斩控式单相交流调压电路.docx

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斩控式单相交流调压电路

设计内容与设计要求

一．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）系统具有完善的保护

2.系统总体方案确定

3.主电路设计与分析

1）确定主电路方案

2）主电路元器件的计算及选型

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）触发电路设计

4）控制电路参数确定

二．设计要求：

1．用SG3525产生脉冲。

2．设计思路清晰，给出整体设计框图；

3．单元电路设计，给出具体设计思路和电路；

4．分析所有单元电路与总电路的工作原理，并给出必要的波形分析。

5．绘制总电路图

6．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+15%）、0~150V（AC）

2）最大输出电流：

5A

3）功率因数：

≥0.7

2.可提供实验与仿真条件

说明书格式

1．课程设计封面；

2．任务书；

3．说明书目录；

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（完整的总电路图）；

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

1.3课题总体概述1

第２章设计总体思路2

2.1基本工作原理2

2.2总体方案确定3

第3章主电路设计与分析4

3.1主要技术条件及要求4

3.2主电路计算及元器件参数选型4

3.3主电路结构设计5

3.4主电路保护设计6

第4章单元控制电路设计7

4.1主控制芯片的详细说明及介绍7

4.11芯片的详细介绍7

4.12芯片的工作原理8

4.2驱动电路设计9

4.3过零检测及续流触发电路10

4.4控制保护电路设计11

第5章总结与体会12

附录A参考文件14

第1章概述

1.1单相交流调压

对单相交流电的电压进行调节的电路。

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。

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。

1.2交流调压在生活生产中的应用

交流调压电路广泛用于灯光控制（如调光台灯和舞台灯光控制）及异步电动机的软起动，也用于异步电动机调速。

在电力系统中，这种电路还常用于对无功功率的连续调节。

此外，在高电压小电流或低电压大电流直流电源中，也常用交流高压电路调节变压器一次电压。

因此交流调压电路广泛存在于农村、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。

1.3课题总体概述

用斩控方式实现交流调压，功率因数高，谐波小，输出波形好。

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。

本课题将利用单相斩控式交流调压电路实现一系列的功能。

第2章设计总体思路

2.1基本工作原理

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类似，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输入的是正弦交流电压。

在交流电源ui的正半周，用V1进行斩波控制，用V3给负载电流提供续流通道；在ui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。

设斩波器件V1、V2的导通时间为ton，开关周期为T，则导通比为α=ton/T，和直流斩波电路一样，通过对α的调节可以调节输出电压U0。

2.2总体方案确定

在本设计中要求：

输入电压：

单相（AC）220（1+15%），输出电压0~150V（AC），最大输出电流：

5A，功率因数：

≥0.7

斩波器可调节输出电压的大小，同时斩控方式实现交流调压，功率因数高，谐波小，输出波形好。

斩控式单相交流调压电路中，用占空比控制低压侧的电压.其中用控制电路来实现IGBT管的通断，调节PWM波的输出来改变控制角ɑ，从而调节占空比的大小，进而用来调节输出电压的大小。

初步设想将总电路分为三个部分：

主电路、控制电路、保护电路。

其中主电路为斩控式电路，斩波电路采用IGBT进行控制的脉宽调制方式的斩控方式。

控制电路采用SG3525芯片来对IGBT的通断进行控制。

保护电路包括主电路中的过电压和过电流保护、IGBT的保护。

总电路框图如图。

第3章主电路设计

3.1主要技术条件及要求

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。

这种电路不改变交流电的频率，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的有效值，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的导通的控制，可以是保持开关周期T不变，调节开关导通时间Ton。

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主电路计算及元器件参数选型

开关管选用MOSFET。

MOSFET是高效、功率开关器件。

它不仅承场效应管输入阻抗高（≥108W）、驱动电流小（左右0.1μA左右），还具有耐压高（最高可耐压1200V）、工作电流大（1.5A～100A）、输出功率高（1～250W）、跨导的线性好、开关速度快等优良特性

因为功率因数指电压与电流的相位之间的关系，则由波形可以看出，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。

这时电路功率因数接近1。

3.3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3.4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。

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。

图3-3主电路图

3.4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。

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主芯片的相关说明

本次课程设计由芯片SG3525产生脉冲，来控制VMOSFET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。

4.11芯片的详细介绍

SG3525的内部结构如图6-1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

4.12芯片的工作原理

SG3525内置了5.1V精密基准电源，微调至1.0%，在误差放大器共模输入电压范围内，无须外接分压电组。

SG3525还增加了同步功能，可以工作在主从模式，也可以与外部系统时钟信号同步，为设计提供了极大的灵活性。

在CT引脚和Discharge引脚之间加入一个电阻就可以实现对死区时间的调节功能。

由于SG3525内部集成了软启动电路，因此只需要一个外接定时电容。

SG3525的软启动接入端（引脚8）上通常接一个5的软启动电容。

上电过程中，由于电容两端的电压不能突变，因此与软启动电容接入端相连的PWM比较器反向输入端处于低电平，PWM比较器输出高电平。

此时，PWM琐存器的输出也为高电平，该高电平通过两个或非门加到输出晶体管上，使之无法导通。

只有软启动电容充电至其上的电压使引脚8处于高电平时，SG3525才开始工作。

由于实际中，基准电压通常是接在误差放大器的同相输入端上，而输出电压的采样电压则加在误差放大器的反相输入端上。

当输出电压因输入电压的升高或负载的变化而升高时，误差放大器的输出将减小，这将导致PWM比较器输出为正的时间变长，PWM琐存器输出高电平的时间也变长，因此输出晶体管的导通时间将最终变短，从而使输出电压回落到额定值，实现了稳态。

反之亦然。

外接关断信号对输出级和软启动电路都起作用。

当Shutdown（引脚10）上的信号为高电平时，PWM琐存器将立即动作，禁止SG3525的输出，同时，软启动电容将开始放电。

如果该高电平持续，软启动电容将充分放电，直到关断信号结束，才重新进入软启动过程。

注意，Shutdown引脚不能悬空，应通过接地电阻可靠接地，以防止外部干扰信号耦合而影响SG3525的正常工作。

欠电压锁定功能同样作用于输出级和软启动电路。

如果输入电压过低，在SG3525的输出被关断同时，软启动电容将开始放电。

此外，SG3525还具有以下功能，即无论因为什么原因造成PWM脉冲中止，输出都将被中止，直到下一个时钟信号到来，PWM琐存器才被复位。

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。

图4-3过零检测及续流触发电路

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，加入一个保护电路。

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；

图4-4控制电路的保护电路

第5章总结与体会

本次电力电子的课程设计使我受益匪浅。

短短两周的时间里，锻炼了我主动动手解决问题和设计性思维的能力，将理论应用于实践中确实并非易事，因为它不是单纯的理论学习和理解，包含的东西远远超过我的想象，首先是扎实的理论基础，再是具备创新设计思维，还必须懂得电脑仿真软件的应用，接着是拥有一定的编写报告的能力，最后也是最重要的是要有刻苦专研和积极提问的精神。

这次斩控式单相交流调压电路曾是电力电子中的一个实验，对于其工作原理已经有了一定的掌握和了解，但是在具体实施设计时才发现并没有想象的那么简单，对于斩控式的了解也仅仅只是建立在实验的基础上，自己设计电路完全不同于实验，来了就此对于所需芯片以及元件的相关资料的收集和斩控式电路一些文献的翻阅才对课题有了不少了解。

通过这次的课程设计，不但让我对电力电子有了更加深层的认识，而且对课本的知识起到了很好的巩固作用。

自动化专业的相关学科已经有多次课程设计的经验，但是每次都能给我带来新的收获，在一些了书本知识的学习之后再经过课程设计的锻炼，对于学科的理解和知识的掌握都起到了很大的帮助，也是一次很好的将理论与实践相结合的机会。

两周的实习带给我的不仅仅是知识上的积累，也是一次能力上的提升，唯有将知识付诸于实际的操作与设计才是真正的掌握，才能使课本知识灵活的应用。

第6章附录

附录参考文件

参考文献

1．王兆安，电力电子技术（第5版）．机械工业出版社，2008.

2．刘星平．电力电子技术及电力拖动自动控制系统．校内，2009.

3.浣喜明，姚为正．电力电子技术．高等教育出版社，2008.

4．刘祖润，胡俊达．毕业设计指导．机械工业出版社，1995.

5.林飞，杜欣．电力电子应用技术的MATLAB仿真．中国电力出版社，2009.

6．钟炎平．电力电子电路设计．华中科技大学出版社，2010.

7．徐德鸿．现代电力电子器件原理与应用技术．机械工业出版社，2011.

8．洪乃刚．电力电子和电力拖动控制系统的MATLAB仿真．机械工业出版社，2006.

电气信息学院课程设计评分表

项目

评价

优

良

中

及格

差

设计方案合理性与创造性（10%）

硬件设计及调试情况（20%）

参数计算及设备选型情况*（10%）

设计说明书质量（20%）

答辩情况（10%）

完成任务情况（10%）

独立工作能力（10%）

出勤情况（10%）

综合评分

指导教师签名：

________________

日期：

________________

注：

表中标*号项目是硬件制作或软件编程类课题必填内容；

此表装订在课程设计说明书的最后一页。

课程设计说明书装订顺序：

封面、任务书、目录、正文、附件、评分表（非16K大小的图纸及程序清单）。