斩控式交流调压电源的设计.doc

xxxx大学毕 业 论 文（设计） 题 目： 斩控式交流调压电源的设计 姓 名： 学 院： 机电工程学院 专 业： 电气工程及其自动化 班 级： 2006.04 学 号： 指导教师： 2010 年 6 月 18 日毕业论文（设计）诚信声明本人声明：所呈交的毕业论文（设计）是在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果，论文中引用他人的文献、数据、图表、资料均已作明确标注，论文中的结论和成果为本人独立完成，真实可靠，不包含他人成果及已获得青岛农业大学或其他教育机构的学位或证书使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。论文（设计）作者签名： 日期： 年 月 日 毕业论文（设计）版权使用授权书本毕业论文（设计）作者同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文（设计）的复印件和电子版，允许论文（设计）被查阅和借阅。本人授权青岛农业大学可以将本毕业论文（设计）全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本毕业论文（设计）。本人离校后发表或使用该毕业论文（设计）或与该论文（设计）直接相关的学术论文或成果时，单位署名为青岛农业大学。论文（设计）作者签名： 日期： 年 月 日指 导 教 师 签 名： 日期： 年 月 日目 录摘 要IAbstractII1 绪论11.1交流调压电源简介11.1.1 交流调压电源的基本构成11.1.2 交流调压电源的发展动向11.2电力电子技术在交流调压领域中的应用31.3课题目的和意义42 斩控式交流调压电路拓扑分析52.1交流调压技术简介52.2斩控式交流调压器基本原理及拓扑结构52.3开关器件简述72.4交流调压电路拓扑分析82.5主电路拓扑选择102.6本章小结113 斩控式交流调压电路的控制方法研究123.1死区效应分析123.2 控制方式选择133.2.1 互补控制方式133.2.2 非互补控制方式143.3本章小结164 主电路硬件设计184.1系统的基本构成184.2斩控式交流调压电源主电路基本构成184.3主功率开关器件的选择194.3.1 功率MOSFET的工作原理194.3.2 功率MOSFET参数的确定194.4输出滤波器设计204.4.1 滤波器拓扑结构及数学模型204.4.2 滤波器参数的确定214.5直流稳压电源的设计214.5.1 直流稳压电源的基本构成214.5.2 电源变压器224.5.3整流和滤波电路224.5.4 稳压电路234.5.5 稳压电源的设计方法234.6 本章小结245 控制电路硬件设计255.1电压过零检测电路的设计255.1.1 LM393简介255.1.2 电压过零点检测电路265.2电流过零检测电路的设计275.2.1 BH-0.66简介275.2.2 电流过零点检测电路285.3 PWM模块的设计295.3.1 PWM原理295.3.2 脉宽调制器集成电路305.4 MOSFET的驱动电路的设计325.4.1 MOSFET开关性能325.4.2光耦合器驱动电路345.5信号逻辑时序控制电路的设计355.5.1 CD4023简介355.5.2 电力电子开关驱动信号逻辑时序控制电路365.6本章小结376 总结396.1全文工作总结396.2工作展望39参考文献41致谢43附录44附图1 主电路硬件电路图44附图2 控制电路硬件电路图45 斩控式交流调压电源的设计摘 要本文以斩控式交流调压电源为研究对象，阐述了斩波交流调压技术的基本原理及其发展趋势。论文首先对交流斩波电路进行了理论分析，阐述了斩控调压的基本工作原理，对比几种交流斩控式调压电路的主电路拓扑结构的优缺点，确定本论文主电路拓扑结构。其次，对比分析了几种斩控调压的控制方式的优缺点，确定本论文的控制方式为带电流电压检测的非互补式的控制方式。最后，在对斩控式交流调压工作原理及控制方法进行深入分析的基础上，敲定了主电路元件和控制电路元件，并确定了整个系统的硬件结构，并最终完成了硬件的焊接。实验结果证明斩波控制交流调压电源，具有性能可靠、灵敏度高、误操作率低、结构简单、易滤波、输入电流和输出电压、电流波形好、对电源谐波污染小等优点。 关键词: 斩控式交流调压；电源；电力电子开关；非互补控制Design of Chopping AC Voltage RegulatorAbstractIn this graduation thesis, Chopping AC Voltage Regulator as the research object, and briefly introduced the basic principle and the development trend of AC chopper technology. Firstly, the graduation thesis concerned about the theoretical analysis of AC chopper circuit, described the basic working principle of chopping regulator theory, compared with several AC voltage regulator circuit of chopping the main circuit topology of the advantages and disadvantages, to determine the main circuit topology of this thesis. Then, compared and analyzed the advantages and disadvantages of the control mode of the voltage regulator with chop-control, and determined the control mode in the paper is the control mode of chop- controlled AC voltage regulator which adopts the non-complementary control mode with current detecting. Finally, on cut AC regulator principle and control method based on in-depth analysis, finalized the main circuit parameters and control of circuit parameters and set the whole systems hardware structure, and finally completed the hardware welding.Experimental results show that AC Voltage Regulator chopper control with reliable, high sensitivity, misuse rate, simple structure, easy to filter, input current and output voltage and current waveform is good, the power advantages of a small harmonic pollution.Key words: Chopping AC Regulator; Power supply; Power electronic switch; Non-complementary control45 1 绪论1.1交流调压电源简介 1.1.1 交流调压电源的基本构成交流调压技术广泛应用于灯光控制（如调光台灯和舞台灯光控制）以及异步电动机的软启动，也应用于异步电动机调速。在供电系统中，这种技术还常用于对无功功率的连续调节。此外，在高电压小电流或低电压大电流直流电源中，也常采用交流调压电路调节变压器一次电压，经过多年发展，交流调压电源己成为电源技术的一个重要分支。交流调压电源从原理和结构来分，可分为三类:电机类、变压器类和电力电子类，如表l-1所示。表1-1 交流调压电源分类1.1.2 交流调压电源的发展动向随着科学技术的快速发展，交流调压电源的发展越来越引起人们的注意，主要表现在以下方面： 1向大容量、高电压、多功能方向发展。由于大功率负载的容量不断提高，对更高电压等级更大容量的各类调压器的需求时有提出。前几年就有用户提出70008000KVA感应调压器的要求。也有国外用户提出20KV、2000KVA感应调压器的要求。晶闸管调压器方面，单相690V750V，3600A，2500KVA三相1500V，4000A，10000KVA的要求，但晶闸管调压对电网的污染比较严重。现有容量的产品正在向多功能用途方向发展。2向抗干扰、净化电源方向发展。10余年前，美国出现了一种叫电源调节器的产品。它像空调优化净化空气一样，能优化净化电源。它除了能快速地自动稳压之外，还能非常有效地隔离和衰减各种电磁干扰。与UPS(不间断电源)相比，除了“断电”这种干扰不能排除外，其它干扰几乎都能对付，而价格比同容量UPS要便宜得多。这种产品的主要部分是在超级隔离器(带有三重屏蔽的隔离变压器)的初级绕组有若干抽头，由晶闸管零电流开关进行快速自动切换保持稳压，由超级隔离器及其它滤波措施对各种干扰进行衰减。我们国内己有类似的产品和对这种产品的需求。3向智能化、数字化方向发展。近几年出现的智能开关调压器，采用单片微机控制24只晶闸管零电压开关的通断，从而改变补偿变压器的补偿电压的大小和极性，实现了无电刷、无伺服电动机和无机械传动的快速分相自动调压。而数字控制器、数字触发器都是应用单片机技术解决调压器的自动控制，解决晶闸管可靠触发的具体事例。4应用新器件、新原理，发展新型电源。近几年来，国内应用MOSFET、IGBT等新型力电子器件和逆变技术、斩波技术，研究发展新型交流调压电源相当活跃。有关媒体时有论文发表。如“斩波控制交流调压电源”，“斩波补偿式交流稳压器”，“PWM逆变式交流稳压电源”，都是应用新器件、新原理，结合传统技术向适用、高效、轻量、少无污染方向不断发展进步的新型电源1。此外，小型化和轻量化也是十分迫切的需求。目前解决的主要手段有高频化、元器件和结构的小型化。上世纪80年代，提出了电源制造中电力电子集成概念，明确了集成化是电力电子技术未来发展的方向，是解决电力电子技术发展面临障碍的最有希望的出路2。1.2电力电子技术在交流调压领域中的应用电力电子类交流调压器是利用可控电力电子器件组成双向功率开关，把输入到负载的正弦交流电压按一定规则周期性地接通关断，控制一个周期中的通断时间占空比，即可控制输出到负载端的电压有效值。根据对功率开关通断控制方式，电力电子类交流调压器主要有移相控制和斩波控制3,4。图1-1 晶闸管交流调压电路经典交流调压电路如图1-1中所示，即为单相晶闸管交流调压电路。晶闸管交流调压电路体积小，重量轻，控制电路简单，它为负载提供了连续并且可调的交流电压。然而晶闸管电路所采用的相控整流技术有着许多不可克服的缺陷，例如：动态响应速度慢，无法应对负载突变情况；触发角较小影响，功率因数低；电网谐波电流污染严重等缺点；输出低次谐波含量大，电源效率不高。图1-2 斩波交流调压电路随着电力电子技术的发展，自20世纪80年代之后，晶闸管逐渐被MOSFET、IGBT等性能更为优良的全控型器件所取代。而由全控型开关器件所构成的斩波控制交流调压电路也随之得到了发展。如图1-2即为单相斩波交流调压电路，图中的开关可以选择MOSFET或者IGBT等器件。交流斩波电路相对于相控式技术的优越性主要在：不需要对系统电压电流进行同步锁相跟踪，电路简单，且可靠性高；输入、输出端电压、电流波形良好，谐波成分频率高，易于滤除且滤波器体积小；利用PWM技术，充分发挥现代电力电子元器件可以达到的开关速度和性能，控制灵活，动态相应快。综上所述，交流斩波调压技术作为一种高性能交流调压技术，符合电力电子技术高频化、高效化以及低污染的发展趋势，并将逐步取代晶闸管相控交流调压，例如，采用斩波交流调压电路作为电力电子变压器(PET：Power Electronic Transformer)，以之代替沉重的工频变压器5；斩波交流调压电路应用于感应电机调速与电压补偿等等6，国内研究概况新器件的发展将加速这一进程，其丰富的控制种类，多样的电子开关组合，为不同使用要求提供了高性价比产品，是一种经济型交流调压技术，具有良好的发展前景。1.3课题目的和意义 当前的电力电子技术的发展有几个迫切而明显的趋势：模块化，使电源具备灵活的负载适应能力；绿色化，低污染，不成为EMI干扰源，同时尽量增强对外部电磁干扰的抵抗能力；高频化，减小滤波器的体积，降低成本，这也是实现小型化的必然要求；能量利用高效化，减少中间变换环节的功率损耗。因此，有必要结合国内外的各种研究成果，对斩波交流调压技术进行更为系统化的研究，以达到承上启下的作用。基于这样的目标，本论文的研究内容涵概了包括AC/AC变换器拓扑结构、电路模型、开关控制策略等斩波交流调压技术的相关内容，并根据上述的理论研究，设计了一台异步电动机调压电源，从实践上验证了斩波交流调压电源的可行性，并提供了斩波交流调压电源的设计规则。本研究具有以下特点： 1) 电源模块变换基于交流斩波拓扑；2) 单级变换，能量损耗小；输入功率因数高；3) 电路原理简单明了，控制电路简单，成本低；4) 输入、输出端电压、电流波形良好，谐波成分频率高且滤波器体积小；5) 调压范围宽，具备0%（关断）100%（直通）的调节范围； 6) 高频化，可认为是小型化设计的必然要求，开关频率达到40KHz；7) 负载为感性，接近日常实际情况，应用分为广泛，外部条件要求较低，实用性强。2 斩控式交流调压电路拓扑分析2.1交流调压技术简介 将一种形式的交流电能转换成另外一种形式的交流电能的技术称为交流变换技术，广义上的交流交流变换包括改变相关的电压、电流、频率和相数等。本设计所讨论的内容仅限于调压技术及其相关电路。从转换机制上交流变换技术可以分为：直接交流变换技术(Direct AC to AC)和间接交流变换技术(Indirect AC to AC or ACDCAC)，又称为带直流环节的交流变换技术。而从所实现的功能来看，交流变换技术可分为：工频调压技术(包括相控交流调压和斩波交流调压)，变压变频技术(包括周波变换、矩阵变换等)两种。本论文以斩波交流调压电路为主。2.2斩控式交流调压器基本原理及拓扑结构所谓斩控式交流调压器是指通过控制电路中功率开关器件的导通比，来达到维持电源频率不变，仅改变输出电压幅值的目的。交流调压的主回路拓扑结构是由直流斩波器主电路演化而来，实际上就是直流斩波器的交流应用，它是双向电子开关与直流斩波器电路的结合，主要应用三种电路拓扑形式，即Buck、Boost和Buck-Boost电路，本文采用了Buck电路的拓扑结构，通过采用双向开关取代直流变换器中的单向开关，这类变换器能实现直接AC/AC电压变换的功能，并且开关数量少，电路结构简单，实现成本低7,8。单相交流斩波电路在理想情况下的电路及波形如图2-1所示。它的输入输出均为正弦交流电压，且输出电压还可通过改变栅极控制脉冲的占空比来调节。假设为理想电路，S1为主开关器件，S2为续流器件。S1和S2的开关时序互补，实际电路一般载波周期取50s左右，为斩波器脉冲的宽度与载波频率有关，载波频率高则谐波分量小，对应的电子开关S1、S2开关损耗也减小。Ts为PWM波周期，G为PWM波的开关函数。由图可见,输出电压U0为： 当时， U0=Us当时， U0=0。 公式(2-1)式中，上标0代表S关合，1则为S断开。上式也可写为： U0=G Us=GUmsint 公式(2-2) 式中，G为电路开关转移函数，为电源频率，并定义为：当时， G=1 当时， G=0。 公式(2-3)式中，上标0代表S关合，1则为S断开。G随时间变化的波形如图2-1c所示。将该波形用傅里叶级数展开，得 G=D+ 公式(2-4)式中，为载波频率，。将公式(2-4)带入公式(2-2)，有 公式(2-5) 上式表明，U0除包含基波外，还含有其他谐波，改变占空比D，即可改变基波幅值，实现调压目的。图2-1 斩波式调压电路及其波形2.3开关器件简述交流斩波调压对象为交流电压，要求对正负半波电压均能进行调制，即开关器件必须为双向的，结构上具有对称性。从能量角度看，开关器件的通断控制着能量的流动及流向，由于能量为不能突变量，它要求电路拓扑时刻提供能量连续通路，即电路具有双向性。除单片双向开关9 (Monolithic Bidirectional Switch, MBS)外，有多种形式的合成双向开关可以选择，使用常见的双向电子开关有如下几种： (a) (b) (c) (d)图2-2 四种类型的双向开关在以上双向管结构中，可控器件通常可以选用IGBT和MOSFET，视使用场合决定。图(c)双管反并联方式的双向开关开通时反向恢复电流几乎是图(a)方式开关的两倍10，这对图(c)方式串连的开关管以及二极管自身都是个严重的威胁，且CE方式两个全控管的射极相连，它们可以共用一组驱动电源。而图 2-2(c)方式必须使用两组隔离驱动电源。图(d)在感性、容性负载中存在斩波失控现象，驱动信号的产生以及共地问题的解决都很复杂。所以一般不使用图(c)(d)这两种方式的开关管。我们叫图(a)方式为共射级（Common Emitter，CE）方式双向开关管。就双向开关管本身的结构来说，单管式双向开关图(b)只有一个控制端口，其它由四个不可控的快恢复二极管构成,是真正的双向开关管，驱动方式最简单，无需续流回路，且需一路驱动信号，为一种经济型交流调压电路。但只能用于阻性负载，所需的滤波电容比较大，且要求电容能通过较大的交流电流。该拓扑有较大的浪涌电流，由于电容积分效应，电路动态响应速度变慢。故其适用于成本低、性能要求不高、容量较小的交流调压电路中。二极管的选取对双向开关的性能有较大影响。同样在文献10中，用CE式双向开关管，验证了使用SiC材料二极管方式相对于使用硅材料二极管方式，它的寄生电容反向恢复电流尖峰要小得多。但是SiC二极管成本仍然较高，作为折中，可选择使用快恢复二极管，兼顾性能和成本。通过以上比较发现，单管反串联互补驱动电路拓扑在中、小功率阻性负载应用中具有较大优势，由于电动机为感性负载，所以调压模块采用该拓扑，调压模块最大输出1000W，输入电压220V。调压模块经实验验证，具有较高的性价比及可靠性。双向开关在AC/AC直接变换、AC/DC直接变换、矩阵变换器11周波变换器等场合都有重要的应用12，故而先研究双向开关的特性。基于以上陈述，我们一般根据使用场合选用图 2-2(a)方式的双向开关管。2.4交流调压电路拓扑分析 按照调压方式分类，单相调压电路可分为Buck型变换器、Boost型变换器、Buck-Boost型变换器13,14。Zeta型变换器、Sepic型变换器。单相系统的Buck、Boost、Buck-Boost、Zeta、Sepic型电路的拓扑如图2-3图2-7所示。这种形式的斩控式交流调压器包含有两个标准开关模块、电感、电容。通常，开关VS1和VS2或VS3和VS4同时导通与关断，在死区时间内所有的开关关断。因此，必须加上RC旁路缓冲电路来续流及限压。然而，在本文提出的电路拓扑中，开关模式决定于电源电压和电流的极性。当电源电压极性改变时，开关模式也相反。因此，无论电流方向如何，电通路总是存在的。因为在电源电压的半周内，有两个开关导通，开关损耗明显减小。图2-3 单相Buck型电路拓扑图2-4 单相Boost型电路拓扑图2-5 单相Buck-Boost型电路拓扑以上的开关拓扑结构由IGBT或MOSFET等全控型开关器件加上反并联二极管所构所成，成为第一类开关拓扑结构。这里的反并联二极管并非开关器件的寄生二极管，而是为电路反向(相对于开关导通方向)电流提供回路的二极管，因而采用大功率二极管作为主电路的一部分。第一类开关结构是人们最早研究的双向开关结构，它具有导通损耗小，效率高的优点，适合大功率的应用场合。 图2-6 Zeta型电路拓扑图2-7 Sepic型电路拓扑 以上两个开关拓扑结构是由整流桥和IGBT或MOSFET等全控器件所构成的，称为第二类开关拓扑结构。该开关结构的优点在于便于模块化，但由于整流桥二极管的反向恢复电流过大，因此开关效率较前者较低，且由于目前整流桥的功率和耐压级别限制，此类开关器件更为适合中小功率的应用场合。2.5主电路拓扑选择在本毕业论文中设计一个中小功率的交流调压电源，来实现斩波调压功能。结合本节中各种拓扑结构的特点和使用场合，在本毕业论文中选用单管反串联双向电子开关的斩控式交流调压拓扑结构，即如图2-8所示的拓扑结构。图2-8 交流斩波拓扑该拓扑采用带电流检测的非互补控制方式，开关模式由电压电流极性决定，避免了调压器中主开关和续流开关换相过程引起的共态运行，开关器件无换相过电压。主开关缓冲电路经优化设计后，可保证主开关开通电流小于1.5倍通态电流，改善开关过程电压、电流变化轨迹，减小器件开关损耗。对输出电压波形的傅里叶分析结果表明，除基波以外还含有其它谐波，谐波频率在开关频率及其整数倍两侧分布，开关频率越高，越容易滤除。经优化设计的滤波器滤波后，可认为输出电压仅含有基波。R1、C1和VS3、VS4并联，作为它们寄生二极管和外接二极管开通时反向恢复电流的吸收器件，并防止擎住效应损坏开关管。R1、C1最主要的作用还在于如果电路在过零点附近出现电压、电流不同极性，主开关管和续流开关管之间以带死区互补方式工作的时候， 能够给电感电流提供一个通路， 减弱由于死区造成的电压尖峰。一般死区脉冲不大，且频谱是高频的，很容易滤除，电路允许这一点电压尖峰存在。R2和C2是为改善系统的控制性能添加的。 2.6本章小结本章首先概述了常斩控式交流调压器的主电路拓扑结构和基本原理，对几种双向开关的关键特性做了介绍，比较了几种合成双向开关的优缺点。论述了常见的几种直流斩波电路的拓扑结构和基本原理。总结了多种形式的交流斩波直接变换拓扑及其偏重的功能。最终确定本设计的主电路拓扑。 3 斩控式交流调压电路的控制方法研究3.1死区效应分析 电力电子电路的拓扑和PWM函数是不可分割的两部分，一种拓扑在特定的负载情况下， 一般都存在相应的一种或多种最优PWM方式15,16。 而实现类似功能(AC/DC，DC/DC)的不同拓扑，一般也存在一种较优的拓扑，简洁、可靠、廉价并且高效的实现预定功能。这里的任务就是研究、找到这个最优的拓扑和PWM方式组合策略。以Buck电路为例，将图 3-1中三种双向开关分别代替图2-2中的理想双向开关， 就可以得到多种组合形式的Buck型电路拓扑。 图3-1 逆变器(a)和交流斩波器(b)发生死区时的电感电流路径逆变器桥臂不能直通，一个桥臂上两个开关元件之间存在的死区。在死区时间，可控管关断，在图上省略没有画出，只画出电流通路相关的二极管，如图 3-1所示。由于压控型全控器件(IGBT、IGCT、MOSFET 等)存在寄生反并联二极管（或者外接反并联二极管）,在死区发生时候，如果电感电流正向流动，则电感电流可以通过 VD1 、VD3续流；电感电流负向流动，可以通过VD2 、VD4 续流。图3-1(a)红色回路为电感电流正向时在死区时间的续流回路。死区对整流器的影响和对逆变器的影响相似，电感电流存在续流通路。从状态平均的观点看，死区效应可等效于一个不消耗能量的、非线性、时变的电阻17，它只对电路的控制和波形有影响，一般对电路里的器件不会有什么威胁。 但是交流斩波电路续流方式和逆变器不同。如果使用图2-1 (a)形式的双向开关代替,则当VS1 、VS2 之间存在死区时，可控器件关断，电感电流没有续流路径。这样滤波电感上电流断续，将在电感上产生很大的电压尖峰，威胁开关管的安全，影响输出电压、电流的质量，并且增加控制难度。也就是说，死区效应对交流斩波电路的影响要比对逆变器、整流器电路的影响恶劣得多。文献18的实验结果证明如果 VS2 使用图2-1(a)方式双向开关，输出电压上电压尖峰很高。 通过设置缓冲电路，可以使电路在发生共态导通时，电流通过相应的缓流电感限流；电路死区发生共态关断时，滤波电感上电流通过相应电容续流7，从而保证负载电流的连续，在一定程度上减弱死区问题的影响。但是这种互补PWM策略方法大大增加了系统复杂度，系统的元件数量大大增加，使装置的可靠性降低；缓冲电感、电容的设计都比较困难；在大负载条件下缺点更显著，不能从根本上解决死区带来的问题。3.2 控制方式选择3.2.1 互补控制方式 斩波交流调压电路控制方式可分为互补控制方式和非互补控制方式。互补式典型电路如图3-2所示，该电路只用了两只电力电子开关，成本较低，但要求VS1和VS2的开关时间完全一致，也即在关断VS1的同时接通VS2。相反亦然，否则将产生VS1 和VS2同时处于通态或断态的情况，而这种情况是不允许的。因为VS1和VS2通态，则电源将沿VS1和VS2短路；若VS1和VS2同处断态，则负载电流通路将被切断，在感性负载下，当器件断开时将产生较高的感应电势，直至将VS1和VS2击穿。图3-2 互补式交流调压电路由于开关VS1和VS2通断时间不可能完全一致，为了确保VS1和VS2工作在安全区，为了防止开关的共态运行，需要加入死去间隔，并加入缓冲电路尺寸，具体实用电路见图3-3所示。图3-3 接入缓冲电路的互补式交流调压电路通过电路图可以清晰得出接入缓冲电路的互补式交流调压电路问题所在，在大容量条件下这样便会成为致命的弱点，缓冲电路复杂、体积大、开关电路效率低。根据死区分析，互补控制的时候必然需要带死区互补，由于交流斩波电路相比桥式电路的特殊性，互补控制并不是一个很好的方法。因此，对于大功率调压电路和负载为感性的电路采用非互补控制方式更为恰当。3.2.2 非互补控制方式实现非互补控制方式的主电路结构如图3-4所示。该电路特点是正反向开关的工作状态是可以分别控制的，根据控制电路是否包含负载电流检测信号，这类互补控制方式可以分为以下两类：图3-4 具有非互补控制的单相交流调压电路图3-5 具有非互补控制的单相交流调压电路波形图无电流检测的非互补控制方式在0wt区间（即电源的正半周）保持VS3关断，而 VS2和 VS4 导通，而 VS1 轮番通断。于是输出电压也时断时续，在wt0，负载电流基波分量I00,Ug2b0,Ug1a=0。由于VS1常断，保证电源不被短路；由于VS2和VS4常通，保证正反两方向的负载电流均能流通。VS3由转移函数驱动，当G=1时，VS3导通，由于I00，I00，则令VS2，VS4导通，VS3关断,转移函数G驱动VS1，当G=l时，VS1导通，U0= U1。相反，当G=0时，VS1截止，I0电流通过VS3向电源反馈能量此时U0= U1。因此在区间B内满足：U0=U1 G=0U0=0 G=1在区间内，U1 0，则令VS1，VS3导通，VS2关断,转移函数驱动VS4，当G=l时， U0= U1。相反，当G=0时，此时U0= U1。因此在区间C内满足：U0=U1 G=0U0=0 G=1在区间内，U1 0，I00，则令VS1，VS3导通，VS4关断,转移函数G驱动VS2，当G=l时， U0= U1。相反，当G=0时，此时U0= U1。因此在区间C内满足：U0=U1 G=0U0=0 G=1根据以上分析可得出VS1、 VS2 、VS3 、VS4在一个电源周期内逻辑关系式为：VS1=+U IUgVS2=U +UgVS3=U +IgVS4=+Ug3.3本章小结本章先针对Buck 型PWM交流斩波控制器的一般拓扑和PWM方式做具体分析，对交流斩波电路的拓扑及其PWM原则做了详细的推导，着重对在单管反串联双向电子开关拓扑下的死区效应进行了分析，得出使用单管反串联双向电子开关交流调压电路的结论。然后对斩控交流调压的控制方式进行了详细的介绍。首先对斩控调压的控制方式进行对比和分析，并对控制方式进行详细的分析。着重对感性负载下的电压电流不同极性情况进行了分析。如果加入电流检测，单相交流斩波拓扑应用四象限PWM开关模式，可以完全消除感性或者容性负载电压、电流不同相位情况下电压失控现象。重点推导了单相Buck型交流斩波拓扑下的开关模式，分析可得出VS1、VS2、VS3、VS4在一个电源周期内逻辑关系。最终确定本课题的控制方式为带电流电压检测的非互补式控制方式。4 主电路硬件设计4.1系统的基本构成斩控式交流调压电源包括主电路和控制电路两部分。图4-1为其基本结构框图，主电路部分包括斩波用的双向电力电子开关和输出滤波环节等。控制电路由电流电压采集调理、控制信号逻辑时序控制、驱动保护三部分组成。其中控制信号整合是由CD4023来完成的。电路工作时，将市电降压处理后，进行电压过零检测，并输出同步方波。通过对主电路电流过零检测，也输出同步方波。将两个同步信号连同PWM信号经过与非门处理，形成电力电子开关控制脉冲信号，驱动电路把开关脉冲信号进行放大、整形，使其满足电力电子开关器件的要求，其输出加在电力电子器件的控制端。从而形成了一个交流调压器系统。图 4-1 斩控式交流调压器框图4.2斩控式交流调压电源主电路基本构成斩控式交流调压系统的主电路如图4-2所示。主电路部分包括斩波用的双向电力电子开关、输出滤波环节、直流稳压电源。图4-2 斩控式交流调压器主电路拓扑结构4.3主功率开关器件的选择电力MOS场效应晶体管简称为电力MOSFET或功率MOSFET。它是一种单极性型的电压控制器件，不但有自关断能力，而且有输入阻抗高、驱动功率小、开关速度快、无二次击穿问题、安全工作区宽、热稳定性能好、高频性能好及跨导线性度高等显著优点。在诸如开关电源、小功率变频调速等电子设备中，电力MOSFET具有其他电力电子起家所不能取代的地位。4.3.1 功率MOSFET的工作原理截止：漏源极间加正电源，栅极极间电压为零。P基区与N漂移区之间形成的PN结反偏，漏源极之间无电流流过。导电：在栅源极间加正电压UGS，栅极是绝缘的，所以不会有栅极电流流过。但栅极的正电压会将其下面P区中的空穴推开，而将P区中的少子电子吸引到栅极下面的P区表面，当UGS大于UT（开启电压或阀值电压）时，栅极下P区表面的电子浓度将超过空穴浓度，使P型半导体反型成N型而成为反型层，该反型层形成N沟道而使PN结消失，漏极和源极导电。4.3.2 功率MOSFET参数的确定本文设计的斩控式交流调压器的功率1KW，电网电压输入的有效值为220V，电网电压波动范围 187V253V(-15%+15%)，主功率开关器件采用MOSFET来实现。则主电路电流有效值为：则主电路电流的峰值为：Imax=考虑2倍的安全系数并根据实际情况，MOSFET选择在85时，电流额定值为30A的管子。当开关管不导通时承受的最大反向电压为Umax=URMUmax是电网电压的峰值，当电网电压为220V时Umax=URM=311V电压裕量为2-3倍，所以MOSFET应该选择在85时，电压额定值为600V的管子。本设计选择K1358作为主功率开关器件。4.4输出滤波器设计斩控式交流调压器的输入、输出电压中含有高次谐波，这些高次谐波会对电网造成较大的谐波污染，同时高次谐波可能会产生电磁干扰导致周围的一些电设备、计算机类敏感负载、通讯系统等不能正常工作。因此滤波器的设置和设计具有重要的意义20,21。输出电压所包含的频率成分与电子开关频率和输入电压频率有关，在n的左右成对出现，每一对谐波成分幅值相等。对于用于工频的斩控式交流调压器，m即工频角频率(m=250Hz)，要比S低得多，通常关在5KHz以上，这样谐波成分的频率比基波成分大得多，这为输出电压的滤波创造了有利条件23。越高谐波频率就越高，进行滤波较容易。而且，越高谐波频率就越高，在进行低通滤波时滤波元件的参数就越小，更容易实现，输出滤波器常用LC低通无源二阶滤波器。4.4.1 滤波器拓扑结构及数学模型 滤波器拓扑结构如图4-3所示。图4-3 LC滤波器拓扑结构若不计电感线圈的内阻及电容器的漏电阻，转移函数为： 公式(4-1)式中：Ui(s)为滤波器输入电压；Uo(s)为滤波器输出电压；c=为谐振角频率；=为阻尼系数；S为拉普拉斯算子。4.4.2 滤波器参数的确定l) 从系统对控制对象频率特性的要求选择滤波器的L、C。在本毕业论文中，=50Hz，=5KHz，谐波中最低的频率=4950Hz。为了使滤波器输出电压接近正弦波同时又不会引起谐振问题，LC滤波器的截止频率关必须要远小于输出电压中所含有的最低次谐波频率，同时又要远大于基波频率。LC截止频率选为：10 取=10。c =3140rad/s，可得：LC= 公式(4-2)2) 从滤波电感上的电压损耗考虑本系统令滤波电感的压降为电网的电压的2%3%。LI=U(2%3%) 公式(4-3)式中：U=220V；I=4.5A；=100。由此计算电感值为3.lmH-4.7mH。可由电感值计算电容值为2.1-3。综合以上分析可使电容值选用22/450V，电感值选用3mH/30 A。4.5直流稳压电源的设计4.5.1 直流稳压电源的基本构成 随着电力电子技术的迅速发展，直流电源应用非常广泛，其好坏直接影响着电气设备或控制系统的工作性能，目前，各种直流电源的基本环节大致相同，都包括交流电源、交流变压器(有时可以不用)、整流电路、滤波稳压电路等。如图4-4所示。图4-4 稳压电源的组成框图4.5.2 电源变压器 电源变压器的作用是将来自电网的220V交流电压U1变换为整流电路所需要的交流电压U2。电源变压器的效率为： 公式(4-4)其中：P2是变压器副边的功率，P1是变压器原边的功率。一般小型变压器的效率如表4-1所示：表4-1 一般小型变压器的效率因此，当算出了副边功率P2后，就可以根据上表算出原边功率P1。4.5.3整流和滤波电路 在稳压电源中一般用四个二极管组成桥式整流电路，整流电路的作用是将交流电压 U2变换成脉动的直流电压U3。滤波电路一般由电容组成，其作用是把脉动直流电压U3中的大部分纹波加以滤除，以得到较平滑的直流电压U1。U1与交流电压U2的有效值的关系为： U1=(1.1-1.2)U2 公式(4-5)在整流电路中，每只二极管所承受的最大反向电压为：URM=U2 公式(4-6)流过每只二极管的平均电流为：ID= 公式(4-7)其中：R为整流滤波电路的负载电阻，它为电容 C提供放电通路，放电时间常数RC应满足： 公式(4-8)其中：T = 20ms是50Hz 交流电压的周期。4.5.4 稳压电路 由于输入电压U1发生波动、负载和温度发生变化时，滤波电路输出的直流电压 U1会随着变化。因此，为了维持输出电压U1稳定不变，还需加一级稳压电路。稳压电路的作用是当外界因素（电网电压、负载、环境温度）发生变化时，能使输出直流电压不受影响，而维持稳定的输出。稳压电路一般采用集成稳压器和一些外围元件所组成。采用集成稳压器设计的稳压电源具有性能稳定、结构简单等优点。集成稳压器的类型很多，在小功率稳压电源中，普遍使用的是三端稳压器。按输出电压型可分为固定式和可调式，此外又可分为正电压输出或负电压输出两种类型。本设计采用L78系列三端固定式正电压输出集成稳压器。4.5.5 稳压电源的设计方法 稳压电源的设计，是根据稳压电源的输出电压Uo、输出电流Io、输出纹波电压Uop-p等性能指标要求，正确地确定出变压器、集成稳压器、整流二极管和滤波电路中所用元器件的性能参数，从而合理的选择这些器件。 稳压电源的设计可以分为以下三个步骤： 1) 根据稳压电源的输出电压Uo、最大输出电流Iomax，确定稳压器的型号及电路形式。 2) 根据稳压器的输入电压U1，确定电源变压器副边电压 U2的有效值；根据稳压电源的最大输出电流Iomax，确定流过电源变压器副边的电流I2和电源变压器副边的功率 P2；根据 P2，从表4-1查出变压器的效率，从而确定电源变压器原边的功率P1。3) 根据所确定的参数，选择电源变压器。本设计需要12V的直流稳压电源，其电路拓扑如图4-5所示。图4-5 输出电压为12V的稳压电源主电路硬件电路图如附录1所示。4.6 本章小结 本章在对斩控式交流调压电源工作原理及控制方法进行深入研究的基础上，对斩控式调压电源的主电路硬件部分进行设计。主要有：1) 明确了系统基本组成，设计出整体框架图。2) 概括了主电路的基本组成。3) 主功率开关器件的选择设计。4) 输出滤波器电感、电容的设计。5) 直流稳压电源的设计。5 控制电路硬件设计5.1电压过零检测电路的设计电压过零检测电路通过电压比较器对输出电压过零点进行检测，进而得到同步方波，从而决定MOSFET的开关状态。在本毕业设计采用采用LM393电压比较器来实现电压的过零点检测。5.1.1 LM393简介LM393是由两个独立的、高精度电压比较器组成的集成电路，失调电压低，它专为获得宽电压范围、单电源供电而设计，也可以双电源供电，而且无论电源电压大小，电源小号的电流都很小。它的引脚排列如图5