斩控式单相交流调压电路正文

PAGEPAGE25目录第1章概述 1第２章设计总体思路 32.1系统总体方案确定 32.2交流斩波调压的基本原理 8第3章主电路设计与分析 93.1主要技术条件及要求 93.2开关器件的选择 93.3主电路计算及元器件参数选型 93.4主电路结构设计 113.5主电路保护设计 12第4章单元控制电路设计 144.1主控制芯片的详细说明 144.1.1芯片的选择 144.1.2芯片的详细介绍 144.1.3芯片的工作原理 15⒈器件内部结构 15⒉欠压锁定功能 16⒊系统的故障关闭功能 164.波形的产生及控制方式分析 164.2驱动电路设计 174.3过零检测及续流触发电路 184.4控制保护电路设计 194.5谐波分析 20第5章总结与体会 22第6章附录 23参考文献 24第1章概述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，而在每半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，而斩控式交流调压的输入是正弦交流电压，这种斩控式交流调压电路的优势是功率因素接近1，电压、电流波形好，谐波成分频率高，电路简单，且可靠性高。而利用PWM技术后，控制灵活，动态响应快。目前能够实现这一要求的调压器有下面三种：1)磁饱和式调压器该调压器通过控制主电路中电感的饱和程度，以改变电抗值以及其上的电压，实现对输出电压的调节。这种调压器具有一定的动态性能，但输出电压的调节范围小，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的调节。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。目前有晶闸管凋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，其输出波形和动态响应较好。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。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。与\o"自耦变压器"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。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、高效化以及低污染发展趋势，将逐步取代晶闸管相控交流调压，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高性价比产品，是一种经济型交流调压技术。与单位功率因数、串联电压源等高性能交流调压技术相比，其开关应力及容量要求较大，为进一步提高开关变换效率，如何从系统综合角度考虑减小开关的应力，降低开关损耗，减少驱动复杂性，提高变换效率将成为一个研究新发现。第２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：1磁饱和式调压器；2机械式调压器；3电子式调压器。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。电子式调压器这种调压器采用电力电子器件实现。目前有晶闸管凋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，其输出波形和动态响应较好。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α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α。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\o"电动机"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。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图5晶闸管斩控式调压电路图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。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0～160V，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章主电路设计与分析3.1主要技术条件及要求斩波控制要求以比电源频率高得多的频率周期性接通和断开主电路开关器件，把连续的正弦输入电压“斩”成离散的脉冲状加于负载。由于开关器件以高频工作，在电路中必须实施强迫换流。为此斩波控制的交流调压都是采用全控型双向开关器件。所以设计主电路采用的是MOSFET新型的全控型器件，驱动电路简单，需要的驱动功率小，开关的速度快，工作的频率高，符合设计的要求。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10~100ns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,取1200V最大电流按Idn=（1.5~2）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10ms以内，快速熔断器的熔体额定电流IN按下式选择：ITm<=IN<=1.57ITNItm≈2×0.577IN=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Cs≥LbIo²/(Ucep-Uo)²式中Lb是主回路布线电感μH；IoMOSFET关断时源极电流A；Ucep缓冲电容器电压稳定值；Uo直流电源电压V。Lb可按Lb=5～20μH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=0.0962μF取Cs=0.1μF、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：Rs≤1/（6fCs）f为开关频率、MOSFET最大开关频率为50KHz,则有Rs=1/（6fCs）≈33Ω;VDs电流定额按MOSFET通过电流的1/10选择为：0.19A。3.4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Ql—Q3三个VMOS管和D1—D3三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、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、Q2、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主电路保护设计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SG3525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SG3525的内部结构如图2所示，它主要由基准电压调整器、震荡器、误差放大器、比较器、锁存器、欠压锁定电路、闭锁控制电路、软启动电路、输出电路构成。SG3525A系列脉宽调制器控制电路可以改进为各种类型的开关电源的控制性能和使用较少的外部零件。在芯片上的5.1V基准电压调定在±1％，误差放大器有一个输入共模电压范围。它包括基准电压，这样就不需要外接的分压电阻器了。一个到振荡器的同步输入可以使多个单元成为从电路或一个单元和外部系统时钟同步。在CT和放电脚之间用单个电阻器连接即可对死区时间进行大范围的编程。在这些器件内部还有软起动电路，它只需要一个外部的定时电容器。一只断路脚同时控制软起动电路和输出级。只要用脉冲关断，通过PWM（脉宽调制）锁存器瞬时切断和具有较长关断命令的软起动再循环。当VCC低于标称值时欠电压锁定禁止输出和改变软起动电容器。输出级是推挽式的可以提供超过200mA的源和漏电流。SG3525A系列的NOR（或非）逻辑在断开状态时输出为低。·工作范围为8.0V到35V·5.1V±1.0％调定的基准电压·100Hz到400KHz振荡器频率·分立的振荡器同步脚4.1.3芯片的工作原理⒈器件内部结构SG3525的内部结构如图2所示，它主要由基准电压调整器、震荡器、误差放大器、比较器、锁存器、欠压锁定电路、闭锁控制电路、软启动电路、输出电路构成。⒉欠压锁定功能基准电压调整器受15端的外加直流电压Vc的影响，当Vc低于7V或严重欠压时，基准电压调整器的精度值就的不到保证，由于设置了欠压锁定电路，当出现欠电压时，欠电压锁定功能使A端线由低电压上升为逻辑高电平经过或非门输出转化为P1==P2==0,SG3525的13脚输出为高电平，功率驱动电路输出至功率场效应管的控制脉冲消失，逆变器无电压输出。 ⒊系统的故障关闭功能为便于从主回路受检测到的故障信号，集成控制器内部T3晶体管基极经一电阻连接10引脚。过流保护环节检测到的故障信号使10脚为高电平，由于T3基极与A端线相连，故障信号产生的关闭过程与欠电压锁定过程类似。在本电路中，过流保护环节还输出一个信号到与门的输入端，当出现过流信号时，检测环节输出一低电平信号到与门的输入端，使脉冲消失，与SG3525的故障关闭功能一起构成双重保护。4.波形的产生及控制方式分析如图一所示，锯齿波作为载波信号Ut，调制信号由9脚输入，此图中，调制信号由可调电位器RP上的电压信号Ur′和外加的给定信号Ug叠加而成，RP上的电压信号用于确定脉宽调制波的初始占空比，Ug可正可负，用于控制逆变器输出电压的大小和极性，Ug也可以由摸拟或数字调节器的输出来控制，构成闭环自动控制系统。集成控制器SG3525的输出侧采用推拉式电路，可使关断速度加快。11脚、14脚与12脚连接。PWM脉冲由13脚输出，这样能够保证13脚的输出与锁存器的输出一致。有关的电压波形如图3所示。锯齿波与调制波的交点比较功能由比较器完成，Ut〉Ur时，比较器输出的PWM′波形由逻辑低电平变为高电平，Ut〈Ur时，比较器输出的PWM′波形由逻辑高电平变为低电平。为保证PWM′波宽不至于太窄，用PWM锁存器锁存高电平值，并在CP脉冲下跳时对锁存器清零，以进行下一个比较点的锁存。如图所示，要改变输出脉冲PWM的占空比，只要改变调制信号Ur的电压大小即可实现。4.2驱动电路设计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SG3525的介绍可知，在SG3525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保护电路防止电路的过电压，我加了一个保护电路。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SG3525的3管脚相连，因为前面已经介绍了SG3525,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1V时SG3525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