斩控式交流调压课程设计

1、第1章 概述在工业生产及日用电气设备中，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。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

2、机的软起动，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。交流调压是指把一种交流电变成另一种同频率，不同电压交流电的变换。按所变换的相数不同交流调压电路可分为单相交流调压电路和三相交流调压电路。前者是后者的基础。

3、与自耦变压器调压方法相比，交流调压电路控制方便，调节速度快，装置的重量轻、体积小，有色金属消耗也少。第章设计总体思路2.1 系统总体方案确定交流调压的控制方式有三种：整周波通断控制；相位控制；斩波控制。整周波控制调压适用于负载热时间常数较大的电热控制系统。晶闸管导通时间与关断时间之比，使交流开关在某几个周波连续导通，某几个周波连续关断，如此反复循环地运行，其输出电压的波形如图2所示。改变导通的周波数和控制周期的周波数之比即可改变输出电压。为了提高输出电压的分辨率，必须增加控制周期的周波数。为了减少对周围通信设备的干扰，晶闸管在电源电压过零时开始导通。在负载容量很大时，开关的通断将引起对电网的冲

4、击，产生由控制周期决定的分数次谐波，这些分数次谐波引起电网电压闪变。这是其缺陷。 相位控制调压 利用控制触发滞后角的方法,控制输出电压。晶闸管承受正向电压开始到触发点之间的电角度称为触发滞后角。在有效移相范围内改变触发滞后角，即能改变输出电压。有效移相范围随负载功率因数不同而不同，电阻性负载最大,纯感性负载最小。图3是阻性负载时相控方式的交流调压电路的输出电压波形。相控交流调压电路输出电压包含较多的谐波分量，当负载是电动机时，会使电动机产生脉动转矩和附加谐波损耗。另外它还会引起电源电压畸变。为减少对电源和负载的谐波影响，可在电源侧和负载侧分别加滤波网络。 斩波控制调压使开关在一个电源周期中多次

5、通断，将输入电压切成几个小段，用改变小段的宽度或开关通断的周期来调节输出电压。斩控调压电路输出电压的质量较高,对电源的影响也较小。图4是斩波控制的交流调压电路的输出电压波形。在斩波控制的交流调压电路中，为了在感性负载下提供续流通路，除了串联的双向开关S1外，还须与负载并联一只双向开关S2。当开关 S1导通，S2关断时，输出电压等于输入电压；开关S1关断，S2导通时,输出电压为零。控制开关导通时间与关断时间之比即能控制交流调压器的输出电压。开关 S1、S2动作的频率称斩波频率。斩波频率越高,输出电压中的谐波电压频率越高,滤波较容易。当斩波频率不是输入电源频率的整数倍时，输出电压中会产生分数次谐波

6、。当斩波频率较低时，分数次谐波较大，对负载产生恶劣的影响。将斩波信号与电源电压锁相，可消除分数次谐波。斩波控制的交流调压电路的功率开关元件必须采用功率晶体管或其他自关断元件，所以成本较高。斩波控制方式时，晶闸管要带有强迫关断电路或采用IGBT、MOSFIT等可自关断器件，在每个电压周波中，开关元件多次通断，使电压斩波成多个脉冲，改变导通比即可实现调压。本次课程设计采用斩波控式制单相交流调压。图5 斩控式交流调压电路斩控式交流调压电路的原理图如图5所示，一般采用全控型器件作为开关器件。其基本原理和直流斩波电路有类似之处，只是直流斩波电路的输入是直流电压，而斩控式交流调压电路的输入是正弦交流电压。

7、在交流电源u1的正半周，用V1进行斩波控制，用V3给负载电流提供续流通道；在u1的负半周，用V2进行斩波控制，用V4 给负载电流提供续流通道。设载波器件（V1或V2）导通时间为ton，开关周期为T，则导通比a=ton/T。和直流斩波电路一样，也可以通过改变a来调节输出电压。 图5给出了电阻性负载时负载电压u0和电源电流i1(也就是负载电流)的波形。可以看出，电源电流的基波分量是和电源电压同相位的，即位移因数为1。另外，通过傅里叶分析可知，电源电流中不含低次谐波，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1。 本次课程设计所用的斩控式单相交流调压

8、电路的结构框图如图6所示，首先是交流输入电压为220V，经滤波后用全控型开关器件进行斩波，输出电压为0160 V，然后在其输出取样电流，进行过压检测保护。时钟震荡器及脉宽PWM调制均由芯片形成控制部分。图6 电路的结构框图2.2 交流斩波调压的基本原理交流斩波调压的原理波形如图7所示。由图可知，它是用一组频率恒定、占空比可调的脉冲，对正弦波电压进行调制后，得到边缘为正弦波、占空比可调的电压波形。该电压的调制频率f0，其基本谐波频率为土50Hz。改变占空比，即可改变输出电压。 利用具有自关断能力的电力半导体器件就可方便地构成交流斩波调压电路。 图7 交流斩波调压的原理波形图第3章 主电路设计与分

9、析3.1主要技术条件及要求要求用斩波控制的方式实现单相交流调压，功率因数好，谐波小，输出的波形要好。输入电压是交流220V，输出电压要求是0160 V，最大输出电流为200A，功率因数大于或等于0.7。能同时实现电压电流的检测及过压过流等一些故障的保护。3.2 开关器件的选择 由于斩波调压电路一般采用全控型器件作为开关器件，典型的全控型开关器件有，门极可关断晶闸管（GTO）、电力晶体管（GTR）、电力场效应晶体管（MOSFET）及绝缘栅双极晶体管（IGBT）等。由于 MOSFET的开关时间在10100ns之间，其工作频率可达100KHz以上，是主要电力电子器件中最高的，而且它的驱动电路简单，需

10、要的驱动功率小，所以这次课程设计决定用 MOSFET 来做开关器件。3.3 主电路计算及元器件参数选型滤波器电容选择 Co一般根据放电时间常数计算,负载越大,要求纹波系数越小,电容量也越大.一般不作严格计算,多取2000MF以上.因系统负载不大,故取Co=2200MF.耐压按1.5Vdm=1.5*220=330V.取350V.即选用2200MF, 350V电容器.为滤除高频信号,取C1=1uf,耐压350V.选用二极管时，主要应考虑其最大电流、最大反向工作电压、截止频率及反向恢复时间等参数。二极管承受最大反向电压:U=Sqrt(6)*U2=392V 考虑3倍裕量,则U=3*392=1176V,

11、取1200V最大电流按Idn=（1.52）Kfb*Id来计算选择。快速熔断器的选择快速熔断器用于过电流的保护，它的断流时间在10 ms以内，快速熔断器的熔体额定电流IN按下式选择：ITm<=IN<=1.57 ITNItm2×0.577 IN=2×0.577×200A=230.8AMOSFET保护电路选择电容的选择 一般按布线电感磁场能量全部转化为电场的能量估算。即LbIo²/2=Cs(Ucep-Uo)²得CsLbIo²/(Ucep-Uo)²式中Lb-是主回路布线电感H；Io-MOSFET 关断时源极电流A；Uce

12、p-缓冲电容器电压稳定值；Uo-直流电源电压V。Lb可按Lb=520H估算。Ucep为保证可靠，可取稍低于MOSFET耐压值为宜，取Ucep=600V进行计算。取Io=Id、Uo=325V,得Cs=LbIo²/(Ucep-Uo)²=0.0962F取Cs=0.1F、耐压650V。缓冲电阻Rs计算 要求MOSFET关断信号到来之前，将缓冲电容器所积蓄的电荷放完，以关断信号之前放电90%为条件，计算公式如下：Rs1/（6fCs）f为开关频率、MOSFET最大开关频率为50KHz,则有Rs=1/（6fCs）33;VDs电流定额按MOSFET通过电流的1/10选择为：0.19A。3.

13、4 主电路结构设计在考虑到减少电路误差的情况下，我们采用了如图8所示的主电路，主回路由QlQ3三个VMOS管和D1D3三个二极管组成的全控整流电路实现对交流输入电压的斩波调压。当交流输入电压在正半周时，电流流经VD1、Q3、VD3；当交流输入处于负半周时，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。调整加在栅极上的脉冲宽度即可调节输出电压的大小。由于Q3处于开关状态，且VMOS管具有很小的关断时间，只要适当选择较低的饱和压降，Q3的功耗可以做得很小，所以该斩波调压具有较高的效率。考虑到负载可能为感性的，加了由Q1、Q2及D1、

14、D2组成的续流环节。当Q3关断时，在电压处于正半周时，Q2导通，Q1关断，流经负载的电流通过Q2、D1续流。在电压负半周 ，Q1导通，Q2关断，流经负载的电流通过Q1、D2续流。为防止Q1、Q 2、Q3同时导通而引起较大的短路电流，对加在Q1和Q2上的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，以吸收瞬态过程中的过电压，并减少对外线路的干扰。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管都有保护装置如图所示。图8 主电路图其中Q3的PWM波控制由PWM波发生器通过对给定的调整产生，输出占空比一定的PWM波。3.5

15、 主电路保护设计为使主电路长期稳定、安全可靠地工作，必须设计各种类型的保护电路，避免因电路出现故障、使用不当或条件发生变化而损坏电路上的零器件。主电路的保护分为两大类：第一类是芯片内部的保护电路。上面的主电路图设计中，在开关器件Q3的触发控制电路中将提供过流保护，在后面的控制电路中将会介绍。第二类是外部保护电路，主要包括过流保护装置（如保险管、自恢复保险丝、熔断电阻器等）、启动限流保护电路、漏极钳位保护电路（或R、C、VD型吸收电路）、输入欠压保护电路、输入过压保护电路。本次外部电路过压保护的设计采用接触器的方式，具体电路如下图所示。 在主电路上有一个线圈 KM的常闭触点，在电路的输出端用一变

16、压器进行降压然后再用整流桥进行整流使之变成直流电，输出电压与比较器上设定的正5伏电压相比较，如果电路出现了过电压的现象，输出电压就会高于设定值，比较器就会输出电压，使三极管导通，这样就会使线圈KM的保护电路接通，线圈就会被通电，KM在主电路的常闭触点就会断开，从而达到保护主电路的作用。第4章 单元控制电路设计4.1主控制芯片的详细说明4.1.1 芯片的选择本次课程设计由芯片UC3842产生脉冲，来控制MOSFET来实现斩波调压，它具有管脚数量少，外围电路简单等特点，因而得到了广泛的应用。4.1.2 芯片的详细介绍UC3842是美国Unitrode公司生产的一种高性能单端输出式电流控制型脉宽调制

17、器芯片，由该集成电路构成的开关稳压电源和电压控制型脉宽调制开关稳压电源相比具有以下特点：1）管脚数量少，外围电路简单，价格低廉；2）电压调整率很好；3）负载调整率明显改善；4）频响特性好，稳定幅度大；5）具有过流限制、过压保护和欠压锁定功能。因此他是目前比较理想的新型的脉宽调制器，其内部原理框图如图所示。.    UC3842的内部原理框图主要特点·工作电压840 V·电流传感和电压反馈输入0355 V·误差放大输出吸入电流10 mA·欠压锁存功能·占空比可调·最高开关频率500 kHz，稳定度02，电源

18、效率高·内部有高稳定度的基准电压源50 V·稳定性能好，电压调整率很容易达到001，4.1.3 芯片的工作原理UC3842为8脚双列直插式封装形式，如图7所示，他内部主要由50 V基准电压源、用来精确地控制占空比调定的振荡器、降压器、电流测定比较器、PWM锁存器、高增益EA误差放大器和适用于驱动功率MOSFET的大电流推挽输出电路等构成。脚1：输出/补偿，内部误差放大器的输出端。通常此脚与脚2之间接有反馈网络，以确定误差放大器的增益和频响；脚2：电压反馈输入端。此脚与内部误差放大器同向输入端的基准电压(一般为+2.5V)进行比较，产生控制电压，控制脉冲的宽度；脚3：电流取样

19、输入端。在外围电路中，在功率开关管的源极串接一个小阻值的取样电阻，将脉冲变压器的电流转换成电压，此电压送入脚3，控制脉宽。当功率开关管的电流增大，取样电阻上的电压超过1 V时UC3842就停止输出，有效地保护功率开关管；脚4：RT/CT。锯齿波振荡器外接定时电容C和定时电阻R的公共端；脚5：接地脚；脚6：输出端。此脚为图腾柱式输出，驱动能力是土1 A；脚7：UCC，电源引脚。当开关电源启动时脚7供电电压应高于+16 V，若低于+16 V，则UC3842不能启动，此时耗电在1 mA以下。芯片工作后，VCC由反馈绕组提供，可在+l030 V之间波动，低于+l0 V停止工作，功耗为15 mW； 脚8

20、：Uref，基准电压输出。此脚可输出精确的+5 V基准电压，电流可达50 mA-U2。电流控制型脉宽调制器能产生频率固定而脉冲宽度可以调节的驱动信号，控制大功率晶体管的通断状态来调节输出电压的高低，达到稳压目的，锯齿波发生器提供恒定的时钟频率信号，利用误差放大器和电流测定比较器形成电压闭环，利用电流测定、电流测定比较器构成电流闭环，在脉宽比较器的输入端直接用流过输出电感电流的信号与误差放大器输出信号进行比较，从而调节驱动信号的占空比使输出的电感峰值电流跟随误差电压变化而变化，假如由于某种原因使输出电压升高时，脉宽调制器就会改变驱动信号的脉冲宽度，亦即占空比D，使斩波后的平均值电压下降，从而达到

21、稳压目的，反之亦然。4.2 驱动电路设计所谓的驱动电路是指驱动开关器件Q3，从而来实现斩波调压的目的。由以上对UC3842的介绍可知，在UC3842芯片中产生了三角波，用一直流信号与之比较，就会产生一系列的矩形脉冲，这些矩形脉冲可以用来控制开关器件Q3的导通与关闭，我们通过调制直流信号的大小或是调节三角波的频率就可以改变矩形脉冲的频率，从而达到交流调压的目的。驱动电路的电路图如下图所示，我们通过调节RP1就可以调节三角波的频率。4.3 过零检测及续流触发电路当负载为阻感负载时，电路必须有续流环节，续流环节由Q1和Q2两个MOSFET来控制，当电压处于正半周时通过Q2,在负半周时通过Q1,但Q1

22、与Q2之间如何进行转变这必须有一个正确的判断，这就需要过零检测电路。如下图所示，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的比较，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的Q1和Q2两个MOSFET管控制端。为了防止Q1、Q2两个同时开通，我们采用了互锁，就是说Q1、Q2管不可以同时导通，在正半波，开通Q2管续流；在负半波，开通Q1管续流。4.4 控制保护电路设计为了防止电路的过电压，保护电路我们设计了一保护电路，如下图所示，在电路的输出端用一变压器进行降压然后再用整流桥进行整流使之变成直流电，输出电压

23、与比较器上设定的正5伏电压相比较，如果输出电压高于正5伏，比较器就输出正5伏电压，比较器的输出端与UC3842的3管脚相连，因为前面已经介绍了UC3842,它的3号管脚是电流取样输入端。在外围电路中，在功率开关管的源极串接一个小阻值的取样电阻，将脉冲变压器的电流转换成电压，此电压送入脚3，控制脉宽。当功率开关管的电流增大，取样电阻上的电压超过1 V时UC3842就停止输出，有效地保护功率开关管；4.5谐波分析由于是感性负载，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

24、中的余弦项和偶次谐波，使载波比为三角波频率，为市电工频；调制为脉冲宽度，为三角波周期、为三角波幅值、为输出电压的偏差、三角波电压的方程式为： 输出电压偏差为采样电压，触发脉冲起点和终点的方程式为： 脉冲宽度式中，各触发脉冲的起点角和终点角的数值为： 由于PWM斩波波形是镜对称和原点对称，因此它的付里叶级数中将只包含正弦项中的奇次谐波，即： 为奇数 经计算，当时（ 当时，对于基波， 由以上式可知，N越大谐波频率越高。采用很小的LC滤波器就可以滤掉中的所有高次谐波。第5章 实验5.1 波形记录按以上设计思路设计连接好电路图后，打开实验台电源，将电位器RP左旋到底，在输入端施加220V的交流电源，用

25、双踪示波器观察并记录以下波形。(1)记录驱动电路中芯片UC3842的输出端“Q3”与地端间的波形，如图8(一)所示；(2)将电位器RP右旋到大致中间的位置，记录调压电路输出端两点之间的输出电压波形。当输出端直接接负载时，记录波形如图8（二）所示；当接入LC滤波电路后，记录波形如图8（三）所示。5.2 现象及结论(1). Q3端输出的是芯片UC3842的脉宽可调的矩形脉冲；(2)输出端输出的是经MOSFET斩波后的波形第6章 总结与体会为期两个星期的电力电子技术课程设计顺利结束了,在这两个星期我学会了很多东西,以前在课本上学的理论知识比较抽象,通过做这个课程设计,让我对这些知识有了更深的理解.而且通过对这