单相输入亮度可连续调节灯光电路AC-AC设计

1、武汉理工大学电力电子装置及系统课程设计说明书课程设计任务书学生姓名： 专业班级： 指导教师： 工作单位： 题 目: 单相输入亮度可连续调节灯光电路AC-AC设计初始条件：输入220V单相交流电。要求完成的主要任务: （包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）1、采用交流调压电路；2、负载（灯泡）要求060V交流电压，最大负载电流5A 3、设计主电路，选择主电路的参数时间安排：课程设计时间为两周，将其分为三个阶段。第一阶段：复习有关知识，阅读课程设计指导书，搞懂原理，并准备收集设计资料，此阶段约占总时间的20%。第二阶段：根据设计的技术指标要求选择方案，设计计算。约占总时间的4

2、0%。第三阶段：完成设计和文档整理，约占总时间的40%。指导教师签名： 年 月 日系主任（或责任教师）签名： 年 月 日目录1 概述31.1交流调压作用简介31.2 方案确定41.3 斩波式交流调压电路基本原理42 元件选择52.1 触发芯片SG352552.2 开关器件选择62.2.1 IGBT的选择62.2.2 续流二极管选择62.3 缓冲电路元件选择62.4 逻辑元件的选择73 主电路设计73.1触发电路73.2 缓冲电路84 主控电路说明84.1 芯片的介绍84.2 管脚功能94.3 芯片使用105 小结11附录（总电路图）12参考文献131 概述1.1交流调压作用简介在工业生产及日用

3、电气设备中，有不少交流供电的设备采用控制交流电压来调节设备的工作状态，如加热炉的温度、电源亮度、小型交流电机的转速等。这样就需要设计一种交流调压电路来控制，其基本原理是把两个晶闸管反并联后串联在交流电路中,通过对晶闸管的控制就可以控制交流电力。在每一个周波内通过对晶闸管开通相位的控制，可以方便地调节输出电压的有效值，这种电路称为交流调压电路。用在电热控制、交流电动机速度控制、灯光控制和交流稳压器等场合。采用晶闸管作为开关元件的典型单相交流调压电路如图1所示。常用通断控制或相位控制方法来调节输出电压。图1 典型单相交流调压电路交流调压电路也广泛用于灯光控制（如调光台灯和舞台灯光控制）及异步电动机

4、的软起动，也用于异步电动机调速。在供用电系统中，这种电路还常用于对无功功率的连续调节。此外，在高压小电流或低压大电流中，也常采用交流调压电路调节变压器一次电压。如采用晶闸管相控整流电路，高电压小电流可控直流电源就需要很多晶闸管串联，同时，低电压大电流直流电源需要很多晶闸管并联。这都是十分不合理的。采用交流调压电路在变压器一次侧调压，其电压电流值都不太大也不太小，在变压器二次侧只要用二极管整流就可以了。这样的电路体积小、成本低、易于设计制造。（1）1.2 方案确定目前有晶闸管调压器和逆变式调压器两种。晶闸管调压器采用的是相控方式，因此其输出波形差；逆变式调压器采用的是斩波控制方式，其输出波形和动

5、态响应较好。所以，我选用斩波式控制的交流调压装置，其原理图如图1.2.图1.2 斩波式交流调压电路1.3 斩波式交流调压电路基本原理斩控式交流调压电路的原理图如图1.2，图中V1、V2、VD1、VD2构成双向可控开关。基本原理和直流斩波电路有类似的地方，只是直流斩波电路的输入是直流电压，而斩空式交流调压电路的输入是正弦交流电压。在交流电源Ui的正半周，用V1进行斩波控制，用V3给负载电流供电提供续流通道；用V2进行斩波控制，用V4给负载电流提供续流通道。设斩波器件V1、V2的导通时间为ton，开关周期为T，则导通比为=ton/T，和直流斩波电路一样，通过对的调节可以调节输出电压U0。图1.3给

6、出了电阻负载时负载电压U0和电源电流i1(也就是负载电源)的波形。可以看出电源电流的基波分量是与电源电压同相位的。即位移因数为1。电源电流不含低次谐波，只含和开关周期T有关的高次谐波，这些高次谐波用很小的滤波器即可滤除，这时电路的功率因数接近于1。图1.3 电阻负载时斩控式交流调压电路波形2 元件选择2.1 触发芯片SG3525SG3525 是一种性能优良、功能齐全和通用性强的单片集成PWM控制芯片，其管脚图如图2.1所示，起内部结构如图2.2所示。它简单可靠及使用方便灵活，输出驱动为推拉输出形式，增加了驱动能力；内部含有欠压锁定电路、软启动控制电路、PWM锁存器，有过流保护功能，频率可调，同

7、时能限制最大占空比。图2.1 SG3525管脚图2.2 开关器件选择2.2.1 IGBT的选择当开关管截止时，续流二极管导通，稳压电源的全部输入电压都加在开关管的集射极间，因此，开关管的耐压值VCBO必须大于交流电路的输出电压Uwi，考虑到其他因素的影响，开关管集射级间电压U按下式选取：U>2.5Uwi=550V最大集电极电流选取Ic=2*6=12A2.2.2 续流二极管选择当开关管截止时，续流二极管导通，通过续流二极管传输到负载。由 此可知，续流二极管的正向额定电流必须大于开关管的最大集电极电流。当开关管饱和时，集电极间的电压可以忽略不记，续流二极管的耐压值必须大于前级整流电

8、路的输出电压Uwi。2.3 缓冲电路元件选择RCD缓冲吸收电路为例，其中应用的元件需要结合实际的情况进行选择。其中的吸收电容Cs的选择可以采用下面的公式：Cs=LsI02(Upk-Uco)2电路中的电阻Rs不宜过大，如太大Cs放电时间过长，电不能完全放掉。但Rs太小，在器件导通时，RsCs放电电流过大、过快，可能危及器件的安全，也可能引起振荡。一般的，电阻选择参考下面的公式： Rs=16Cs×fsw其中，Ls：主电路电感，主要是没有续流时的杂散电感；Upk：Cs上的最大充电电压；Uc0：电源电压；I0：负载电流；fsw ：开关频率。（3） 需要注意的是，

9、电容应该选择无感电容；电阻要注意它的功耗，应选择相应的功率电阻；吸收模块的制作要注意绝缘。2.4 逻辑元件的选择逻辑元件主要使用到与非门、非门。经过这两个逻辑元件组合形成PWM输出关断信号、触发信号的互锁等功能。3 主电路设计3.1触发电路采用SG3525触发芯片为主的触发电路，电路图如图3.1所示。图3.1 SG3525触发电路其中3个与非门构成同步失调保护，如图3.2所示。通过对比两组A、B和A、B，当他们任意两个相同时说明两组触发脉冲步调不一致，输出就为高电平给管脚10，使停止输出PWM，是晶体管关断，停止给负载供电。图3.2 同步时调保护3.2 缓冲电路RCD缓冲电路，其作用是抑制电力

10、电子器件的内因过电压du/dt或者是过电流di/dt，减小开关损耗。我选用的是di/dt抑制电路，如图3.2所示。（2）图3.3 RCD缓冲电路4 主控电路说明4.1 芯片的介绍随着电能变换技术的发展，功率MOSFET在开关变换器中开始广泛使用，为此美国硅通用半导体公司（Silicon General）推出SG3525。SG3525是用于驱动N沟道功率MOSFET。其产品一推出就受到广泛好评。SG3525系列PWM控制器分军品、工业品、民品三个等级。下面我们对SG3525特点、引脚功能、电气参数、工作原理以及典型应用进行介绍。4.2 管脚功能1.Inv.input(引脚1)：误差放大

11、器反向输入端。在闭环系统中，该引脚接反馈信号。在开环系统中，该端与补偿信号输入端（引脚9）相连，可构成跟随器。2.Noninv.input(引脚2)：误差放大器同向输入端。在闭环系统和开环系统中，该端接给定信号。根据需要，在该端与补偿信号输入端（引脚9）之间接入不同类型的反馈网络，可以构成比例、比例积分和积分等类型的调节器。3.Sync(引脚3)：振荡器外接同步信号输入端。该端接外部同步脉冲信号可实现与外电路同步。4.OSC.Output(引脚4)：振荡器输出端。5.CT(引脚5)：振荡器定时电容接入端。6.RT（引脚6）：振荡器定时电阻接入端。7.Discharge(引脚7)：振荡器放电端。

12、该端与引脚5 之间外接一只放电电阻，构成放电回路。8.Soft-Start(引脚8)：软启动电容接入端。该端通常接一只5 的软启动电容。9.Compensation(引脚9)：PWM 比较器补偿信号输入端。在该端与引脚2 之间接入不同类型的反馈网络，可以构成比例、比例积分和积分等类型调节器。10.Shutdown(引脚10)：外部关断信号输入端。该端接高电平时控制器输出被禁止。该端可与保护电路相连，以实现故障保护。11.Output A（引脚11）：输出端A。引脚11 和引脚14 是两路互补输出端。12.Ground(引脚12)：信号地。13.Vc(引脚13)：输出级偏置电压接入端。14.Ou

13、tput B（引脚14）：输出端B。引脚14 和引脚11 是两路互补输出端。15.Vcc（引脚15）：偏置电源接入端。16.Vref(引脚16)：基准电源输出端。该端可输出一温度稳定性极好的基准4.3 芯片使用SG3525内部结构如图4.1所示，直流电源Vs从脚15接入后分两路，一路加到或非门；另一路送到基准电压稳压器的输入端，产生稳定的元器件作为电源。振荡器脚5须外接电容CT，脚6须外接电阻 RT。振荡器频率由外接电阻RT 和电容CT决定，振荡器的输出分为两路，一路以时钟脉冲形式送至双稳态触发器及两个或非门；另一路以锯齿波形式送至比较器的同相输入端，比较器的反向输入端接误差放大器的输出，误差

14、放大器的输出与锯齿波电压在比较器中进行比较，输出一个随误差放大器输出电压高低而改变宽度的方波脉冲，再将此方波脉冲送到或非门的一个输入端。或非门的另两个输入端分别为双稳态触发器和振荡器锯齿波。双稳态触发器的两个输出互补，交替输出高低电平，将PWM脉冲送至三极管VT1及VT2的基极，锯齿波的作用是加入死区时间，保证 VT1 及VT2不同时导通。最后，VT1及VT2分别输出相位相差为180°的PWM波。图4.1 SG3525内部结构5 小结在这次课程设计中，我主要通过查阅课本、图书馆翻阅相关书籍和上网查询，了解了完成任务所需要的相关知识，如触发电路相关的，交流调压相关的以及画电路图相关软件

15、的知识。在这次课设中，电路图是使用DXP软件画的，在找原件和画原件用了不少的时间，也让我对着软件的使用更熟悉。其次，在电路的设计上，在确定是AC/AC变换，我就从电力电子技术和电力电子装置找到了交流调压电路和有关的触发电路，但是介绍的是移相调压触发电路，这样产生的谐波大，难以消除，所以我选择了PWM斩控式调压，这样电源电流不含低次谐波，只含和开关周期T有关的高次谐波，这些高次谐波用很小的滤波器即可滤除，电压品质较好。这次课设让我理解了理论和实践的差距，在不断的遇到问题和解决问题中进行，让自己的自学能力的到了加强，动手能力得到了提高，为步入社会做了进一步的准备。附录（总电路图）参考文献（1） 王兆安