UC3842斩控式单相交流调压电路.docx

1、UC3842斩控式单相交流调压电路 课 程 设 计 说 明 书题 目 UC3842斩控式单相交流调压电路 （院）系 专业 班级 学号 学生姓名 指导老师姓名 完成日期 湖南工程学院课程设计任务书 课程名称： 电力电子技术 题 目：UC3842斩控式单相交流调压电路 专业班级： 学生姓名： 学号： 指导老师： 审 批： 任务书下达日期 2011年 06月 13日设计完成日期 2011年 06月 24日 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

2、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UC3842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

3、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%）、0160V（AC）2） 最大输出电流：200A3） 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；11、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

4、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 第一章 设计总体思路1.1 交流斩波调压的基本原理1.2 交流斩波调压的框图第二章 单元电路设计2.1 主电路2.2 反馈电路2.2.1 封装2.2.2 主要参数 2.2.3 光耦采用PC8172.3 过零检测电路2.4 控制电路第三章 故障分析与电路改进、实验及仿真第四章 总结与体会附录 完整的原理图参考文献第一章 设计总体思路交流调压的控制方式有三种：整周波通断控制 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。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

5、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1.1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。但它也存在一些缺点那就是：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奇数次谐波，这些谐波引起电网电压变化，造成对电网的污染。 图1.1 整周波控制的电压波形相位控制。相位控制调压 利用控制触发滞后角的方法,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。在有效移相范围内改变触发滞后角，即能改变输出电

6、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1.2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。图1.2相位控制的电压波形斩波控制。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1.3为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

7、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，输出电压中会产生谐波。当斩波频率较低时，谐波含量较多，对负载产生不良的影响。将斩波信号与电源电压锁相，可消除谐波。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。 图1.3 斩波控制交流

8、调压电路的输出波形斩波控制方式时，晶闸管要带有强迫关断电路或采用IGBT、MOSFET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。本课程设计采用斩控式单相交流调压方案。 图1.4 斩控式交流调压电路原理图 斩控式交流调压电路的原理图如图1.4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。在图1.4斩控式交流调压电路流电源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

9、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1.4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，通过傅里叶级数分析可知，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。交流经过滤波后电流经过主电路由Q1、Q2、Q3组成。D1和Q2以及Q1和D2是用来实现电流续流的。当在电流的正半周的时候Q2导通，然后通过D1续流。当在负半周的时

10、候就可以实现续流功能。Q3是用于调节电流的开通和断开的也就是UC3842所产生的PWM波形是在Q3上体现出来的。通过调节占空比使输出电压降低，以实现调压的目的。但是为了实现实时的控制电压的输出故采用闭环控制，在输出端接有变压器和整流电路，再通过电阻的分压给TL431提供一个电压，然后和内部的参考电压2.5V进行比较，以控制光偶的发光二极管的发光，光耦是实现电路的隔离。UC3842的2脚是反馈电压输入端，此脚电压与误差放大器同相端的2.5V 基准电压进行比较，产生误差电压，从而控制脉冲宽度。1.1 交流斩波调压的基本原理交流斩波调压的原理波形如图1.5所示。由图可知，它是用一组频率恒定、占空比可

11、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1.5 交流斩控调压的原理波形图1.2 交流斩波调压的框图 图1.6 总框图第二章 单元电路设计2.1 主电路220V的交流通过插座J1、J2输入电路。为了是电路在安全值之内工作故首先电流经过一个保险丝。然后经过C1和L1和L2共模扼流线圈进行滤波以消除电网带来的影响。交流经过滤波后电流经过主电路由Q1、Q2、Q3组成。D1和Q2以及Q1和D2是用来实现电流续流的。当在电

12、流的正半周的时候Q2导通，然后通过D1续流。当在负半周的时候就可以实现续流功能。R1、C2、D3、D4、C4、R7是用保护MOSFET的，作为吸收电路。当Q3出于关断的时候将Q1、Q2根据是在交流的的正半周还是负半周将Q2或Q1导通。 图2.1 主电路2.2 反馈电路TL431是一个有良好的热稳定性能的三端可调分流基准源。他的输出电压用两个电阻就可以任意的设置到从Verf（2.5V）到36V范围内的任何值。该器件的典型动态阻抗为0.2，在很多应用中用它代替齐纳二极管，例如，数字电压表，运放电路，可调压电源，开关电源等。 2.2.1 封装图2.2 TL431的封装和引脚分布TL431是一种并联稳

13、压集成电路。因其性能好、价格低，因此广泛应用在各种电源电路中。其封装形式与塑封三极管9013等相同，如图2.2（a）所示。同类产品还有图2.2（b）所示的双直插外形的。 2.2.2 主要参数三端可调分流基准源 可编程输出电压:2.5V36V 电压参考误差：0.4 ，典型值25（TL431B） 低动态输出阻抗:0.22(典型值) 等效全范围温度系数：50 ppm/（典型值） 温度补偿操作全额定工作温度范围 稳压值送从2.5-36V连续可调， 参考电压原误差+-1.0%， 低动态输出电阻， 典型值为0.22欧姆， 输出电流1.0-100毫安。 全温度范围内温度特性平坦， 典型值为50ppm， 低输

14、出电压噪声。 封装：TO-92,PDIP-8,Micro-8，SOIC-8,SOT-23 最大输入电压为37V 最大工作电流150mA 内基准电压为2.5V 输出电压范围为2.536V 应用领域: 电源内部结构 图2.3 TL431的内部结构TL431的具体功能可以用图2.3的功能模块示意。由图可以看到，VI是一个内部的2.5V的基准源，接在运放的反向输入端。由运放的特性可知，只有当REF端（同向端）的电压非常接近VI（2.5V）时，三极管中才会有一个稳定的非饱和电流通过，而且随着REF端电压的微小变化，通过三极管图1的电流将从1到100mA变化。当然，该图绝不是TL431的实际内部结构，但可

15、用于分析理解电路。 2.2.3 光耦采用PC817图2.4 PC817的结构图1、基本信息品处理信号：数字信号 制作工艺：半导体集成 导电类型：双极型 集成程度：小规模 规格尺寸：231（mm） 工作温度：-4085（） 静态功耗：3（） 2、主要特点PC817光电耦合器广泛用在电脑终端机，可控硅系统设备，测量仪器，影印机，自动售票，家用电器，如风扇，加热器等电路之间的信号传输，使之前端与负载完全隔离，目的在于增加安全性，减小电路干扰，简化电路设计。 1.电流传输比 (CTR: MIN. 50% at IF=5mA ,VCE=5V) 2.高隔离电压:5000V有效值 3.紧凑型双列直插封装,PC817为单通道光耦,PC827为双通光光耦,PC837为三通道,PC847为四通