电子技术课程设计斩控式单相交流调压电路设计.doc

目 录-第1章 概述.2 1.1 交流调压在生活生产中的应.2 1.2 关于单相调压器.2 1.3 关于本课题.3第2章 系统总方案的设计.4 2.1 基本工作原理.4 2.2总体方案的确定.5第3章 主电路的总体设计.6 3.1 设计总体思路.6 3.2 主电路的设计.6 3.3 主电路的保护电路设计.7 3.4 主电路元件的选型.9第4章 控制及驱动电路设计.10 4.1驱动电路设计.10第5章 保护电路及设计.11 5.1 过零检测及续流触发电路.11 5.2控制电路的保护设计.12第6章 主控制芯片的详细说明.136.1主控制芯片的选择及介绍.136.2 SG3525引脚功能及特点简介.136.3 芯片的工作原理.15第7章 总结与体会.17附录A 参考文献.18电气信息学院课程设计评分表.19总电路图.20第1章 概述1.1 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。1.2 关于单相调压器对于单相交流电源，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：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。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。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。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。1.3 关于本课题 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。 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。 本文提出采用ICBT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 系统总方案的设计2.1 基本工作原理斩控式交流调压主电路原理如图2-1所示。图2-1 斩控式交流调压主电路原理图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=ton/T，和直流斩波电路一样，通过对的调节可以调节输出电压U0。2.2总体方案的确定在本设计中要求：输入电压：单相（AC）220（1+15%），输出电压0150V（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，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2.2所示。主电 路单相交流电源负载保护电路 控制电路 图2.2 总电路框图第3章 主电路的总体设计3.1 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。3.2 主电路的设计(protel 环境) 在考虑到减少电路误差的情况下，我们采用了如图3-所示的主电路，主回路由QlQ3三个VMOSFET管和D1D3三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VMOSFET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，3-1 主电路图-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、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VMOSFET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。3.3主电路的保护电路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 图3.2主电路保护设计路，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。主电路的保护分为两大类：第一类是芯片内部的保护电路。上面的主电路图设计中，在开关器件Q3的触发控制电路中将提供过流保在后面的控制电路中将会涉及到。第二类是外部保护电路，主要包括过流保护装置（如保险管、自恢复保险丝、熔断电阻器等）、启动限流保护电路、漏极钳位保护电路（或R、C、VD型吸收电路）、输入欠压保护电路、输入过压保护电路。本次外部电路过压保护的设计采用接触器的方式，具体电路如3.2图所示。 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。3.4主电路元件的选型开关管选用VMOSFET。它是继MOSFET之后新发展起来的高效、功率开关器件。它不仅继承了MOS场效应管输入阻抗高（108W）、驱动电流小（左右0.1A左右）， 还具有耐压高（最高可耐压1200V）、工作电流大（1.5A100A）、输出功率高（1250W）、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。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 控制及驱动电路设计4.1驱动电路设计采用自关断器件的单相交流调压电路和采用传统的可控硅组成的调压电路相比，具有功率因数高、电网污染少、波形畸变小等优点。其原理图如图4-1。 接Q3图4-110号管脚接电流取样端。第5章 保护电路及设计5.1 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,但图5.1过零检测及续流触发电路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VMOSFET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。5.2控制电路的保护设计 为了防止电路的过电压，在控制电路中，我设计了一保护电路如5-2所示。在电路的输出端用一变压器进行降压，然后再用整流桥使之变图5-2直流电，输出电压与比较器上设定+5V电压相比较。第6章 主控制芯片的详细说明6.1主控制芯片的选择及介绍6.1.1 芯片的选择 本次课程设计由芯片SG3525产生脉冲，来控制MOSFET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。6.1.2 芯片的详细介绍随着电能变换技术的发展，功率MOSFET在开关变换器中开始广泛使用，为此美国硅通用半导体公司（Silicon General）推出SG3525。SG3525是用于驱动N沟道功率MOSFET。其产品一推出就受到广泛好评。SG3525系列PWM控制器分军品、工业品、民品三个等级。下面我们对SG3525特点、引脚功能、电气参数、工作原理以及典型应用进行介绍。 SG3525是电流控制型PWM控制器，所谓电流控制型脉宽调制器是按照接反馈电流来调节脉宽的。在脉宽比较器的输入端直接用流过输出电感线圈的信号与误差放大器输出信号进行比较，从而调节占空比使输出的电感峰值电流跟随误差电压变化而变化。由于结构上有电压环和电流环双环系统，因此，无论开关电源的电压调整率、负载调整率和瞬态响应特性都有提高，是目前比较理想的新型控制器。 6.2 SG3525引脚功能及特点简介 如图4.13 1.Inv.input(引脚1)：误差放大器反向输入端。在闭环系统中，该引脚接反馈信号。在开环系统中，该端与补偿信号输入端（引脚9）相连，可构成跟随器。 2.Noninv.input(引脚2)：误差放大器同向输入端。在闭环系统和开环系统中，该端接给定信号。根据需要，在该端与补偿信号输入端（引脚9）之间接入不同类型的反馈网络，可以构成比例、比例积分和积分等类型的调节器。 3.Sync(引脚3)：振荡器外接同步信号输入端。该端接外部同步脉冲信号可实现与外电路同步。 4.OSC.Output(引脚4)：振荡器输出端。 5.CT(引脚5)：振荡器定时电容接入端。 6.RT（引脚6）：振荡器定时电阻接入端。 7.Discharge(引脚7)：振荡器放电端。该端与引脚5之间外接一只放电电阻，构成放电回路。 8.Soft-Start(引脚8)：软启动电容接入端。该端通常接一只5 的软启动电容。 9.Compensation(引脚9)：PWM比较器补偿信号输入端。在该端与引脚2之间接入不同类型的反馈网络，可以构成比例、比例积分和积分等类型调节器。 10.Shutdown(引脚10)：外部关断信号输入端。该端接高电平时控制器输出被禁止。该端可与保护电路相连，以实现故障保护。 11.Output A（引脚11）：输出端A。引脚11和引脚14是两路互补输出端。 12.Ground(引脚12)：信号地。 13.Vc(引脚13)：输出级偏置电压接入端。 14.Output B（引脚14）：输出端B。引脚14和引脚11是两路互补输出端。 15.Vcc（引脚15）：偏置电源接入端。 16.Vref(引脚16)：基准电源输出端。该端可输出一温度稳定性极好的基准电压。 特点如下： （1）工作电压范围宽：835V。 （2）5.1（1 1.0%）V微调基准电源。 （3）振荡器工作频率范围宽：100Hz400KHz. （4）具有振荡器外部同步功能。 （5）死区时间可调。 （6）内置软启动电路。 （7）具有输入欠电压锁定功能。 （8）具有PWM琐存功能，禁止多脉冲。 （9）逐个脉冲关断。 （10）双路输出（灌电流/拉电流）： mA(峰值)。6.3 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P