)流環(huán)節(jié)由q1和q2兩個mosfet來控制，當電壓處于正半周時通過q2

26、,在負半周時通過q1,但q1與q2之間如何進行轉變這必須有一個正確的判斷，這就需要過零檢測電路。如下圖所示，交流電壓經(jīng)過變壓器變壓，因交流信號有正向過零點和負向過零點，故運用一個正向比例器與反向比例器進行兩零點與標準零點電壓的比較，其輸出信號經(jīng)過光控隔離進行穩(wěn)壓和放大后，分別控制續(xù)流裝置中的q1和q2兩個mosfet管控制端。圖4.3 過零檢測及續(xù)流觸發(fā)電路為了防止q1、q2兩個同時開通，我們采用了互鎖，就是說q1、q2管不可以同時導通，在正半波，開通q2管續(xù)流；在負半波，開通q1管續(xù)流。4.4 控制保護電路設計為了保護電路防止電路的過電壓，我加了一個保護電路。如下圖所示，在電路的輸出端用一變

27、壓器進行降壓然后再用整流橋進行整流使之變成直流電，輸出電壓與比較器上設定的正5伏電壓相比較，如果輸出電壓高于正5伏，比較器就輸出正5伏電壓，比較器的輸出端與sg3525的3管腳相連，因為前面已經(jīng)介紹了sg3525,它的3號管腳是電流取樣輸入端。在外圍電路中，在功率開關管的源極串接一個小阻值的取樣電阻，將脈沖變壓器的電流轉換成電壓，此電壓送入腳3，控制脈寬。當功率開關管的電流增大，取樣電阻上的電壓超過1 v時sg3525就停止輸出，有效地保護功率開關管；圖4.4 控制電路的保護電路第7章 總結與體會 本次電力電子的課程設計給我?guī)砹瞬灰粯拥氖斋@。短短兩周的時間里，鍛煉了我主動動手解決問題和設計性思維的能力，將理論應用于實踐中確實并非易事，因為它不是單純的理論學習和理解，包含的東西遠遠超過我的想象，首先是扎實的理論基礎，再是具備創(chuàng)新設計思維，還必須懂得電腦仿真軟