频率电压可调交流电源设计.docx
《频率电压可调交流电源设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《频率电压可调交流电源设计.docx（25页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
频率电压可调交流电源设计
频率、电压可调交流电源的设计
张海军陆吉银钟犹洪
（湖南衡阳南华大学421001）
指导老师：
王彦
摘要文中介绍了可调交流电源的整体设计和单元电路。
该设计选用电力电子器件IGBT和MOSFET来构成斩波、逆变电路。
利用现场可编程逻辑器件（FPGA），通过编程产生脉宽调制（PWM）和变频信号分别控制斩波和逆变电路，从而改变输出电压的幅值和频率。
采用先分模块测试后整体测试的方法对系统进行测试，经测试，输出电压的频率和电压幅值均可调节，完全达到了设计要求。
关键词斩波逆变脉宽调制变频
DesignofAlternatingCurrentSourcewithfrequencyandvoltageadjustable
AbstractThewholedesignandtheunitcircuitofalternatingcurrentsourceareintroducedinthisarticle.ThisdesignchooseselectricpowerandelectronicapparatusIGBTandMOSFETtoconsistthewavecutandadverseconversioncircuit.Tocontrolthewavecutandadverseconversioncircuit,usingFPGAtoproducethesignalofPWMandfrequencyconversionbyprogramming.Asaresult,thevoltageandfrequencyofoutputcanbeadjusted.Thewayoftestingthatisadoptedinthisarticleistestingtheunitcircuitfirstandthewholecircuitlater.Thefrequencyandvoltageofoutputisadjustableaftertesting.Itsatisfiestherequirementofdesigncompletely.
KeywordswavecutadverseconversionPWMfrequencyconversion
目录
设计任务和设计要求………………………………………………………………………3
第1章系统设计……………………………………………………………………………3
1．1方案比较…………………………………………………………………………3
1．1．1斩波电路……………………………………………………………………3
1．1．2逆变电路……………………………………………………………………3
1．1．3控制部分……………………………………………………………………4
1．2总体设计与论证…………………………………………………………………4
第2章单元电路设计……………………………………………………………………5
2．1整流滤波电路……………………………………………………………………5
2.1.1电路的结构和原理………………………………………………………………5
2.1.2参数的计算与选取………………………………………………………………5
2．2斩波变换电路……………………………………………………………………5
2.2.1电路的选择和原理………………………………………………………………5
2.2.2电路参数的计算和选取…………………………………………………………6
2．3逆变电路…………………………………………………………………………7
2．4控制电路…………………………………………………………………………8
2．5电源电路…………………………………………………………………………9
第3章软件设计……………………………………………………………………………9
第4章系统测试……………………………………………………………………………9
4．1测试方法…………………………………………………………………………9
4．2测试仪器设备……………………………………………………………………10
4．3测试数据及结果…………………………………………………………………10
4.3.1斩波电路测试数据……………………………………………………………10
4.3.2逆变电路测试数据……………………………………………………………10
4.3.3总体电路测试数据……………………………………………………………10
第5章设计总结…………………………………………………………………………11
5.1测试数据和测试结果的分析……………………………………………………11
5.2设计结论与总结…………………………………………………………………12
参考文献………………………………………………………………………………………12
附录…………………………………………………………………………………………13
附录1程序清单……………………………………………………………………13
附录2仪器设备清单………………………………………………………………18
附录3总电路图……………………………………………………………………19
设计任务和设计要求
设计一个交流电源，具体要求如下：
●输入电压为220V交流电，输出信号的频率和电压幅值均可调节。
发挥部分要求如下：
●通过键盘预置一个电压值，输出预置的电压并显示出来。
第1章系统设计
1．1方案比较
1．1．1斩波电路
方案一：
降压斩波变换电路，该电路能产生一个低于直流输入电压的平均输出电压。
它的主要用途是作为可调直流电源与直流电动机的转速控制。
它的电路图如图1.1.1所示。
图1.1.1降压斩波变换电路图
方案二：
降压－升压变换电路，该电路的输出电压可以高于或者低于输入电压，它主要用于特殊的可调直流电源，这种电源具有一个相对于输入电压公共端为负极性的输出电压。
它的电路图如图1.1.2所示。
图1.1.2降压－升压变换电路图
方案比较与结论：
该设计要求输入220V的交流电，经整流滤波后变为100V的直流电，输出电压在0－100V之间可调。
根据设计要求，并结合斩波变换电路的特性，方案一和方案二均能满足要求，但方案一的资源利用充分且合理，而方案二资源利用不足，因此选用方案一来设计斩波电路。
1．1．2逆变电路
方案一：
单相半桥逆变电路，该电路由两个导电臂组成，每个臂包含一个可控元件和一个二极管。
桥的两导电臂工作状态互补。
方案二：
单相全桥逆变电路，该电路可看成是两个半桥电路的组合，桥中各臂在控制信号的作用下轮流导通，电源电压为恒值，输出电压为交变方波电压。
它的输出电压幅值比半桥增加一倍。
方案比较与结论：
在具有相同的直流输入电压时，全桥式逆变电路的最大输出电压式半桥式逆变电路的两倍，也即对于相同的功率，输出电流与开关电流式半桥逆变电路的1/2，这在较大功率应用中可减少并联元件。
因此，逆变电路选用方案二来实现。
1．1．3控制部分
本设计要实现输出电压的频率和电压幅值均可调节，关键在于控制部分，控制部分主要是产生PWM和变频信号。
在产生PWM和变频信号时可以有多种选择方案，常见的有用单片机和FPGA/CPLD两种。
方案一：
用单片机来产生。
用单片机产生PWM和变频信号主要是利用它的定时计数器和中断系统，通过控制定时计数器的长短来改变输出脉冲信号的占空比和频率。
方案二：
用FPGA产生控制信号。
主要是利用分频器来改变输出信号的占空比和频率，可通过外部按钮发出计数脉冲来改变分频预置数，实现外部动作来控制FPGA的输出信号。
方案比较与结论：
通过比较，两种方案设计均比较简单，容易实现。
但是，单片机的频率受到限制不能适应高频率的场合，而且受外部的干扰影响较大，而用FPGA能克服这些缺点，此外，用FPGA操作起来也十分方便。
因此，在控制部分的方案采用第二种方案。
1．2总体设计与论证
总体设计的思路：
从电网引进220V的交流电，经一个单相桥式整流以及电容滤波电路后得到100V的直流电。
100V的直流电流进斩波电路，经斩波后得到一个电压幅值可调的直流电。
斩波电路的开关器件选用IGBT，IGBT的驱动电路由集成化专用IGBT驱动器EXB841组成，EXB841的PWM驱动输入信号由FPGA或单片机提供。
可调的直流电经逆变电路后得到的就是所需的频率和电压幅值均可调的交流电。
逆变电路采用全桥逆变电路，桥中的桥臂由四个MOSFET组成，MOSFET的驱动电路选用由TOSHIBA生产的能驱动两个MOSFET的TLP250，四个MOSFET需两个TLP250。
TLP250的输入信号由FPGA或单片机提供，FPGA或单片机产生的信号频率是可变化的，这样就能实现频率可调，因此，可调的直流电经逆变电路后频率也可调。
原理方框图如图1.2.1所示。
整流滤波
斩波（IGBT）
逆变（MOSFET）
220V100V可调DCf、V可调
驱动（TLP250）
驱动（EXB841）
PWM
变频
交流直流的交流电
FPGA/CPLD
图1.2.1原理方框图
第2章单元电路设计
2.1整流滤波电路
2.1.1电路的结构和原理
整流电路采用单相桥式整流电路，电路由整流桥堆构成，由于在本设计中整流滤波后要得到100V的直流电，因此，所选取的桥堆的耐压值要高一些。
滤波电路采用简单的电容滤波。
整流滤波电路如图2.1.1所示。
图2.1.1整流滤波电路图
2.1.2参数的计算与选取
为了安全、可靠，桥堆选取50A/600V的整流桥堆，滤波电容选取390uF/450V的电解电容。
2.2斩波变换电路
2.2.1电路的选择和原理
斩波变换电路采用降压斩波变换电路，该电路将产生一个低于输入电压Ud的平均输出电压Uo。
通过改变开关的占空比来改变输出电压的幅值大小。
本设计中的占空比的改变主要是利用FPGA来进行脉宽调制（PWM），然后将调制后的PWM信号输入到IGBT的驱动电路，从而来控制IGBT，最终实现占空比的改变。
图中的二极管为续流二极管，用来消除电感储能对开关造成的不利影响，并采用由电感L与电容C组成的低通滤波器以尽可能降低输出电压的波动。
它的电路图如图2.2.1所示。
图2.2.1斩波变换电路图
斩波变换电路中的开关器件S选用绝缘栅极双极晶体管IGBT（BUP304），它的驱动电路采用集成化IGBT专用驱动器EXB841。
EXB841的2脚接+20V电源，9脚接地，3脚驱动输出，5脚为过流保护输出，6脚为集电极电压监视，14、15脚为驱动信号输入，4、7、8、10、11脚不接。
IGBT的驱动电路及保护电路如图2.2.2所示。
图2.2.2IGBT的驱动电路及保护电路
保护电路的工作原理如下：
当过流保护输出脚5过流时，与5脚相连的光电耦合器TLP521-1马上导通，与门的2脚电平被拉低，从而关断PWM信号的输入，对IGBT形成保护作用。
降压斩波变换电路的工作波形如图2.2.3所示。
t
和t
的改变，输出电压U
也随着改变，但始终不会超过输入电压U
。
U
＝D×U
，D在0到1之间连续变化。
t
t
图2.2.3降压斩波变换电路的工作波形
2.2.2电路参数的计算和选取
（1）斩波变换电路：
L、C构成低通滤波电路，L的大小为100mH，C为330uF/400V的电解电容，二极管主要是起续流作用，在此电路中选1N4007，它的耐压值为1000V，电流为1A。
（2）IGBT驱动及保护电路：
IGBT的栅极所串接的电阻R7在3.3~5Ω之间。
根据资料，当IGBT为1200V时该电阻应取5Ω，当IGBT为600V时该电阻应取3.3Ω,而该设计中所选的IGBT（BUP304）为1000V，因此，为了IGBT的正常稳定工作，电阻选取阻值在3.3~5Ω之间的电阻。
EXB841的第6脚所接的快恢复二极管选择EAR34－10，它的参数位0.1A,1000V,0.15μS。
第5脚接一个光电耦合器TLP521，根据资料，与2脚相接的电阻为4.7K1/2W，1脚和9脚、2脚和9脚之间的电容C17、C18为47μF,该电容并非滤波电容，而是用来吸收输入电压波动的电容。
C2和C3为滤波电容，它们的大小分别为220uF/50V、100uF/50V。
根据资料，15脚的输入电流应为10mA，因此，当14脚接地时，输入的+15V电压经电阻R5、R4和14、15脚之间的发光二极管到地。
R6为上拉电阻，上拉电阻的大小一般要上K，在这里选为2K，R10为下拉电阻，选为470Ω。
这一部分的等效电路如图2.2.4所示。
图2.2.4等效电路图
根据电路图可计算出R6的阻值大小。
R10上的压降为3V，且R10为470Ω，因此根据I=U/R可的通过R10的电流为6.3mA，因此，忽略二极管上的压降可知，R6上的压降约为12V，从而可算出R6=12/6.3≈2KΩ,这样就确定了R6的阻值。
R5的阻值的确定。
流过R5的电流要求为10mA，所以，在忽略发光二极管的压降的条件下，就可根据R=U/I算出R=15/0.01=1.5KΩ。
为了使电流满足要求，在电路中加一个1K的可调电阻，这样R5就可确定为470Ω。
2.3逆变电路
逆变电路采用电压型全桥逆变电路。
桥中的各臂由功率场效应晶体管MOSFET并联一个二极管组成，MOSFET在驱动信号的作用下轮流导通，当VT1和VT3同时处于通态时，VT2和VT4处于断态。
电源电压为恒值，输出电压为交变方波电压，输出电压的频率由控制信号决定。
MOSFET的驱动选用日本TOSHIBA公司生产的TLP250，它的输入电流ＩF为5毫安（最大值），电源电压（Vcc）为10~35V，电流Icc为11毫安（最大），输出电流（Io）为±5A（最小）。
一个TLP250能同时驱动两个MOSFET，因此四个桥臂需要两片TLP250芯片。
TLP250的输入信号是一个频率可变化的信号，由FPGA产生，这样来改变输出信号的频率，达到变频的目的。
电压型全桥逆变电路以及MOSFET的驱动电路如图2.3.1所示。
图2.3.1逆变电路及MOSFET驱动电路图
2.4控制电路
控制电路主要是产生PWM和变频（SPWM）信号来控制输出电压的变化。
本设计中采用FPGA来完成这两个信号的产生。
通过外部的按钮改变分频系数预置值，从而来改变FPGA的输出信号的占空比和频率，最终来控制输出电压的频率和幅度。
PWM和变频部分的程序清单见附录1程序清单。
控制部分的框图如图2.4.1所示。
图2.4.1控制电路框图
2.5电源电路
由于各个芯片的电源电压不一样，因此设计时要一个单独的控制电源来给各芯片供电。
电路如图2.5.1所示。
该电源能提供+15V、+20V、+5V和10—35V可调的电压，能适应不同芯片和电路的需要。
为了避免产生振荡，滤波电容的大小是逐级减小的。
在设计时为了避免共地问题不当带来的影响，不同的驱动芯片的电源地要隔离。
图2.5.1电源电路图
第3章软件设计
本设计中的控制部分是由FPGA组成的，因此，采用可编程逻辑设计环境XilinxFoundationSeriesISE4.2i来进行设计。
ISE是Xilinx公司推出的EDA软件系统。
该系统是一个集成化环境，由项目导航工具（ProjectNavigator）、设计输入工具（Designentrytools）、逻辑综合工具（DesignSynthesis）、设计实现工具（DesignImplementationtools）、设计约束图形编辑接口（DesignconstraintsGraphicUserInterfaces）等组成的一个的软件平台。
具体实现方法步骤是：
1.VHDL设计输入：
主要是在将单元电路（如4位计数器）的VHDL描述程序写入到XilinxFoundationSeriesISE的文本编辑窗口中。
2.模块功能验证：
用HDLBencher生成4位计数器的测试向量，并且用Xilinx版的ModelSim对4位计数器进行行为功能仿真。
3.顶层电路逻辑图输入：
（1）先用以上建立的4位计数器模型生成电路逻辑符号
（2）新建顶层电路的逻辑图文件（3）调用以上建立的4位计数器（4）将符号连接起来（5）给连接线命名（6）生成总线（7）加入输入输出端口4.设计实现5.时序分析：
用HDLBencher工具生成顶层电路top.sch测试向量，并且用Xilinx版的ModelSim进行仿真。
第4章系统测试
4.1测试方法
由于本设计电路是模块化的，主要有整流、斩波、逆变三大模块，因此在进行测试时，采用先分模块测试，后整体测试的方法。
先将各个模块分离开单独测试，测试达到要求以后，再将每个模块连接起来，进行总体测试。
具体方法如下：
斩波电路：
在连接好电路后，将输入电压接到IGBT的集电极，在IGBT的发射极接一个电阻负载，PWM驱动控制信号加到EXB841的14、15脚。
接通电源，通过按键改变PWM信号的占空比，用示波器观察输出电压的波形，并用万用表测试电阻两端的电压，且记录每次的数据。
逆变电路：
在连接好电路后，将SPWM控制信号加到TLP250的输入端2、3脚之间，在全桥的输入端加入输入电压，输出端加一个电阻负载。
接通电源，改变SPWM信号的频率，用示波器观测负载两端的电压波形，并用万用表的交流档测量输出电压的大小。
总体电路：
将输入电压加到斩波电路的集电极，逆变电路的输入端接在斩波电路的负载两端，加入斩波、逆变电路的驱动信号。
在逆变电路的输出端接一个电阻负载，接通电源，观测电阻负载两端的电压。
分别改变驱动信号的占空比和频率，用示波器观察输出电压的变化，并用万用表测量输出电压，且记录每次的数据。
4.2测试仪器设备
直流稳压源、示波器、万用表、UT101数字万用表、DP-FPGA、微型步进电动机
4.3测试数据及结果
4.3.1斩波电路测试数据
占空比（%）
实测输出电压值（V）
理论输出电压值（V）
0
0.01
0.00
1
0.16
0.15
10
1.49
1.50
20
2.94
3.00
30
4.41
4.50
40
5.87
6.00
50
7.34
7.50
60
8.80
9.00
70
10.27
10.50
80
11.73
12.00
90
13.19
13.50
100
14.63
15.00
说明：
输入电压为15V，用万用表测量输出两端的电压（平均电压）。
4.3.2逆变电路测试数据
输入信号频率（KHz）
实测输出电压周期（μS）
理论输出电压周期（μS）
1.01
980.0
990.0
2.05
498.0
487.8
3.01
337.0
332.2
4.02
248.0
248.7
5.01
202.0
199.6
6.02
167.0
166.1
7.00
142.0
142.9
8.02
122.0
124.7
9.00
111.0
111.1
10.03
100.5
99.7
15.03
66.4
66.5
20.00
49.3
50.0
25.00
39.5
40.0
说明：
测试数据是用示波器测出的周期值，理论值为输入频率的倒数，输入电压为15V，占空比为55%，输出电压8.3V。
4.3.3总体电路测试数据
50.0KHz
38.1KHz
30.8KHz
25.8KHz
15.7KHz
5.7KHz
0%
0.38V
0.32V
0.29V
0.27V
0.22V
0.13V
20%
3.35V
2.58V
2.90V
2.60V
2.65V
2.61V
40%
6.00V
5.07V
5.66V
5.04V
5.16V
5.02V
60%
8.38V
7.49V
8.18V
7.49V
7.60V
7.55V
80%
10.62V
9.74V
10.52V
9.72V
9.88V
9.66V
100%
12.01V
11.93V
11.83V
11.79V
11.68V
11.74V
说明：
输入的直流电压为18.58V,斩波控制信号的频率为2KHz。
表中D代表输入的PWM信号的占空比，f代表输入的SPWM信号的频率，U代表电路最后的输出电压。
表中的输出电压值是用万用表交流电压档测量逆变电路输出端电压所得的值。
第5章设计总结
5.1测试数据和测试结果的分析
1．斩波数据分析
斩波数据曲线图如图5.1.1所示。
直线为理论值曲线，‘x’为实际测量的数据。
由曲线图可知，实际测量的数据与理论值的偏差很小，几乎接近。
因此本设计的斩波电路调压达到了设计要求。
图5.1.1斩波数据曲线图
2.逆变数据分析
逆变数据曲线图如图5.1.2所示。
图中直线为理论值曲线，‘x’为实际测量的数据点。
由曲线图可知，实际测量的数据与理论值基本相符，偏差极小。
因此，本设计的逆变电路的调频功能达到了设计要求。
图5.1.2逆变数据曲线图
5.2设计结论与总结
从单元电路以及总体电路的测试数据可看出，当频率变化时，在占空比不变的前提下，输出电压的幅值基本不变，而输出电压的频率要改变。
当频率不变时，改变占空比，输出电压的频率不变，但输出电压的幅值要随着占空比的改变而变化。
因此，本设计达到了设计要求，很好的实现了要求的功能。
参考文献
1．张立.现代电力电子技术基础[M].北京：
高等教育出版社，1999.10第一版.
2．潘松，黄继业.EDA技术实用教程[M].北京：
科学出版社，2002.10第一版.
3．姚福安.电子电路设计与实践[M].济南：
山东科学技术出版社，2002.7第一版.
4．《集成化IGBT专用驱动器EXB841》.http:
//www.china-
5．《富士混合IC驱动器EXB850/EXB851/EXB840/EXB841使用说明》.
6．李宏.电力电子设备用器件与集成电路应用指南，第1册，电力半导体器件及其驱动集成电路[M].北京：
机械工业出版社，2001.6第一版.
7．DK16自关断电力电子器件实验箱使用指导书.第一章.第5页.
附录
附录1程序清单
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
功能说明：
本程序是为可调幅、调频开关电源服务的,用于产生对开关电源的控制信号.其内部分为三个模块，即：
pwm模块、spwm模块以及顶层模块,其中pwm模块是用来产
升级会员 