斬控式單相交流調壓電路設計

1、湖南工程學院應用技術學院 課程設計任務書 課程名稱： 電力電子技術 題 目：斬控式單相交流調壓電源設計 專業(yè)班級： 電氣118 學生姓名： 學號: 指導老師： 劉星平 蔡斌軍 李祥來等 審 批： 謝衛(wèi)才 任務書下達日期 2014年 5 月 12日 設計完成日期 2014年 5月 23 日 設計內容與設計要求一 設計內容：1 電路功能：1） 用斬控方式實現(xiàn)交流調壓，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?？刂齐娐分饕h(huán)節(jié)：脈寬調制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、I

2、GBT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） 控制電路參數(shù)確定二 設計要求：1 設計思路清晰，給出整體設計框圖；2 單元電路設計，給出具體設計思路和電路；3 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。4 繪制總電路圖5 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：單相交流輸入：（AC）220（+5%1-10%），可調交流輸出：0200V（AC）2） 最大輸出電流：20A3）

3、功率因數(shù)：0.8 2. 可提供實驗 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 第一周星期一:課題內容介紹和查找資料； 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

4、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實驗指導書校內，2009目 錄第1章 概述11.1 交流調壓在生活中的應用11.2 關于單向調壓器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 交流斬波調壓的

5、基本原理7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 主電路結構設計及分析9第4章 主控制芯片的詳細說明10 4.1 芯片的選擇10 4.1 芯片的詳細介紹10 4.1芯片的工作原理11第5章 實驗調試13第6章 總結與體驗19附錄A 參考文件及評分表第1章 概述1.1 交流調壓在生活中的應用交流調壓電路廣泛用于燈光控制（如調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節(jié)變壓器一

6、次電壓。因此交流調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 關于單相調壓器對于單相交流電源，調壓和穩(wěn)壓是最為普遍的要求。目前能夠實現(xiàn)這一要求的調壓器有下面三種：磁飽和式調壓器 該調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)對輸出電壓的調節(jié)。這種調壓器具有一定的動態(tài)性能，但輸出電壓的調節(jié)范圍小，體積和重量較大。機械式調壓器 機械式調壓器由電動機帶動碳刷實現(xiàn)輸出電壓的調節(jié)。這種調壓器輸出波形較好，但體積、重量大，動態(tài)性能差。電子式調壓器 這種調壓器采用電力電子器件實現(xiàn)。目前有晶閘管調壓器和逆變式調壓器兩種。晶閘管調壓器采用的是相控

7、方式，因此其輸出波形差；逆變式調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，逆變式電子調壓器具有最好的性能。逆變式電子調壓器的結構不僅具有調壓、穩(wěn)壓的能力，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。與自耦變壓器調壓方法相比，交流調壓電路控制方便，調節(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壓方法相比，交流調壓電路控制方便，調節(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的斬控式交流調壓器。斬控式調壓的原理圖如圖如圖1.3所示圖1.3

8、斬控式交流調壓電路圖第章 設計總體思路2.1 系統(tǒng)總體方案確定交流調壓的控制方式有三種：1磁飽和式調壓器；2機械式調壓器；3電子式調壓器。整周波控制調壓適用于負載熱時間常數(shù)較大的電熱控制系統(tǒng)。電子式調壓器這種調壓器采用電力電子器件實現(xiàn)。目前有晶閘管調壓器和逆變式調壓器兩種。晶閘管調壓器采用的是相控方式，因此其輸出波形差；逆變式調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。

9、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壓電路的輸出電壓波形。相控交流調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

10、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壓使開關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節(jié)輸出電壓。斬控調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壓電路的輸出電壓波形。圖2.3 斬波控制調壓電路的輸出電壓波形在斬波控制的交流調壓電路中，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

11、通時,輸出電壓為零。控制開關導通時間與關斷時間之比即能控制交流調壓器的輸出電壓。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 斬控式交流調壓電路斬控式交流調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

12、斬控式交流調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來調節(jié)輸出電壓。 圖2.4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?？梢钥闯觯娫措娏鞯幕ǚ至渴呛碗娫措妷和辔坏?，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

13、近1。圖6 電路的結構框圖 本次課程設計所用的斬控式單相交流調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0100 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調制均由芯片形成控制部分。2.2 交流斬波調壓的基本原理交流斬波調壓的原理波形如圖2.2所示。由圖可知，它是用一組頻率恒定、占空比可調的脈沖，對正弦波電壓進行調制后，得到邊緣為正弦波、占空比可調的電壓波形。該電壓的調制頻率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壓電路。 圖2

14、.2 交流斬波調壓的原理波形圖 第3章 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，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（MOSFE

15、T）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，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 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?。ㄗ笥?.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。3.4 電路的結構設計及分析單相

16、交流調壓主電路如圖1關斷器件調壓電路所示。電路采用功率場效應管作為自關斷器件，利用集成脈寬調制器SG3525產(chǎn)生的脈寬調制信號作為驅動信號。由兩個MOSFET及其反并聯(lián)的二極管組成交流調壓開關，同步變壓器T與運算放大器A1及A2構成同步檢測環(huán)節(jié)。輸入交流電壓為220V，經(jīng)過同步變壓器T形成兩路互為倒相的方波，寬度為l80°，分別對應正弦波的正半周和負半周，由SG3525進行調制后，經(jīng)過隔離及驅動電路，分別驅動兩路功率場效應管。當輸入交流電處于正半波時，經(jīng)調制的方波信號施加于VT2的柵極和源極，VT1的控制電壓為0V ，交流電經(jīng)L，R ，VT2 ，VD1構成回路；當輸入交流電處于負半周

17、時，方波信號 加于VT1，VT2 控制電壓為0V，交流電經(jīng)過VT1，VT2，R ，L構成回路，從而在足上得到一完整的經(jīng)過調制的單相正弦波交流電。 第4章 主控制芯片詳細說明4.1 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。4.2芯片的詳細介紹圖6-1 SG2535內部框圖 SG3525的內部結構如圖6-1所示， 它主要由基準電壓調整器、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。SG3525A系列脈寬調制器控制電路可以改進為各種類型的開關電源的控制

18、性能和使用較少的外部零件。在芯片上的5.1V基準電壓調定在±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。SG35

19、25A系列的NOR（或非）邏輯在斷開狀態(tài)時輸出為低。·工作范圍為8.0V到35V·5.1V±1.0調定的基準電壓·100Hz到400KHz振蕩器頻率·分立的振蕩器同步腳4.3芯片的工作原理 基準電壓調整器：基準電壓調整器是輸出為51V ，50m A ，有短路保護的電壓調整器。它供給所有內部電路，同時又可作為外部基準參考電壓。 振蕩器：振蕩器的充電回路由 C2 ，C 3，R4構成，電阻R5作為放電電阻，改變充電電容的大小即可改變鋸齒波的頻率，此頻率也就是振蕩器的振蕩頻率。此電路中，放電電阻較小，所以形成的鋸齒波波形后沿較陡 。 誤差放大器及補償輸

20、入：誤差放大器是差動輸入的放大器，本電路可以不用，僅在補償端9引入幅值可調的直流調制信號U r。鎖存器：比較器的輸出送到鎖存器。鎖存器由關閉電路置位，由振蕩器輸出時間脈沖復位。這樣當關閉電路動作，即使過流信號立即消失，鎖存器也可維持一個周期的關閉控制，直到下一周期時鐘信號使鎖存器復位為止。另外，由于PW M 鎖存器對比較器來的置位信號鎖存，將系統(tǒng)所有的跳動和振蕩信號消除了。只有在下一個時鐘周期才能重新置位，有利于提高可靠性，經(jīng)過鎖存器后的輸出為PWM。 輸出：l1端 、l2 端及l(fā)4 端連結在一起 ，由l3 端輸出信號 ，這樣就保證了l3 端的輸出與鎖存器的輸出一致。 此外，SG3525還有欠

21、壓鎖定電路，閉鎖控制電路，軟起動電路，但本電路不需使用閉鎖控制和軟起動。 第5章 實驗調試一、實驗目的(1)熟悉斬控式交流調壓電路的工作原理。(2)了解斬控式交流調壓控制集成芯片的使用方法與輸出波形。二、實驗所需掛件及附件序號型 號備 注1DJK01 電源控制屏2DJK21 斬控式交流調壓電路3慢掃描雙蹤示波器自備4萬用表自備三、實驗線路及原理斬控式交流調壓主電路原理如圖3-17所示。圖3-17 斬控式交流調壓主電路原理圖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類似，只是直流斬波電路的輸入是直流電壓，而斬控式交流調壓電路輸入的是正弦交流電壓。在交流電源ui的正半周，用V1進行斬

22、波控制，用V3給負載電流提供續(xù)流通道；在ui的負半周，用V2進行斬波控制，用V4給負載電流提供續(xù)流通道。設斬波器件V1、V2的導通時間為ton，開關周期為T，則導通比為=ton/T，和直流斬波電路一樣，通過對的調節(jié)可以調節(jié)輸出電壓U0。 圖3-18給出了電阻負載時負載電壓U0和電源電流i1(也就是負載電源)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)接近于1。 圖3-18 電阻負載斬控式交流調壓電路波形 斬控式交流調壓控制電路方框圖如圖3-19所示，PWM占空

23、比產(chǎn)生電路使用美國Silicon General公司生產(chǎn)的專門PWM集成芯片SG3525，其內部電路結構及各引腳功能可參見有關資料。在交流電源ui的正半周，V1進行斬波控制，用V3給負載電流提供續(xù)流通道，V4關斷；在ui的負半周，V2進行斬波控制，V3關斷，用V4給負載電流提供續(xù)流通道?？刂菩盘柵c主電路的電源必須保持同步。圖3-19 斬控式交流調壓控制電路方框圖 四、實驗內容(1)控制電路波形觀察。(2)交流調壓性能測試。五、思考題 (1)當主電路接純電阻負載（即將電感短路）時，可見負載電壓波形存在死區(qū)，其產(chǎn)生的原因是什么？  (2)當主電路接電感性負載時，在電壓的過零點會出現(xiàn)一尖峰

24、脈沖，其幅值隨占空比的增大而增大。試分析其產(chǎn)生的原因以及控制方法。 六、實驗方法由于主電路的電源必須與控制信號保持同步，因此主電路的電源不需要外部接入。但是為了能同時觀察兩路控制信號之間的相位關系，主電路的開關K是串接在電源開關之后的。在觀察控制信號時將開關打在斷狀態(tài)。(1)控制電路波形觀察斷開開關K，使主電路不得電，接通電源開關，用雙蹤示波器觀察控制電路的波形，并記錄參數(shù)。測量控制信號V1與V4、V2與V3之間的死區(qū)時間。(2)交流調壓性能測試接入電阻負載（220V/25W的白熾燈），接通開關K，調節(jié)PWM占空比調節(jié)電位器，改變導通比，（即改變Ur值）使負載電壓由小增大，記錄輸出電

25、壓的波形，并測量輸出電壓。接入電阻、電感性負載，（即與白熾燈串接一個電感作為負載）重復上述實驗步驟。七、實驗報告在方格紙上畫出控制信號與不同負載下的輸出電壓波形并分析。八、注意事項雙蹤示波器有兩個探頭，可同時測量兩路信號，但這兩探頭的地線都與示波器的外殼相連，所以兩個探頭的地線不能同時接在同一電路的不同電位的兩個點上，否則這兩點會通過示波器外殼發(fā)生電氣短路。為此，為了保證測量的順利進行，可將其中一根探頭的地線取下或外包絕緣，只使用其中一路的地線，這樣從根本上解決了這個問題。當需要同時觀察兩個信號時，必須在被測電路上找到這兩個信號的公共點，將探頭的地線接于此處，探頭各接至被測信號，只有這樣才能在

26、示波器上同時觀察到兩個信號，而不發(fā)生意外。思考題解答1當主電路接純電阻負載（即將電感短路）時，可見負載電壓波形存在死區(qū)，其產(chǎn)生的原因是什么？ 答：當外加正向電壓小于Uth時，外電場不足以克服PN結的內電場對多子擴散運動造成的阻力，正向電流幾乎為零，二極管呈現(xiàn)為一個大電阻，好像有一個門檻，因此將電壓Uth稱為門檻電壓（又稱死區(qū)電壓）。而此電路中的MOS管為耗盡型NMOS管，而耗盡型NMOS管在uGS為正、負、零時，均可導通工作。因此負載電壓波形存在死區(qū)，是因為二極管存在死區(qū)電壓 2.當主電路接電感性負載時，在電壓的過零點會出現(xiàn)一尖峰脈沖，其幅值隨占空比的增大而增大。試分析其產(chǎn)生的原因以及控制方法。 答：原因：接入電感性負載時，主電路中引入了無功電流，也向電路注入了諧波電流，而諧波電流在電路阻抗上產(chǎn)生了諧波壓降，是電路電壓產(chǎn)生畸變，所以在電壓的過零點會出現(xiàn)一尖峰脈沖，占空比越大，引入的無功電流越大，尖峰脈沖也越大。 控制方法： （1）從電網(wǎng)上考慮。提高短路比Rsc。盡量選取較高的Rsc值，增大系統(tǒng)短路容量。 （2）從交流裝置本身采取措施。增加交流裝置輸出的脈沖波數(shù)P是減少諧波電流的有效措施。正常運行時，避免在深挖下工作，也能減小諧波電流，從而減小尖峰脈沖。 （3）從附加設備考慮。 附加設備設置濾波器，或