工程实用型交流斩波调压电路的研究含外文翻译Word文件下载.docx

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设计利用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术，任务是使自身熟悉各种电力电子器件的特性和使用方法；

掌握各种电力电子电路的结构、工作原理、控制方法、设计计算方法及实验技能；

熟悉各种电力电子装置的应用范围及技术经济指

标，对电力电子装置具有独立的设计和调试能力，从而设计出一款性能较好，价格实惠的交流电压控制装置。

意义在于能够设计出一款适用范围广泛，操作简单方便，节省能源的交流调压装置。

可以用来调节功率因数，也可以用来对电动机进行软启动，或者是最直观的自动调节照明装置得明亮程度，在当今建设节约型社会的大潮中做出自己一点小小得贡献。

全控型电力电子器件的发展，新型的交流调压器——斩控式交流调压器出现了，其输入输出都是交流电压，电力电子开关一般都为双向导电开关，利用它来作为整体设计的核心。

1.2交流斩波调压的发展趋势

交流斩波调压，一般有三种拓扑结构：

（1）单管反串联双向电子开关斩控式交流调压。

用二极管和IGBT分别构成双向斩波开关和双向续流开关，用二组电感和电容分别组成低通输入、输出滤波器。

这种连接IGBT与二极管特性配合好，并可减小引线电感对换流的影响。

该拓扑采用带电流检测的非互补控制方式，开关模式由电压极性决定，避免了调压中主开关和续流开关换相过程引起的共态运行，开关器件无换相过电压。

该拓扑在热水器、静电除尘器中、小功率阻性负载应用中有较大的优势。

（2）双开关斩控式交流调压电路。

这种拓扑结构中，斩波开关和续流开关都是由四个独立的单功率开关反并联续流二极管构成，与单管反串联双向电子开关斩控式交流调压电路有异曲同工之妙，但结构上更加清晰明了，目前有文献报道它通过附加缓冲电路已应用在大功率场合。

（3）单管双向电子开关斩控式交流调压电路。

该拓扑为一种经济型单管交流调压电路，开关管对整流脉动输出电压进行斩波，从而达到调压目的。

这种结构简单，无续流回路，且只有一路驱动信号。

但这种电路只能用于阻性负载，所需的滤波电容比较大，且要求电容能通过较大的交流电流。

由于电容积分效应，电路动态响应变慢，故其适用于成本低、性能要求不高、容量较小的交流调压中。

现针对一种IGBT单相交流斩波调压电路进行理论分析与实验研究，主要研究四个方面的内容：

一是交流斩波调压的主电路设计；

二是开关器件的驱动电路、缓冲电路、输入输出滤波器的设计；

三是开关器件的驱动电路、缓冲电路、输入输出滤波器的设计以及该电路所对应的相关计算分析，包括电路的工作原理分析、器件参数计算。

第二章交流斩波的调压原理

2.1.1IGBT的基本结构

绝缘栅双极晶体管（IGBT）本质上是一个场效应晶体管，只是在漏极和漏区之间多了一个P型层。

根据国际电工委员会的文件建议，其各部分名称基本沿用场效应晶体管的相应命名。

IGBT的结构剖面图如图1-1所示，IGBT在结构上类似于MOSFET，其不同点在于IGBT是在N沟道功率MOSFET的N+基板（漏极）上增加了一个P+基板（IGBT的集电极），形成PN结j1，并由此引出漏极、栅极和源极则完全与MOSFET相似。

正是由于IGBT是在N沟道MOSFET的N+基板上加一层P+基板，形成了四层结构，由PNP－NPN晶体管构成IGBT。

但是，NPN晶体管和发射极由于铝电极短路，设计时尽可能使NPN不起作用。

所以说，IGBT的基本工作与NPN晶体管无关，可以认为是将N沟道MOSFET作为输入极，PNP晶体管作为输出极的单向达林顿管。

图2-1IGBT的结构

可以看出，IGBT相当于一个由MOSFET驱动的厚基区GTR，其简化等效电路如图1-2（b）所示。

图中Rff是厚基区GTR的扩展电阻。

IGBT是以GTR为主导件、MOSFET为驱动件的复合结构。

若在IGBT的栅极和发射极之间加上驱动正电压，则MOSFET导通，这样PNP晶体管的集电极与基极之间成低阻状态而使得晶体管导通；

若IGBT的栅极和发射极之间电压为0V，则MOSFET截止，切断PNP晶体管基极电流的供给，使得晶体管截止。

IGBT的安全可靠与否主要由以下因素决定：

——IGBT栅极与发射极之间的电压；

——IGBT集电极与发射极之间的电压；

——流过IGBT集电极－发射极的电流；

——IGBT的结温。

如果IGBT栅极与发射极之间的电压，即驱动电压过低，则IGBT不能稳定正常地工作，如果过高超过栅极－发射极之间的耐压则IGBT可能永久性损坏；

同样，如果加在IGBT集电极与发射极允许的电压超过集电极－发射极之间的耐压，流过IGBT集电极－发射极的电流超过集电极－发射极允许的最大电流，IGBT的结温超过其结温的允许值，IGBT都可能会永久性损坏。

IGBT的开通和关断是由栅极电压来控制的。

当栅极加正电压时，MOSFET内形成沟道，并为PNP晶体管提供基极电流，从而使IGBT导通，此时，从P+区注到N一区进行电导调制，减少N一区的电阻Rdr值，使高耐压的IGBT也具有低的通态压降。

在栅极上加负电压时，MOSFET内的沟道消失，PNP晶体管的基极电流被切断，IGBT即关断。

2.1.2IGBT的工作原理

IGBT是一种电压型控制器件，它所需要的驱动电流跟驱动功率都非常小，可直接与模拟或数字功能快相接而不须加任何附加接口电路。

IGBT的导通和关断是由栅极电压UGE来控制的，当UGE大于UGE（th）时IGBT导通。

当栅极和发射极施加反向或不加信号时，IGBT被关断。

IGBT和普通三极管一样，可工作在线性放大区、饱和区和截止区，起主要作为开关器件应用。

在驱动电路主要研究饱和导通和截止两个状态，使其开通上升沿和关断下降沿都比较陡峭。

2.2交流斩波的调压原理

2.2.1交流斩波调压的数学模型

交流斩波调压与直流脉宽调制原理一样,只是斩波调制对象不同,电路结构上要求能对交流电进行双向调制,且这种调制为高频周期矩形波函数对正弦函数的调制，其调制原理按Fourrier展开分析如下：

Ui（t）

=Umsin（2πft），开关函数

S（t）按Fourrier展开为：

，

（式1-1）

其中占空比D=τ/Ts,调制比N=

.由于Uo（t）=Ui（t）

则Uo（t）=Ui（t）×

S（t）

=

记作：

（式1-2）

可见输出电压是由与输入电压同频率的基波和（nN±

1）×

2

（n=1,2,3…）高次谐波所组成的。

通过一个低通滤波器，易滤掉φ{（nN±

1）2

}部分。

经滤波输出为：

Uo（t）=DUi（t）,即可通过调节占空比D，线性调节输出电压。

2.2.2交流斩波调压的工作原理

图2-2为互补控制斩控式交流调压器的原理图。

图中u为电源电压，u0为输出电压，Z为负载。

S1和S2均为双向电力电子开关，其中S1为斩波开关，S2为续流开关。

其通断规律是，S1闭合时S2断开，S1断开时S2闭合。

即S1和S2的动作规律在时间上是互补的，所以又叫互补式控制方式。

a）斩控式交流调压原理图

b）斩控式交流调压输出波形

图2-2斩控式交流调压原理图a）和输出波形b）

在S1闭合、S2断开期间，输出电压与电源电压相等；

在S1断开、S2闭合期间，输出电压为零。

对于感性负载，S2为其提供续流回路。

交流斩波调压与直流脉宽调制原理一样,只是斩波调制对象不同,电路结构上要求能对交流电进行双向调制,也就是高频周期矩形波函数对正弦函数的调制,用单片机控制脉冲间隔时间，脉冲给晶体管门极控制电路的通断,从而通过控制占空比来调节输出电压。

第三章交流斩波的电路设计

交流斩波调压对象为交流电压，要求对正负半波电压均能进行调制，即开关器件必须为双向的，结构上具有对称性。

从能量角度看，开关器件的通断控制着能量的流动及流向，由于能量为不能突变量，它要求电路拓扑时刻提供能量连续通路，即电路具有双向性。

常见的双向电子开关有如下图3-1几种：

图3-1双向电子开关

3.2典型的斩控式交流调压电路

图3-2单管反串联双向电子开关电路拓扑结构一

如图3-2所示，图中V1，V2构成双向斩波开关，V3，V4构成双向续流开关。

Lif、Cif和Lof、Cof分别组成低通输入、输出滤波器。

该拓扑采用带电流检测的非互补控制方式，开关模式由电压极性决定,避免了调压器中主开关和续流开关换相过程引起的共态运行,开关器件无换相过电压。

整个工作过程分为有源状态、死区状态以及续流状态。

输出电压、电流极性相同时,续流开关可不加缓冲电路。

主开关缓冲电路经优化设计后,可保证主开关开通电流小于倍通态电流,改善开关过程电压、电流变化轨迹,大大减小器件开关损耗，对输出电压波形的傅里叶分析结果表明,除基波以外还含有其它谐波,谐波频率在开关频率及其整数倍两侧分布,开关频率越高,越容易滤除。

经优化设计的滤波器滤波后,可认为输出电压仅含有基波。

该拓扑在热水器、静电除尘器等中、小功率阻性负载应用中具有较大的优势。

图3-3双开关斩控式交流调压电路拓扑结构二

如图3-3所示，在该电路拓扑中,开关模式取决于电源电压的极性。

在电源电压的正半周,V2和V4导通,V1和V3按某一固定占空比调制导通当电源电压极性改变时,开关模式就相反因此无论电流方向如电流通路总是存在的。

因为在电源电压的半周内,有两个开关导通,开关损耗明显减少。

电路的工作可分为三种模式,即有源模式、死区时间模式和续流模式,V1、V2导通时定义为有源模式,在这个过程中,电感电流流经电压源,能量是流向负载还是取自负载取决于电感电流的方向。

下面分析电源电压正半周电流路径。

电源供电时电源→V1→负载→VD2→电源;

负载馈电时,负载→VD1→电源→V2→负载。

当两个调制开关关断时定义为死区时间模式,电流路径根据电感电流的方向而不同，自左至右时电感L→负载→V4→VD4→电感L；

自右至左时：

负载→VD1→电源→V2→负载。

在续流模式中，电感电流流经V3和V4，以方向不同，电流有两个路径：

负载→V4→VD4→电感L→负载，以及负载→电感L→V3→VD3→负载。

单管双向电子开关斩控式交流调压电路

图3-4所示的为单管双向电子开关斩控式交流调压电路原理图，在单管双向电子开关中全控开关只有一个，其它由四个不控的快恢复二极管构成。

可以看出这种拓扑结构简单，无需续流回路，且只有一路驱动信号，是一种经济型交流调压电路。

该拓扑有较大的浪涌电流，由于电容积分效应，电路动态响应速度变慢，故其仅适用于成本低、性能要求不高、容量较小的交流调压中。

图3-4单管双向电子开关斩控式交流调压电路

为了提高电路的变换效率，软化开关轨迹，提高器件使用寿命，文献提出了一种单开关双振ZCS斩波调压技术电路，如图3-5所示.该技术通过对滤波、谐振参数综合考虑，实现了开关导通和关断过程在较大范围内的零电流或准零电流切换，从而软化了开关过程。

图3-5单开关双振ZCS斩波控制调压电路

此外，单管双向电子开关调制对象与直流斩波相似，在开关软化设计上可参照直流斩波缓冲电路设计。

文献提出了具有最简结构的无源无损缓冲电路的通用性很强，可应用于此类电路中的软化开关过程，能提高效率。

交流斩波调压对象为交流电压,要求对正负半波电压均能进行调制,即开关器件必须为双向的,结构上具有对称性。

从能量角度看,开关器件的通断控制着能量的流动及流向,由于能量为不能突变量,它要求电路拓扑时刻提供能量连续通路,即电路具有双向性。

硬件电路的设计主要包括单片机系统（控制回路）和交流斩波调压电路（主回路）两部分，系统框图如图3-6：

图3-6交流斩波调压装置框图

第四章交流斩波电路的仿真研究

本次电路仿真采用protues软件，以及KeiluVision与之的完美结合，通过过Keil将单片机的程序编译生成文件，protues打开其工程文件进行仿真，可以达到和用硬件仿真相同的效果。

设计时，采用了如图4-1的单管双向电子开关斩控式交流调压电路，整个回路由一个全控开关以及四个不控的快恢复二极管构成，是一种经济型单管交流调压电路，开关管对整流脉动输出电压进行斩波，从而达到调压目的。

图4-1交流斩波调压回路图（主回路）

假设全控开关导通时ε（t）=1，关断时ε（t）=0。

ε（t）=1的持续时间为ton，ε（t）=0的持续时间为toff。

ton＋toff=T0。

称为斩波周期，D=ton/T为占空比，ε（t）可用周期函数表示为：

（式4-1）

单片机最小系统回路（控制回路）

4.3.1晶振回路

由于AT89S52系列内部无晶振，图4-2为单片机外接晶振回路。

图4-2外接晶振回路

4.3.2复位电路

图示4-3为单片机外接手动/自动复位电路。

图4-3外接复位电路

4.3.3方波输出及变周期电路

图示4-4为方波输出口电路，效果可以通过示波器来观测。

图示开关1，2分别用来给P0.1和P0.4口低电平信号，从而通过程序实现方波周期的改变。

图4-4周期改变电路

4.3.4单片机回路电路图（控制回路）

图5-5为单片机挂晶振和复位电路图，图4-4所示两路开关分别接P0.1口和P0.4口。

图4-5单片机回路图（控制回路）

光耦隔离

4.4.1概述

光电耦合器是以光为媒介传输电信号的一种电一光一电转换器件。

它由发光源和受光器两部分组成。

把发光源和受光器组装在同一密闭的壳体内，彼此间用透明绝缘体隔离。

发光源的引脚为输入端，受光器的引脚为输出端，常见的发光源为发光二极管，受光器为光敏二极管、光敏三极管等等。

光电耦合器的种类较多，常见有光电二极管型、光电三极管型、光敏电阻型、光控晶闸管型、光电达林顿型、集成电路型等。

4.4.2工作原理

在光电耦合器输入端加电信号使发光源发光，光的强度取决于激励电流的大小，此光照射到封装在一起的受光器上后，因光电效应而产生了光电流，由受光器输出端引出，这样就实现了电一光一电的转换。

图5-6为原理图：

图4-6光耦工作原理图

4.4.3光耦的主要优点

信号单向传输，输入端与输出端完全实现了电气隔离隔离，输出信号对输入端无影响，抗干扰能力强，工作稳定，无触点，使用寿命长，传输效率高。

光耦合器是70年代发展起来产新型器件，现已广泛用于电气绝缘、电平转换、级间耦合、驱动电路、开关电路、斩波器、多谐振荡器、信号隔离、级间隔离、脉冲放大电路、数字仪表、远距离信号传输、脉冲放大、固态继电器（SSR）、仪器仪表、通信设备及微机接口中。

在单片开关电源中，利用线性光耦合器可构成光耦反馈电路，通过调节控制端电流来改变占空比，达到精密稳压目的。

4.4.4光耦回路

采用光耦来驱动主回路的电力电子器件，主要是因为主回路的电压高达220V，为了保护控制回路正常工作且不被烧毁，如图5-7所示为光耦连接主回路和控制回路电路图。

（图5-7见附录1）

4.4.5光耦回路的设计

（1）选择电路形式

（2）光耦的选择

（3）元件参数的估算

为了保证光耦自身的安全工作，输出端的允许电流应该适当选择的高些，或者进行限流，否则容易导致斩波器失效。

4.5功率场效应管保护回路

常见的线路连接如图4-8，其中IL为MOS导通时流过负载的电流：

当门极施加瞬时负脉冲时，瞬时导通电流id由IL值迅速下降为零，MOS管瞬时导通电压u由零瞬间增大到最大关断电压值Vcd。

在关断过程中，功率电子器件内部瞬时功率有一最大耗散值，对功率电子器件的关断损坏具有极大的作用。

图4-8MOSFET的吸收电路

电路中，快恢复二极管VD和电容C在关断过程中导通，C的充电电流ic的分流，使C有效的吸收回路中的能量，减少了关断过程中功率电子器件所吸收的能量，从而起到保护期间的作用。

4.6元器件选择与详细说明

4.6.1光电耦合器TLP521-1

TLP521-1光耦的参数表如表4-1，其外形图如图4-9：

表4-1

图4-9光耦外形图

4.6.2快恢复二极管MUR460

MUR460二极管最大允许电流4A，耐压600V，最佳回复时间为35ns。

其外形图如图4-10：

图4-10MUR460外形图

4.6.3功率场效应管IRF840

功率场效应管IRF84是反压Vbe0为 

500V，电流Icm为8A， 

功率Pcm

的NMOS场效应管。

其外形图如图4-11：

图4-11IRF840外形图

第五章交流斩波器软件的设计

5.1程序设计

（1）方波周期为T的计算

外接晶振的频率为12MHz。

机器周期：

时间常数：

计数初值：

设置TMOD寄存器的内容：

对于T0来说：

M1M0=01、C/T=0、GATE=0.

由于T1不用，可以任意设置，现取为全0，因此，TMOD寄存器的内容为：

TMOD=00000001B=01H。

（2）程序流程图

中断程序流程图如图5-1所示，按键加程序流程图如图5-2所示，按键减程序流程图如图5-3所示：

图5-1中断程序流程图

图5-2按键加程序流程图图5-3按键减程序流程图

（3）源程序：

见附录二

5.2程序调试

程序调试也就是软件调试，是通过对用户程序的汇编、连接、执行来发现程序中存在的语法错误与逻辑错误并加以排除纠正的过程。

软件调试的一般方法是先独立后联机、先分块后组合、先单步后连续。

单片机应用系统中的软件与硬件是密切相关、相辅相成的。

软件是硬件的灵魂，没有软件，系统将无法工作；

大多数软件的运行又依赖于硬件，没有相应的硬件支持，软件的功能荡然无存。

因此，将两者完全孤立开来调试是不可能的。

调试是好程序模块的关键是实现对错误的准确定位。

准确发现程序中的错误的最有效方法是采用单步加断点运行方式调试程序。

一般采用先使用断点运行方式将故障定位在程序段的一个小范围内，然后针对故障程序段再使用单步运行方式来准确定位错误所在，这样就可以做到调试的快捷和准确。

5.3仿真结果

本次设计的实验结果基本上达到了预期的效果，单片机的P1.0端口发送频率为5KHz的方波信号，则其周期为200

图5-2方波信号

通过控制电路对脉宽进行调节后，高低电平的持续时间发生改变，