【全波整流电路的设计与实现6000字（论文）】

PAGE22全波整流电路的设计与实现摘要煤炭、石油和天然气等化石燃料的迅速消耗，不仅引起了能源危机，还造成了以及环境污染日益加剧，由于电力的清洁，输送方便，在各国的国民工业发展中都占据着重要的地位，随着电力的广泛应用，越来越多的负载对用电的种类提出了要求，需要一定的电力变换设备。电力电子技术的飞速发展，整流器的应用领域也日益扩大。在电压平衡状态下，全波整流电路具有能量的双向流动，在用电和配电、各种工业场合领域占据了重要的地位。本文首先对全波整流电路系统进行了研究。在查阅大量国内外文献资料的基础上，对整流电路及其控制器的国内外发展现状及研究趋势做了详细的研究，并对课题研究的意义有了更深入的认识。接下来对三相电压型整流电路的拓扑结构、数学模型、整流电路的控制技术进行了分析，并结合一定的平台对全波整流电路进行研究设计。关键词：能源，全波整流电路，控制目录30627摘要 I245661引言 2148542全波整流电路参数设计 3201522.1整流电路工作原理 3256472.1.1三相整流电路 3134632.1.2单相整流电路 4119472.2整流电路交流侧电感设计 4259742.3整流电路功率器件的确定 6238502.4直流侧电容设计 6164473全波整流电路硬件电路设计 874523.1相关电路设计 815713.1.1RC滤波及LM2902电路设计 9221213.1.2AD7656与FPGA的连接 9258493.2电源电路的设计 1058393.3驱动电路的设计 1155473.4全波产生模块设计 115425结论 1414016参考文献 151引言自上世纪19世纪末，人类社会经过了第二次工业革命，进入了电气时代，电能成为了日常生活不可缺少的一部分，目前各国都在普遍关注如何能高效率、无污染地使用电能，不能直接被利用的电能占70%以上，这些电能都要经过电力电子装置控制变换后才能使用，其中整流电路占到90%以上[1]，而大部分都是使用的相控整流或者不控整流，这些方式具有很强的非线性，无功功率大，会对电网注入大量谐波，污染电网，许多国家制定了谐波标准，如IEC1000-3-2、IEEE519-1992和IEC555-2等，用以限制电流谐波含量，传统方式的整流大都达不到这些标准，所以功率因数校正技术成为国内外的热点[2]。和传统的晶闸管相控整流或不控整流相比，将功率因数校正用于整流电路控制中，使得控制之后的输入的电流波形并跟踪上三相输入电压，同时使直流侧输出电压恒定，实现PFC。整流电路设备动态响应快，具有很强的生命力，随着电力电子技术的发展，全波技术也日渐成熟，电路的拓扑也从单相到三相[5]，到多相组合及多电平结构，并已有相应的产品投入了使用，受到功率半导体的制造工艺限制，传统的两电平在大功率、高电压的场合对器件有严格要求，所以一般使用功率器件串并的方式，但是它们又会产生均压均流的问题，使得整流电路不能达到理想的性能，多电平拓扑的全波整流电路能够降低对器件的要求，同时能进一步减小输入电流的谐波含量，降低系统的损耗，提高系统的效率，所以多电平整流电路收到越来越多的关注，同时为全波整流电路的发展开辟了新领域。2全波整流电路参数设计2.1整流电路工作原理随着三相大功率电力电子装置在工业领域的应用越来越多，人们对电力电子设备产生的谐波污染也日益的重视起来。VIENNA整流电路作为一种优秀的功率因数校正拓扑结构，其每个桥臂只需一个功率开关管，三个桥臂的驱动相互独立，不需要设置死区时间，电路中的任意功率元器件所承受的电压均为直流侧母线电压的一半，输出直流电压不存在直通危险，基于上述的诸多优点而受到学术界的广泛关注，并对其进行了大量的研究。2.1.1三相整流电路 三相三线制整流电路的拓扑结构如图2-1所示，它由三个功率电感（工作在boost模式下）、一个三相整流桥（由超快恢复二极管构成）、三组双向功率开关（电流可以双向流动）和一组串联的输出电容构成。将每一相上的两个超快恢复二极管和其所对应的双向功率开关定义为此相的功率桥臂[18]。图2-1三相三线制整流电路的拓扑结构2.1.2单相整流电路单相整流电路的拓扑结构如图2-2所示，单相整流电路电路结构简单，开关管承受的电压为输出电压的一半，同等输出电压情况下，能有效地降低开关管的电压应力。另外，该电路具有三电平结构，因而，在确定电流纹波要求下，可以采用较小的滤波电感。由于上述特点使得该电路在单相功率因数校正（PFC）场合具有良好应用前景。研究了一种基于单周期控制技术、采用简单模拟控制电路的单相整流电路。图2-2单相整流电路的拓扑结构2.2整流电路交流侧电感设计本文设计的整流电路的核心是主拓扑电路，整个装置的最终执行部分也是主拓扑电路，其安全性和可靠性是整个系统能够稳定运行的必要条件。本论文根据现在应用比较热的电动汽车的应用为设计目标，设计将要实验的指标如下：（1）输入工频220V相电压。（2）输出直流电压300V/1A。（3）功率因数0.95以上。（4）输入电流的THD<8%整流电路中，交流侧电感的设计选型对系统性能有着重要影响，其主要作用有：（1）使整流电路拓化的输入电压和电网电压隔离：（2）滤除谐波电流，主要是滤除电网输入时引入的谐波电流Ｗ及整流电路自身因为功率开关管导通关断所造成的谐波电流；（3）储能升压，当开关关断时，电感和电网电压一起向直流侧供电，起到升压电路的作用；电感的选择往往需耍考虑多方面的因素，当电感太小时，滤波效果不好，当电感太大时，会导致电感电压较大，若忽略会导致较大误差，且会影响输入电流跟踪输入电压的变化。电感的最大工作磁通密度按照最小输入电压时最大负载情况来计算，ａ相电感的选择为例，则单相输入电流的有效值为[34]：（2-1）式中，Po为输出功率，为系统效率，取0.95，PF为功率因数，取0.98。为最小输入电压，为50V，则≈14.32A。在输入电压最小时的占空比d为：（2-2）式中，为直流侧输出电压。纹波电流的峰值与输入电流峰值的比值称为纹波系数，通常取20%左右，则纹波电流为：（2-3）所以，由电磁感应定律得，（2-4）式中；为开关频率。结合VIENNA整流电路的电路参数，在开关频率=10KHZ时，得到的电感量约为1.3mH。在实际电路中，考虑到留有一定裕量，并考虑到电感增加，滤除纹波能力増加，但同时体积也一并増加等因素，最终选取的电感量为2.5mH。2.3整流电路功率器件的确定功率开关管和的参数主要取决于主电路中器件电压和电流的应力大小，当开关管断开时，功率开关管承受的电压为直流侧母线电压的一半，当开关管闭合时，流过功率开关管的电流为整流电路输入侧电感电流，当整流电路满载工作时，开关管的电流应力为基波电流峰值和纹波电流的叠加.当整流电路满载工作时，开关管的电流应力为基波电流峰值和纹波电流的叠加，结和上述公式可得：（2-5）当开关管关断时，其两端承受的电压应力为直流母线电压的一半，即为150V，考虑到2倍裕量，则选择额定电压大于300V的开关管，当满载时，最大输入电流约为22.27A，选择管子时额定电流裕量增加到2倍，大于44A，综上所述，最终选择英飞凌的F3L50R06W的IGBT模块，Vces＝600V，Icnom＝50A。2.4直流侧电容设计整流电路中，直流侧电容主要有两个方面的作用：（1）对交流侧和直流侧的能量交换起到缓冲作用：（2）对直流侧输出电压起到稳定作用，同时对直流母线电压谐波起到抑制作用。根据整流电路的整体设计要求，在进行理论计算时，一方面考虑到对直流输出电压的稳定效果，电容值应该取得大些；另一方面，为了使得点流内环的动态响应尽可能快，电压外环灵敏度高，电容值应该取得小些。实际运行过程中，所使用的控制策略、工作条件及负载特性都会影响电容的大小，需要充分考虑负载功率变化的大小、保持时间及输出电压在规定范围内的上下限值等因素。若取保持时间为10ms，最大输出电压为1.3Vo。，最小输出电压为化0.7Vo。，根据下式，可以算得电容值：（2-6）其中Vomin代表母线电压最小值，Vomax代表母线电压最大值，代表直流母线电压由最小值上升至稳定值所需要的时间Po为直流侧输出功率。考虑到电容值越大，直流侧的滤波效果越好，但是体积也会越大，所以综合考虑后，最终选择电容值为2000ｕF的电容，通过1000ｕF／400V的铅电解电容器两串四并得到。3全波整流电路硬件电路设计3.1相关电路设计信号采集及调理电路负责为整个变流控制系统提供控制所需要的各种电压、电流信号，包括直流侧被控电压和交流侧电流。信号采集对控制系统来说相当重要，单相Vienna的控制系统算法都是通过采集而来的电流和电压信号计算得来的。如果电流和电压信号的采集误差较大的话，则会对控制系统造成很大的影响，甚至系统不能达到控制的效果。由于全波整流控制板（FPGA控制板）只能接收很小的电压信号（±10V以内），而被控整流系统的实时信号都是高压和大电流级别的信号，所以必须通过信号转换来采集实时信号。对于脉动直流电压信号，通过霍尔电压传感器实现电压的采集并转换成可供AD采样的低压信号。交流侧电流信号采集通过电流互感器实现，选择合适的电流互感器变比，将交流侧电流转换为低于5mA的电流信号。对于小功率全波整流电路，其交流侧电流一般不超过10A，因此选用10A/5mA的电流互感器。对于AD转换芯片AD7656来说，只能接收电压信号，因而必须通过采样电阻将5mA的低电流信号转换成低于5V的电压信号送给AD7656处理。电流信号的采集是首先通过电流互感器将较大的全波交流侧电流转换为弱电流信号，然后将电流转换为电压送至AD采样电路。项目设计过程中，全波整流电路交流侧实际电流小于10A，为了得到5mA的弱电流信号，我们选择变比为1/2000的电流互感器。由于AD7656模数转换电路采用的是±5V的采集范围，因此必须将±5mA转换为±5V。该部分电路如图3-1所示。图3-1采样电路3.1.1RC滤波及LM2902电路设计经过信号采集转换后的电流和电压信号在送至AD7656之前必须经过滤波处理，因为对于全波整流系统来说，它要实现的是单位功率因数整流，为了减少对电网的污染，电流和电压中的谐波信号在进入AD之前要滤除掉。我们可以通过RC低通滤波器来滤除这些谐波信号。由于RC低通滤波器的设计方法已经成熟，在此不再详述。电路图结构如图3-2所示图3-2低通滤波器结构图3.1.2AD7656与FPGA的连接由于FPGA只能处理数字信号，所以整流电路的电流和电压等模拟号经过采集滤波后还必须通过AD（模数）转换才能够进入FPGA进行处理。为了使控制系统满足一定的精度，我们采用高精度16位的AD7656实现数据的转换。根据实际需要，需要采集18路实时信号，故需要3片AD7656实现，AD7656的所有时序控制信号由FPGA产生。图3-3给出了AD7656和FPGA的连接原理图。通过顺序选定3片AD7656依次将数据读出。图3-3FPGA和AD7656连接原理图3.2电源电路的设计辅助电源同时为信号调理板和FPGA控制板供电，需要一组±15V的直流电源给信号调理板，一组+5V给FPGA控制板供电。采用常用的三端集成稳压管7815、7915产生±15V的电压，用7805产生+5V输出电压，78xx系列和79xx系列为封装形式为TO-220的固定输出稳压管，其应用非常广泛，其内部内置有过热过流的保护，因此使用起来非常方便，如果加足够大的散热片，他们可以输出高达1.0A的电流，能够满足该系统对电源的需求。稳压电路典型的电路图如图3-4和图3-5所示，稳压管的输出接1000uF的电解电容用于稳定输出电压，使输出电压更加平稳，如图中的E19和E20，一般情况下输出端还要接上0.1uF的高频去耦电容，如图中的C11和C12。图3-4+5v辅助电源供电电路图3-5±15V辅助电源电路3.3驱动电路的设计由于FPGA控制发出的全波脉冲信号幅值为3.3V，无法直接驱动功率开关管导通和关断，因此需要一个介于FPGA控制器和功率开关管之间的的驱动电路，使得控制器输出信号放大到能够驱动开关管。同时，由于全波整流电路的开关管通过的是大电流高电压，为了防止其对挖制电路产生干扰甚至损坏，有必要对FPGA控制信号进行隔离，因此，驱动电路不仅要解决功率放大的问题，还要解决电气信号的隔离保护问题。在电气信号的隔离中，常采用光电隔离技术及磁隔离技术，本文采用的是光电隔离技术，在信号的传送过程中，电信号以光的形式传输，信号不受电场、磁场的干扰，信号的输入输出之间可以实现有效的隔离。图3-6驱动电路图3.4全波产生模块设计数字触发控制器最核心的功能就是生成同步脉冲序列来控制可控硅的导通与关断，因而控制逻辑中需要全波模块按一定规律生成特定的脉冲信号。本设计中的全波模块可以在每个控制周期参照自然换相点和移相角生成相应的6路脉冲控制信号。三相全控桥式整流电路最基本的控制原理就是：任意时刻整流电路的共阴组和共阳组中分别只有一个可控硅被触发导通，从而形成一个控制回路。而要想使可控硅中的电流从零达到临界值需要一个过程，也就是说可控硅的触发脉冲必须持续一定的时间且达到一定的功率才可以。工业控制中常见的桥式整流电路的触发方式主要有以下两种：图3-7宽脉冲触发方式控制时序图(1)宽脉冲触发方式按照第2章节介绍的整流电路的工作原理，一个可控硅的一次导通需要跨越两个相邻的周期（一个周期60°）。使用宽脉冲触发方式进行控制时，每个周期只需要发送一路宽度大于60°的脉冲（通常为90°）即可。在发送当前周期的触发脉冲的时候，上一个周期的触发脉冲仍在继续，这样就保证了任意时刻任意时刻整流电路的共阴组和共阳组中分别有且仅有一个可控硅被触发导通。宽脉冲触发方式的控制时序图如图4.19所示。(2)双窄脉冲触发方式区别于宽脉冲触发方式，双窄脉冲触发方式在每个周期必须发送两路窄脉冲来分别控制两个可控硅的导通。对于一个可控硅而言，该触发方式相当于用两个相隔60°的窄脉冲代替了一个宽脉冲来对它进行触发，窄脉冲的宽度通常为20°。双窄脉冲触发方式的的控制时序图如图3-8所示：图3-8双窄脉冲触发方式控制时序图跟宽脉冲触发方式相比，双窄脉冲触发方式的控制要稍微复杂一些，但其有着很明显的优势。由于该触发方式的触发脉冲宽度比较小，所以在很大程度上减小了触发控制器的输出功率、降低了对脉冲驱动放大电路的规格要求。因此，双窄脉冲触发方式在实际工作场合的应用更为广泛，本设计的控制逻辑中也采用的是该触发方式。

结论随着大规模集成电路和可编程逻辑器件的迅速普及，全波整流电路的应用越来越广泛。本文首先对可控硅元件和三相全控桥式整流电路的工作原理及工作特点进行了深入地学习和研究。然后在此基础上结合具体的功能需求确立了数字触发控制器的硬件电路的整体框架。紧接着分别完成了对各个核心子模块控制电路的搭建。采用Altera公司的CycloneIV系列FPGA芯片作为控制器的核心，其丰富的硬件和引脚资源、高速的并行运算能力在很大程度上简化了外围电路的设计，确保了高精度控制的实现。采用成熟的AD采样电路、过零检测电路以及脉冲功放电路，确保了闭环控制的顺利实现。 参考文献[1]钱坤,高格,盛志才.三相全波整流电路交流侧电感的设计[J].电力电子技术,2017(5):24-26.[2]MaoH,BoroyevichD,LeeFCY.Novelreduced-ordersmall-signalmodelofathree-phase