斩控式单相交流调压电路设计

1、湖南工程学院课程设计任务书课程名称：电力电子技术题目：斩控式单相交流调压电路设计专业班级：学生姓名：自动化0801易庭海学号:14指导老师：刘星平赵葵银审批：李晓秀任务书下达日期 2011年6月27日设计完成日期2011年7月7日设计内容与设计要求设计内容：1. 电路功能：1） 用斩控方式实现交流调压，功率因数高，谐波小，输出波形好2）电路由主电路与控制电路组成，主电路主要环节：主电力电子开关 与续流管.控制电路主要环节：脉宽调制PWM电路、电压电流检 测单元、驱动电路、检测与故障保护电路.3）主电路电力电子开关器件采用 GTR、IGBT或MOSFET.4）系统具有完善地保护2. 系统总体方案

2、确定3. 主电路设计与分析1）确定主电路方案2）主电路元器件地计算及选型3）主电路保护环节设计4. 控制电路设计与分析1）检测电路设计2）功能单元电路设计3）控制电路参数确定设计要求：1. 设计思路清晰，给出整体设计框图；2. 单元电路设计，给出具体设计思路和电路；3. 分析所有单元电路与总电路地工作原理，并给出必要地波形分析4. 绘制总电路图5. 写出设计报告；主要设计条件1. 设计依据主要参数1）输入输出电压：单相（AC） 220 （1土15%）、0200V （AC）2）最大输出电流：20A3） 功率因数： 0.72. 可提供实验说明书格式1. 课程设计封面；2. 任务书；3. 说明书目录

3、；4. 设计总体思路，基本原理和框图（总电路图）；5. 单元电路设计（各单元电路图）；6. 故障分析与电路改进、实验及仿真等7. 总结与体会；8. 附录（完整地总电路图）；9. 参考文献；10. 课程设计成绩评分表进度安排第一周星期一：课题内容介绍和查找资料； 星期二:总体电路方案确定 星期三：主电路设计 星期四:控制电路设计 星期五:控制电路设计；第二周星期一：控制电路设计星期二：电路原理及波形分析、实验调试及仿真等 星期四五:写设计报告，打印相关图纸； 星期五下午：答辩及资料整理参考文献1 石玉，栗书贤电力电子技术题例与电路设计指导机械工业出版社，19982 王兆安，黄俊电力电子技术（第4

4、版）.机械工业出版社,20003浣喜明，姚为正电力电子技术高等教育出版社,20004莫正康电力电子技术应用（第 3版）.机械工业出版社,20005 郑琼林,耿学文电力电子电路精选机械工业出版社，19966 刘定建,朱丹霞实用晶闸管电路大全机械工业出版社,19967 刘祖润，胡俊达毕业设计指导机械工业出版社，19958 刘星平电力电子技术及电力拖动自动控制系统校内,1999目录第1章概述11.1课题来源11.2解决方法11.3优势2第2章 系统总体方案确定 1112.1设计总体思路2.2基本工作原理 2.3框图第3章主电路设计1113.1主电路3.2主电路图第4章单元控制电路设计1114.1控制

5、及驱动电路 4.2输入欠电压电路4.3输出限流电路4.4输入过压电路4.5过零检测及续流触发电路 4.6谐波分析第5章 故障分析与电路改进、实验及仿真 111第6章总结与体会111第 1 章 概述1.1 课题来源单相交流电源地应用是非常广泛地 . 比如在农村、轻工业、家用电器 等小功率传动领域以及电力机车供电系统 . 对于单相交流电源 ,调压和稳 压是最为普遍地要求 . 目前能够实现这一要求地调压器有下面三种：1）磁饱和式调压器 该调压器通过控制主电路中电感地饱和程度 , 以 改变电抗值以及其上地电压 , 实现对输出电压地调节 . 这种调压器具有一 定地动态性能 , 但输出电压地调节范围小 ,

6、 体积和重量较大 .2）机械式调压器 机械式调压器由电动机带动碳刷实现输出电压地 调节.这种调压器输出波形较好 ,但体积、重量大 ,动态性能差 .3）电子式调压器 这种调压器采用电力电子器件实现 . 目前有晶闸管 调压器和逆变式调压器两种 . 晶闸管调压器采用地是相控方式 , 因此其输 出波形差；逆变式调压器采用地是斩波控制方式 , 其输出波形和动态响应 较好.从上面可知 ,逆变式电子调压器具有最好地性能 . 逆变式电子调压器 地结构不仅具有调压、 稳压地能力 , 而且还可以实现频率地变换 . 它是通过 AC/DC/AC变换实现地.具有中间直流环节和储能电容,不过,变换效率低是 它地不足 .1

7、.2 解决方法随着现代电力电子技术地发展 ,单相电源变换技术也有了很大地进步 先后出现了多种利用全控器件地交交直接变换方案 .本文基于矩阵式变 换理论,提出一种矩阵式单相电源变换电路 ,该电路只使用两个双向开关管 可以实现输出电压连续可调及获得高正弦度地输入电流波形 .采用单相单相矩阵式电力变换 .通过一组开关函数可以将输入地工频交流电压转换成幅值和频率均可调地单向交流电压 .1.3 优势本文提出采用MOSFE地斩波式交流调压器.使该调压器具有调节方 便、动态响应快、对电网谐波污染小、装置功率因数较高等优点 . 用于交 流电压地调节和控制 , 有更好地性能和应用前景 .第 2 章 系统总体方案

8、确定2.1 设计总体思路交流-交流变流电路 , 是将一种形式地交流电变成另一种形式地交流 电,在进行交流 -交流变流时 ,可以改变电压、电流、频率和相位等参数 .只 改变相位而不改变交流电频率地控制 , 在交流电力控制中称为交流调压 .把两个晶闸管反并联后串联在交流电路中 , 通过对晶闸管地控制就可 以控制交流电力 . 这种电路不改变交流电地频率 , 称为交流电力控制电路 . 在每半个周波内通过对晶闸管开通相位控制 , 可以方便地调节输出电压地 有效值, 这种电路称为交流调压电路 .斩控式交流调压就是通过改变对晶闸管地导通地控制,可以是保持开关周期T不变，调节开关导通时间Ton,这种方式称为脉

9、冲宽度调制（PWM 调制），也可以是开关导通时间 Ton不变,改变开关周期T,称为频率调制, 还有一种混合型，就是Ton和T都可调.实验室提供地是 PWM 调制,通过调节开关导通地时间 ,即调节占空比 , 就可以对输出电压地平均值进行调节.2.2 基本工作原理交流斩波调压地原理波形如图 2-1所示.由图可知,它是用一组频率恒 定、占空比可调地脉冲 , 对正弦波电压进行调制后 , 得到边缘为正弦波、 占 空比可调地电压波形 . 该电压地调制频率 f0, 其基本谐波频率为 ±50Hz. 改 变占空比 , 即可改变输出电压 . 利用具有自关断能力地电力半导体器件就 可方便地构成交流斩波调压

10、电路 .其工作原理为：利用可调占空比地 PWM 脉冲波驱动 Q3, 将等宽地电 源脉冲电压施加到变压器地原边 ,同时利用过零信号驱动 Q1 和 Q2, 实现变压器地原边电流续流.只要输出滤波器参数设计合理，就可以得到高正 弦度地输出电压波形，开关频率越高效果越好这种变换器地设计难点在 于双向可控开关Q1与Q2之间地是否能够安全切换.因为开关并非理想特 性,在二者之间换流时存在电源直通与变压器原边开路地可能性，而这两点是不期望地为此必须在二者切换时采取安全换流策略只需要利用电压传感器准确快速地检测电源电压极性来确定扇区,而不需要电流传感器检测变压器原边电流地极性当然,传感器要有良好地线性度、快速

11、性和光电隔离，由于电源电压很稳定，其过零点地检测比较 准确可靠扇区之间地切换不需要特别考虑，因为切换点只出现在电源电 压过零点，切换时只要保证变压器原边续流路径即可M »1T图2-1交流斩波调压原理波形2.3 总框图图2-2总框图第3章主电路设计3.1 主电路主回路由QI Q3和D1 D3组成地全控整流电路实现对交流输入电 压地轿波调压当交流输入电压正半周时电流流经 VD1、Q3、VD3 ;负半 周时,电流流经 VD2、 Q3、 VD4；Q3 始终处于正向电压作用下 ,当在 Q3 源栅极之间加入触发信号时 ,Q3 处于开关状态 .调整加在栅极上地脉冲宽 度即可调节输出电压地大小.由于

12、Q3处于开关状态，且VMOS管具有很小 地关断时间 ,只要适当选择较低地饱和压降 ,Q3 地功耗可以做得很小 , 所 以该斩波调压具有较高地效率 . 考虑到负载可能为感性地 , 加了由 Q1、 Q2 及 D1 、 D2 组成地续流环节 . 当 Q3 关断时 , 在电压正半周 , Q2 导通, Q1 关断,流经负载地电流通过 Q2、D1续流.在电压负半周，Q1导通,Q2关 断,流经负载地电流通过 Q1、D2续流.为防止Q1、Q 2、Q3同时导通而 引起较大地短路电流 , 对加在 Q1 和 Q2 上地触发信号有一定要求 , 这在过 零触发电路中讨论 .图中 L1、 C1 为电源滤波网 ,以吸收瞬态

13、过程中地过电 压, 并减少对外线路地干扰 . L2、 C2 为输出滤波环节 , 由于本机调制频率取 得较高,所以L2和C2只需很小值即可.其中每个VMOS管都有保护装置3.2 主电路图图3-1主电路图其中Q3地PWM波控制由PWM波发生器通过对给定地调整产生, 输出占空比一定地PWM波.因为功率因数指电压与电流地相位之间地关 系,则由波形可以看出，电源电流地基波分量是和电源电压同相位地，即位移因数为1.另外,通过傅里叶分析可知，电源电流不含低次谐波，只含和开 关周期T有关地高次谐波这些高次谐波用很小地滤波器即可滤除这时 电路功率因数接近1.因为输入电压为220V地交流电，选用耐压值为500V

14、地开关管IRFP450LC,二极管采用快速恢复二极管,C1取0.47uF,其余地 选用0.01 uF,电感,电阻未定.第4章单元控制电路设计4.1控制及驱动电路控制电路是由UC3879芯片来产生PWM波.移相控制器UC3879集成 了全部必要地控制、解码、保护及驱动功能，可独立编程控制时间地延迟， 在每只输出级开关管导通前提供死区时间，为每个谐振开关区间里实现ZVS留有余地，总地输出开关频率可达300kHz保护功能包含欠压锁定、过 流保护控制及驱动如电路图所示，欠压锁定电平根据UVSEL端状态选定， 有两个预定义地阈值：若 UVSEL端浮动,则芯片在电源电压超过15.25V 启动；若UVSPL

15、端接VIN端，则在10.75V时启动.采用电压控制型输出，Ct 信号直接反馈到RAMP端，Ct端与地之间接一电容,用以选择所需地开关 频率 Rt端与地之间接一可调电阻用以改变输出占空比 VREF通过一电容接地更好地保证效果 SS脚与地之间接一电容设置软启动时间 CS端接 到芯片地输入过压、欠压保护电路.COMP端接到输出限流保护电路.OUTA接驱动接输至SQ3.根据设计要求输出电压为"2 控制6及驱动电路大占空比为Dmax=100% 因为Rt=2. 5/10mA(1-Dmax).所以取Rt=0100 k?.通过调节Rt地大小来改变占空比地大小，从而控制输出电压地大小.电路地开关频率疋

16、为 300KH z,由CT=Dmax/1.08RTf,取 Cr=30pF.UC3879管脚及内部结构如下：CT 1*-O«clialbrTint Mliy ACLKRYUCCOUPFA-冒!：233MStft SttirtCpehi bCurrerrtG/I+9L«VUVLO 轉alt仲 WiW,1;,v1 1u|.L8S (- 厂”补| tfrbrffMlI Sb vl MwnI CvimpiHrat4r ei宓iOver眾:X： Q*fTim. tMa/ QThn« D«l事 CTlTit D*l«if D i 占 1P1111 _|由1

17、I图3-3 UC3879内部结构框图UC3879各管脚功能简介：Vref端:内部5V高精度基准电压源地输出端其内部设置有短路保护极限 值，当输入电源电压VIN低于欠压封锁门限时，内部5V高精度基准电压源 将失去稳压功能而无输出当内部5V高精度基准电压源低于输出而未达 到4.75V时，整个芯片地所有功能都将被关闭.另外，在构成应用电路时，为 了消除芯片内部地高频干扰而获得最佳地稳压效果，该端到信号地之间应该外接一个等效串联和等效串联电感都很小地地容量为0. 1uF滤波电容.COMP端：误差放大器地输出端.该端可以作为整个系统反馈控制地增益 级输出端,误差放大器地输出电压在 0. 9V 以下时就会

18、导致零相移 .由于误 差放大器具有一个相对低地电流驱动能力 ,因此误差放大器可以等效为一个阻抗非常低地电 流源.EA- 端：误差放大器地反相输入端 .正常工作时 ,该端应该连接到输入电源 电压 VIN 端和信号地之间地一个分压器上 ,该分压器主要用来检测输入电 源电压 VIN 地高低.另外 ,由外接元器件构成地补偿环路应连接到该端与 COMP 端之间 .CS 端：过流信号检测端 .该端为芯片内部两个电流故障比较器地正相输入 端，该比较器地基准电压由芯片内部设置为固定地2.0V和2.5V.当该端地电压超过 2.0V,并且误差放大器地相移被限制在一个最基本地周期内 .当该端地电压超过2.5V 时,

19、电流触发器将被触发 ,输出被关断 ,一个软启动周期开始 .如果一个 2.5V 以 上地恒定电压被施加到该端 ,输出将失去所有地功能而被关断为低电平 .当该端 地电压一起保持在2.5V以下时,SS地电压开始上升，紧接着输出便会以零 度地相移开始工作 ,从而达到不过早将能量释放给负载地条件 .DELSET A-B (C-D)端：输出死区控制端.在同一桥臂地一对开关管关断 和开通期间设置延时时间 .在该引脚与信号地之间并接一个电阻和电容 ,就 可以设置不同地死区时间 .SS 端：软启动端 .在该端与地之间连接一电容 .可设置软启动时间 .当 VIN 脚地电压低于UVLO门限电压，该脚地电压保持为零电

20、压.当VIN和VREF 有效时该脚电压由内部9uA电流源拉升到4. 8V.当电流检测端电压超过 2. 5V 时,该脚电压 也为零 .OUTAOUTK 端：四个输出脚都是图腾柱输出 ,提供 100mA 地驱动电流 , 可以直接驱动场效应管 .每对中地两个输出占空比为 50%.A-B 对用心驱动 全桥电路地一个桥臂地开管 ,并且由时钟信号同步 .C-D 对则驱动全桥电路 地另一个桥臂地两个开关管 ,它们相对开 A-B 对输出信号有移相角 . VC 端：输出级电源电压 .为输出级及其相关地偏置电路提供电源 .在该脚与 电源地 PWRGND 之间应接一个低 ESR/ESL 电容器.VIN端：信号电压为

21、芯片内部逻辑与模拟提供电源正常工作时应在该脚接 入一稳定地 12V 电压.为了确保工作正常 ,在 VIN 低于 UVLO 开启电压时 , 芯片不工作在该脚与GND之间连接一低ESR/ESL电容器.注意：当Vin超过UVLO开户电压时，注入该脚地电流由100uF跳到20mA 以上.如果UC3879不连接一旁路电容,它可能会立即进入UVLO状态.所以, 为了保证能可靠地启动 ,应接一个足够大地旁路电容 .PWRGND 端：电源地.在电源 VC 脚和 PWRGND 脚间接一旁路陶瓷电容 . 可将 PWRGND 与 GND 连接于一点 ,以减少噪声干扰和减少直流压降 .Ct端：振荡频率设置端.当选择好

22、Rt以确定最大占空比后，为了用下式确 定电容Ct以选择所需地开关频率：Cr=Dmax/1.08RTf.在该脚与信号地之间接一高质量、 低ESL和ESR地陶瓷电容.为了保证较 高地精度和减少寄生分布地影响，该电容值不能低于200uF,PWM控制信号 地频率最高可达到600kHz.式中f为所需地开关频率.UVSEL端：UVLO开户电平设置.该脚与VIN相连可设置有1.5V之UVLO 迟滞地 10. 75V 开户电压；如果将该脚开路 ,则设置有 6V 这 UVLO 迟滞地 15.25VCLKSYNC 端：双向时钟和同步 .该脚作输出时 ,输出一时钟信号：作输入 时，为同步信号引入端.当多片振荡频率不

23、同地UC3879地CLKSYNC端相 连时,它们将同步在其中地最高频率上 .Rt端：时钟信号/同步信号占空比设置脚.UC3879振荡产生一个锯齿波.锯 齿波地上升边由连接在 RT与GND之间地电阻和连接在 CT与GND之间 地电容来决定.锯齿波地下降边由输出死区时间表决定.电阻Rt选择由所 需地最大占空比决定：Rt=2. 5/10mA(1-Dmax).RT可在2. 5k?与100k?之 间选,Dmax为输出最大占空比.RAMP端：锯齿波电压端.是PWM比较器地输入脚.如果是电压控制模式, 则将它连接到CT脚；如果是电流控制模式，则将它连接到CS端，同时将它 连接到电流检测电路地输出端.GND端

24、：信号地.所有电压老师相对于 GND测量地，定时电容Ct参考电压 Uref和输入信号电压Uin地滤波电容都应该直接接于 GND.4.2输入欠电压电路图3-4输入欠压保护电路如图3-4所示,输入电压经过分压后送到比较器地反相端,比较器地同 相端接给定电压.输入欠压时，比较器输出高电平.通过二极管接到 UC3879地电流检测端CS,使UC3879地输出全部关断.4.3输出限流电路为了防止输出电流超过额定电流，控制电路中设置了输出限流电路， 如上图所示,该电路采用PI调节器 5V基准电压经电位器RV2分压后作 为输出电流限制值给定.输出电流由磁环构成地电流互感器 T201检测.4.4输入过压电路R2

25、3K到电流检测端图3-6输入过压保护电路同输入欠压一样，当发生输入过压时，比较器输出高电平经二极管接 到同输入欠压电路一样，当发生过压时，比较器输出高电平，通过二极管接 至CS端，关断所有输出.总电路中,输入欠压、过压经与非门“或”后,再 接到CS端，当任一故障发生时,都可以进行保护4.5过零检测及续流触发电路如图3-7所示,交流电压经过变压器变压，因交流信号有正向过零点和 负向过零点，故运用一个正向比例器与反向比例器进行两零点与标准零点 电压地比较，其输出信号经过光控隔离进行稳压和放大后，分别控制续流装置中地MOSFET管控制端.+5V+5VRQ2为了防止-1+12V+5VRQ2两个同时开通

26、,我们采!用+5V+15V互锁，就是说Q1、Q2管图3-7过零检测及续流触发电路+ 15VQ1-9VQ1、Q2不可以同时导通，在正半波，开通Q2管续流；在负半波，开通Q1管续流4.6谐波分析于是感性负载，又不能像直流斩波那样加续流回路，所以要给IGBT 加开通和关断缓冲电路高频交流开关控制采用了 EPWM直流等电位调 制技术.为使波形半波奇对称和四分之一偶对称，以消除付里叶级数中地 余弦项和偶次谐波，使载波比N =空=4K，K =1,2,3，fc为三角波频率，fsfs为市电工频；调制M+廿 为脉冲宽度丁元为三角波周期、Uc为三角波幅值、U为输出电压地偏差、三角波电压地方程式为:T.;2Uc(2

27、y1T),(厂逬乞牛匚 纽(节)，i =123,输出电压偏差LU为采样电压，触发脉冲起点tj和终点tj 4地方程式为:铁罟”5寻話UTa232 2U c脉冲宽度：t *1 -tj =：UU c式中t,各触发脉冲地起点角和终点角地数值为：4 N:十 DT U (1 M)；：2(1 m)22 Uc NN：3 二(3 -M )；： 4 飞(3 M )由于PWM斩波波形是镜对称和原点对称,因此它地付里叶级数中将只 包含正弦项中地奇次谐波，即：O0Ul =bn sinn，'tn 为奇数n经4 n/2Au m°2bnul s inn td( t) - ( sin t s inn td(

28、t)兀0H亠 i sin ，t sinn td( t) )经计算,当n二KN _1时(K =1,2,3)N4U 2(p m)bn$N i - 1'N sin t sinn td( t)71 P#,3 环PW)U-KMsi nKM当 n KN 丄1 时，bn kn i=0对于基波，n =14II24b m(- sin2 ，td(t) ' sin2 ，td(，t) )兀 蚊t34Um J： n：(P M) . 24Um/TN、= 瓦 k(P M) sin Btd®t)=(严M 丁)= MUm: P4,3 N(P川):24uLe = MU msin，t00 Umsin KM

29、 二 sin(KN _1)，tk生K二由以上式可知，N越大谐波频率越高.采用很小地LC滤波器就可以滤掉ULe中地所有高次谐波第4章实验及仿真四、实验内容(1) 控制电路波形观察交流调压性能测试特征及其功率因五、思考题(1)比较斩控式交流调压电路与相控交流调压电路地调压原理、数？(2) 采用何种方式可提高斩控式交流调压电路输出电压地稳定度？(3) 对斩控式交流调压电路地输出电压波形作谐波分析？六、实验方法由于主电路地电源必须与控制信号保持同步，因此主电路地电源不需要外部接入但是为了能同时观察两路控制信号之间地相位关系，主电路地开关 K是串接在电源开关之后地在观察控制信号时将开关打在断状态(1) 控制电路波形观察 断开开关K,使主电路不得电，接通电源开关，用双踪示波器观察控制电路地波 形,并记录参数 测量控制信号 M与V4、V2与V3之间地死区时间(2) 交流调压性能测试接入电阻负载(220V/25W地白炽灯)，接通开关K,调节PWM占空比调节电位 器，改变导通比a，(即改变Ur值)使负载电压由小增大，记录输出电压地波形，并测 量输出电压U(v)UO (V)接入电阻、电感性负载，(即与白炽灯串接一个电感作为负载)重复上述实验 步骤七、实验报告在方格纸上画出控制信号与不同负载下地输出电压波形并分析八、注意事项双踪示波器有两