斩控式单相交流调压电路设计.doc

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：斩控式单相交流调压电路设计专业班级： 自动化0681 学生姓名： 刘 培 学号： 12 指导老师： 刘星平 赵葵银 审 批： 李晓秀 任务书下达日期 2009 年 5 月18日设计完成日期 2009 年 6 月12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） 控制电路参数确定二 设计要求：1 设计思路清晰，给出整体设计框图；2 单元电路设计，给出具体设计思路和电路；3 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。4 绘制总电路图5 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%）、0200V（AC）2） 最大输出电流：20A3） 功率因数：0.72. 可提供实验说明书格式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 参 考 文 献1石玉，栗书贤电力电子技术题例与电路设计指导机械工业出版社，1998 2王兆安，黄俊电力电子技术（第4版）机械工业出版社，20003浣喜明，姚为正电力电子技术高等教育出版社，20004莫正康电力电子技术应用（第3版）机械工业出版社，20005郑琼林，耿学文电力电子电路精选机械工业出版社，19966刘定建，朱丹霞实用晶闸管电路大全机械工业出版社，19967刘祖润，胡俊达毕业设计指导机械工业出版社，19958刘星平电力电子技术及电力拖动自动控制系统校内，1999目录第1章 概述11.1 课题来源11.2 解决方法11.3 优势2第2章 系统总体方案确定111 2.1 设计总体思路2.2 基本工作原理2.3 框图第3章 主电路设计111 3.1 主电路 3.2 主电路图第4章 单元控制电路设计111 4.1 控制及驱动电路 4.2 输入欠电压电路 4.3 输出限流电路4.4 输入过压电路4.5 过零检测及续流触发电路4.6 谐波分析第5章 故障分析与电路改进、实验及仿真111第6章 总结与体会111第1章 概述1.1 课题来源单相交流电源的应用是非常广泛的。比如在农村、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。对于单相交流电源，调压和稳压是最为普遍的要求。目前能够实现这一要求的调压器有下面三种：1)磁饱和式调压器 该调压器通过控制主电路中电感的饱和程度，以改变电抗值以及其上的电压，实现对输出电压的调节。这种调压器具有一定的动态性能，但输出电压的调节范围小，体积和重量较大。 2)机械式调压器 机械式调压器由电动机带动碳刷实现输出电压的调节。这种调压器输出波形较好，但体积、重量大，动态性能差。3)电子式调压器 这种调压器采用电力电子器件实现。目前有晶闸管调压器和逆变式调压器两种。晶闸管调压器采用的是相控方式，因此其输出波形差；逆变式调压器采用的是斩波控制方式，其输出波形和动态响应较好。从上面可知，逆变式电子调压器具有最好的性能。逆变式电子调压器的结构不仅具有调压、稳压的能力，而且还可以实现频率的变换。它是通过AC/DC/AC变换实现的。具有中间直流环节和储能电容，不过，变换效率低是它的不足。1.2 解决方法随着现代电力电子技术的发展，单相电源变换技术也有了很大的进步，先后出现了多种利用全控器件的交交直接变换方案。本文基于矩阵式变换理论，提出一种矩阵式单相电源变换电路，该电路只使用两个双向开关管，可以实现输出电压连续可调及获得高正弦度的输入电流波形。采用单相单相矩阵式电力变换。通过一组开关函数可以将输入的工频交流电压转换成幅值和频率均可调的单向交流电压。1.3 优势本文提出采用MOSFET的斩波式交流调压器。使该调压器具有调节方便、动态响应快、对电网谐波污染小、装置功率因数较高等优点。用于交流电压的调节和控制，有更好的性能和应用前景。第2章 系统总体方案确定2.1 设计总体思路交流-交流变流电路，是将一种形式的交流电变成另一种形式的交流电，在进行交流-交流变流时，可以改变电压、电流、频率和相位等参数。只改变相位而不改变交流电频率的控制，在交流电力控制中称为交流调压。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,这种方式称为脉冲宽度调制（PWM调制），也可以是开关导通时间Ton不变，改变开关周期T，称为频率调制，还有一种混合型，就是Ton，和T都可调。实验室提供的是PWM调制，通过调节开关导通的时间，即调节占空比，就可以对输出电压的平均值进行调节。2.2 基本工作原理交流斩波调压的原理波形如图2-1所示。由图可知，它是用一组频率恒定、占空比可调的脉冲，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。其工作原理为：利用可调占空比的PWM脉冲波驱动Q3，将等宽的电源脉冲电压施加到变压器的原边，同时利用过零信号驱动Q1和Q2，实现变压器的原边电流续流。只要输出滤波器参数设计合理，就可以得到高正弦度的输出电压波形，开关频率越高效果越好。这种变换器的设计难点在于双向可控开关Q1与Q2之间的是否能够安全切换。因为开关并非理想特性，在二者之间换流时存在电源直通与变压器原边开路的可能性，而这两点是不期望的。为此必须在二者切换时采取安全换流策略。只需要利用电压传感器准确快速地检测电源电压极性来确定扇区，而不需要电流传感器检测变压器原边电流的极性。当然，传感器要有良好的线性度、快速性和光电隔离，由于电源电压很稳定，其过零点的检测比较准确可靠。扇区之间的切换不需要特别考虑，因为切换点只出现在电源电压过零点，切换时只要保证变压器原边续流路径即可。 图2-1 交流斩波调压原理波形2.3 总框图图2-2 总框图 第3章 主电路设计3.1 主电路主回路由QlQ3和D1D3组成的全控整流电路实现对交流输入电压的轿波调压。当交流输入电压正半周时电流流经VD1、Q3、VD3；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，在电压正半周 ，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、Q 2、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。3.2 主电路图图3-1 主电路图其中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。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。因为输入电压为220V的交流电，选用耐压值为500V的开关管IRFP450LC，二极管采用快速恢复二极管，C1取0.47uF,其余的选用0.01 uF,电感,电阻未定。第4章 单元控制电路设计4.1 控制及驱动电路控制电路是由UC3879芯片来产生PWM波。移相控制器UC3879集成了全部必要的控制、解码、保护及驱动功能，可独立编程控制时间的延迟，在每只输出级开关管导通前提供死区时间，为每个谐振开关区间里实现ZVS留有余地，总的输出开关频率可达300kHz，保护功能包含欠压锁定、过流保护。控制及驱动如电路图所示，欠压锁定电平根据UVSEL端状态选定，有两个预定义的阈值：若UVSEL端浮动，则芯片在电源电压超过15.25V启动；若UVSPL端接VIN端，则在10.75V时启动。采用电压控制型输出，CT信号直接反馈到RAMP端，CT端与地之间接一电容，用以选择所需的开关频率。RT端与地之间接一可调电阻用以改变输出占空比。VREF通过一电容接地更好的保证效果。SS脚与地之间接一电容设置软启动时间。CS端接到芯片的输入过压、欠压保护电路。COMP端接到输出限流保护电路。OUTA接驱动接输至SQ3。接至Q3图3-2 控制及驱动电路根据设计要求输出电压为0160V，暂取最大占空比为Dmax=100% 。因为RT=2. 5/10mA(1-Dmax)。所以取RT=0100 k 。通过调节RT的大小来改变占空比的大小，从而控制输出电压的大小。电路的开关频率定为300KHZ，由CT=Dmax/1.08RTf，取CT=30pF。UC3879管脚及内部结构如下：图3-3 UC3879内部结构框图UC3879各管脚功能简介：VREF端：内部5V高精度基准电压源的输出端。其内部设置有短路保护极限值，当输入电源电压VIN低于欠压封锁门限时，内部5V高精度基准电压源将失去稳压功能而无输出。当内部5V高精度基准电压源低于输出而未达到4.75V时,整个芯片的所有功能都将被关闭。另外，在构成应用电路时，为了消除芯片内部的高频干扰而获得最佳的稳压效果，该端到信号地之间应该外接一个等效串联和等效串联电感都很小的的容量为0. 1uF滤波电容。COMP端：误差放大器的输出端。该端可以作为整个系统反馈控制的增益级输出端，误差放大器的输出电压在0. 9V以下时就会导致零相移。由于误差放大器具有一个相对低的电流驱动能力，因此误差放大器可以等效为一个阻抗非常低的电流源。EA-端：误差放大器的反相输入端。正常工作时，该端应该连接到输入电源电压VIN端和信号地之间的一个分压器上，该分压器主要用来检测输入电源电压VIN的高低。另外，由外接元器件构成的补偿环路应连接到该端与COMP端之间。CS端：过流信号检测端。该端为芯片内部两个电流故障比较器的正相输入端，该比较器的基准电压由芯片内部设置为固定的2.0V和2.5V。当该端的电压超过2.0V，并且误差放大器的相移被限制在一个最基本的周期内。当该端的电压超过2.5V时，电流触发器将被触发，输出被关断，一个软启动周期开始。如果一个2.5V以上的恒定电压被施加到该端，输出将失去所有的功能而被关断为低电平。当该端的电压一起保持在2.5V以下时，SS的电压开始上升，紧接着输出便会以零度的相移开始工作，从而达到不过早将能量释放给负载的条件。DELSET A-B（C-D）端：输出死区控制端。在同一桥臂的一对开关管关断和开通期间设置延时时间。在该引脚与信号地之间并接一个电阻和电容，就可以设置不同的死区时间。SS端：软启动端。在该端与地之间连接一电容。可设置软启动时间。当VIN脚的电压低于UVLO门限电压，该脚的电压保持为零电压。当VIN和VREF有效时，该脚电压由内部9uA电流源拉升到4. 8V。当电流检测端电压超过2. 5V时，该脚电压也为零。OUTAOUTK端：四个输出脚都是图腾柱输出，提供100mA的驱动电流，可以直接驱动场效应管。每对中的两个输出占空比为50%。A-B对用心驱动全桥电路的一个桥臂的开管，并且由时钟信号同步。C-D对则驱动全桥电路的另一个桥臂的两个开关管，它们相对开A-B对输出信号有移相角。VC端：输出级电源电压。为输出级及其相关的偏置电路提供电源。在该脚与电源地PWRGND之间应接一个低ESR/ESL电容器。VIN端：信号电压。为芯片内部逻辑与模拟提供电源。正常工作时应在该脚接入一稳定的12V电压。为了确保工作正常，在VIN低于UVLO开启电压时，芯片不工作。在该脚与GND之间连接一低ESR/ESL电容器。注意：当VIN超过UVLO开户电压时，注入该脚的电流由100uF跳到20mA以上。如果UC3879不连接一旁路电容，它可能会立即进入UVLO状态。所以，为了保证能可靠地启动，应接一个足够大的旁路电容。PWRGND端：电源地。在电源VC脚和PWRGND脚间接一旁路陶瓷电容。可将PWRGND与GND连接于一点，以减少噪声干扰和减少直流压降。CT端：振荡频率设置端。当选择好RT以确定最大占空比后，为了用下式确定电容CT以选择所需的开关频率：CT=Dmax/1.08RTf.在该脚与信号地之间接一高质量、低ESL和ESR的陶瓷电容。为了保证较高的精度和减少寄生分布的影响，该电容值不能低于200uF，PWM控制信号的频率最高可达到600kHZ。式中f为所需的开关频率。UVSEL端：UVLO开户电平设置。该脚与VIN相连可设置有1.5V之UVLO迟滞的10. 75V开户电压；如果将该脚开路，则设置有6V这UVLO迟滞的15.25VCLKSYNC端：双向时钟和同步。该脚作输出时，输出一时钟信号：作输入时，为同步信号引入端。当多片振荡频率不同的UC3879的CLKSYNC端相连时，它们将同步在其中的最高频率上。RT端：时钟信号/同步信号占空比设置脚。UC3879振荡产生一个锯齿波。锯齿波的上升边由连接在RT与GND之间的电阻和连接在CT与GND之间的电容来决定。锯齿波的下降边由输出死区时间表决定。电阻RT选择由所需的最大占空比决定：RT=2. 5/10mA(1-Dmax).RT可在2. 5k与100k之间选，Dmax为输出最大占空比。RAMP端：锯齿波电压端。是PWM比较器的输入脚。如果是电压控制模式，则将它连接到CT脚；如果是电流控制模式，则将它连接到CS端，同时将它连接到电流检测电路的输出端。GND端：信号地。所有电压老师相对于GND测量的，定时电容CT参考电压Uref和输入信号电压Uin的滤波电容都应该直接接于GND。4.2 输入欠电压电路到电流检测端Vin输入图3-4 输入欠压保护电路如图3-4所示，输入电压经过分压后送到比较器的反相端，比较器的同相端接给定电压。输入欠压时，比较器输出高电平。通过二极管接到UC3879的电流检测端CS，使UC3879的输出全部关断。4.3 输出限流电路到COMP端 图3-5 输出限流电路 为了防止输出电流超过额定电流，控制电路中设置了输出限流电路，如上图所示，该电路采用PI调节器。5V基准电压经电位器RV2分压后作为输出电流限制值给定。输出电流由磁环构成的电流互感器T201检测。4.4 输入过压电路VIN端到电流检测端图3-6 输入过压保护电路同输入欠压一样，当发生输入过压时，比较器输出高电平。经二极管接到同输入欠压电路一样，当发生过压时，比较器输出高电平，通过二极管接至CS端，关断所有输出。总电路中，输入欠压、过压经与非门“或”后，再接到CS端，当任一故障发生时，都可以进行保护。4.5 过零检测及续流触发电路如图3-7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MOSFET管控制端。为了防止Q1、Q2两个同时开通，我们采用了互锁，就是说Q1、Q2管图3-7过零检测及续流触发电路Q1、Q2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。4.6 谐波分析于是感性负载，又不能像直流斩波那样加续流回路，所以要给IGBT加开通和关断缓冲电路。高频交流开关控制采用了EPWM直流等电位调制技术。为使波形半波奇对称和四分之一偶对称，以消除付里叶级数中的余弦项和偶次谐波，使载波比为三角波频率，为市电工频；调制为脉冲宽度，为三角波周期、为三角波幅值、为输出电压的偏差、三角波电压的方程式为： 输出电压偏差为采样电压，触发脉冲起点和终点的方程式为： 脉冲宽度式中，各触发脉冲的起点角和终点角的数值为： 由于PWM斩波波形是镜对称和原点对称，因此它的付里叶级数中将只包含正弦项中的奇次谐波，即： 为奇数 经计算，当时( 当时，对于基波， 由以上式可知，N越大谐波频率越高。采用很小的LC滤波器就可以滤掉中的所有高次谐波。第4章 实验及仿真四、实验内容(1)控制电路波形观察。(2)交流调压性能测试。五、思考题(1)比较斩控式交流调压电路与相控交流调压电路的调压原理、特征及其功率因数？(2)采用何种方式可提高斩控式交流调压电路输出电压的稳定度？(3)对斩控式交流调压电路的输出电压波形作谐波分析？六、实验方法由于主电路的电源必须与控制信号保持同步，因此主电路的电源不需要外部接入。但是为了能同时观察两路控制信号之间的相位关系，主电路的开关K是串接在电源开关之后的。在观察控制信号时将开关打在断状态。(1)控制电路波形观察断开开关K，使主电路不得电，接通电源开关，用双踪示波器观察控制电路的波形，并记录参数。测量控制信号V1与V4、V2与V3之间的死区时间。(2)交流调压性能测试接入电阻负载（220V/25W的白炽灯），接通开关K，调节PWM占空比调节电位器，改变导通比，（即改变Ur值）使负载电压由小增大，记录输出电压的波形，并测量输出电压。Ur(V)UO (V)接入电阻、电感性负载，（即与白炽灯串接一个电感作为负载）重复上述实验步骤。七、实验报告在方格纸上画出控制信号与不同负载下的输出电压波形并分析。八、注意事项双踪示波器有两个探头，可同时测量两路信号，但这两探头的地线都与示波器的外壳相连，所以两个探头的地线不能同时接在同一电路的不同电位的两个点上，否则这两点会通过示波器外壳发生电气短路。为此，为了保证测量的顺利进行，可将其中一根探头的地线取下或外包绝缘，只使用其中一路的地线，这样从根本上解决了这个问题。当需要同时观察两个信号时，必须在被测电路上找到这两个信号的公共点，将探头的