基于SG3525斩控式单相交流调压电路设计 .doc

目 录第1章 概述21.1 交流调压电路的实际工程意义21.2单相交流调压技术的前景4第章设计总体思路52.1 系统总体方案确定52.2 交流斩波调压的基本原理9第3章 主电路设计与分析113.1主要技术条件及要求113.2 开关器件的选择113.2.1开关管IGBT的选择113.2.2续流二极管的选择113.2.3具体参数计算123.3 主电路结构设计133.5 主电路保护设计14第4章 控制及驱动电路设计164.1主控制芯片的详细说明164.1.1芯片的选择164.1.2芯片的详细介绍164.1.3 芯片的工作原理184.2 驱动电路设计19第5章 保护电路及设计215.1 过零检测及续流触发电路215.2 输出限流电路225.3输入过压电路225.4 结果分析23第6章 总结与体会26附 录27参考文献28第1章 概述1.1 交流调压电路的实际工程意义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。在工业生产及日用电气设备中，有不少交流供电的设备采用控制交流电压来调节设备的工作状态，如加热炉的温度、电源亮度、小型交流电机的转速等。这样就需要设计一种交流调压电路来控制，其基本原理是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。在每一个周波内通过对晶闸管开通相位的控制，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。用在电热控制、交流电动机速度控制、灯光控制和交流稳压器等场合。采用晶闸管作为开关元件的典型单相交流调压电路如图1所示。常用通断控制或相位控制方法来调节输出电压。交流调压电路也广泛用于灯光控制（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。在供用电系统中，这种电路还常用于对无功功率的连续调节。此外，在高压小电流或低压大电流中，也常采用交流调压电路调节变压器一次电压。如采用晶闸管相控整流电路，高电压小电流可控直流电源就需要很多晶闸管串联，同时，低电压大电流直流电源需要很多晶闸管并联。这都是十分不合理的。采用交流调压电路在变压器一次侧调压，其电压电流值都不太大也不太小，在变压器二次侧只要用二极管整流就可以了。这样的电路体积小、成本低、易于设计制造。1.2 单相交流调压技术的前景随着现代电力电子技术的发展，单相交流调压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。大多数传统的相控式调压器，采用的开关器件为晶阐管。它们的优点是控制电路简单、功率容量大，缺点是：当控制角增大时，功率因数减小，电流中的谐波的幅值相对大，滤波器的体积大。采用PWM型斩控式交流调压器可以克服上述缺点，在PWM控制模式中，开关模式是互补的，且当两个开关均断开时，需要提供一个续流回路。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章设计总体思路2.1 系统总体方案确定交流-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。 交流斩波调压原理波形本次课程设计所用的斩控式单相交流调压电路的结构框图如图6所示，首先是交流输入电压为220V，经滤波后用全控型开关器件进行斩波，输出电压为50200 V，然后在其输出取样电流，进行过压检测保护。时钟震荡器及脉宽PWM调制均由芯片形成控制部分。2.3 结构框图 电路的结构框图第3章 主电路设计与分析3.1主要技术条件及要求要求用斩波控制的方式实现单相交流调压，功率因数好，谐波小，输出的波形要好。输入电压是交流220V，输出电压要求是50200 V，最大输出电流为20A，功率因数大于或等于0.7。能同时实现电压电流的检测及过压过流等一些故障的保护。3.2 开关器件的选择3.2.1开关管IGBT的选择开关管IGBT的耐压值，当开关管截止时，续流二极管导通，稳压电源的全部输入电压都加在开关管的集射极间，因此，开关管的耐压值VCBO必须大于交流电路的输出电压Uwi，考虑到其他因素的影响，开关管集射级间电压U按下式选取： 当开关管导通时，负载电流及电容充电电流都通过开关管，因此开关管的集电极电流必须大于负载电流，开关管的最大集电极IB 可由下式求得，取开关管的截止时间为2S： =21A 式中I0为负载的电流，Uwi为整流输出电压，toff为开关管的截止时间。3.2.2续流二极管的选择当开关管截止时，续流二极管导通，通过续流二极管传输到负载由此可知，续流二极管的正向额定电流必须大于开关管的最大集电极电流当开关管饱和时，集电极间的电压可以忽略不记，续流二极管的耐压值必须大于前级整流电路的输出电压Uwi。本实验续流管仍然选用的是IGBT。电感的选取 电感可以由下式求得： （1.4） 式中U0为输出电压，Ui是输入电压，omin为电感续流的临界负荷电流。输出电容可以按照经验值取1000F/A。3.2.3具体参数计算1、 U0的计算U0最小值为0，最大值为220V。这里选取200V。电阻为R=U0/Id=10功率因素=U0/U1=0.992、二极管参数计算二极管承受反向最大电压Udm=1.414U1=282V，考虑2倍裕量，则 Uvd=2*282=564V 取600V。 VD1、VD2的有效电流IVT=0.5*Id=9A，考虑2倍裕量，因此取Id=18A。 VD3、VD4的有效电流为0，因为VD3、VD4属于续流部分，此部分输出电压为0，固电流也为0。 4、IGBT及续流管的选择因为U1=200V，取3倍裕量，选耐压为600V以上的IGBT。由于IGBT是以最大标注且稳定电流与峰值电流间大致为四倍关系，故应选用大于4倍额定负载电流的IGBT为宜，因此选用72A,额定电压600V左右的IGBT。3.3 主电路结构设计在考虑到减少电路误差的情况下，我们采用了如图8所示的主电路，主回路由QlQ3三个VMOS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VMOS管都有保护装置。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。 主电路图3.5 主电路保护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护，在后面的控制电路中将会介绍。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。 电路如下图所示主电路保护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。第4章 单元电路设计4.1 主控制芯片的详细说明4.1.1 芯片的选择及介绍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。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。4.1.2 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PWM脉冲中止，输出都将被中止，直到下一个时钟信号到来，PWM琐存器才被复位。 SG3525引脚功能及特点简介 其原理图如图4.13下： 4.2 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。其原理框图如图121。输入交流电压为220V，经过同步变压器T后，分别形成两路互为倒相的方波，宽度为180，分别对应正弦波的正半周和负半周，由3525进行调制（调制频率约为2.5kHz）后，经过隔离及驱动电路，分别驱动两路功率场效应管。工作过程为：当输入交流电处于正半波时，经调解制的方波信号施加于VT2的栅极和源极，VT1的控制电压为0V，交流电经L、R、VT2、VD1构成回路；当输入交流电处于负半周时，方波信号加于VT1、VT2控制电压为0，交流电经过VT1、VD2、R、L构成回路，从而在R上得到一完整的经过调制的单相正弦波交流电，有效值通过调节脉冲的占空比进行改变。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MOSFET管控制端。图5.1过零检测及续流触发电路为了防止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 输出限流电路到COMP端 图5.2 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。5.3输入过压电路VIN端到电流检测端同输入欠压一样，当发生输入过压时，比较器输出高电平。图5.3 输入过压保护电路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。5.4 结果分析锯齿波与调制波的交点比较功能由比较器完成，UtUr时，比较器输出的PWM波形由逻辑低电平变为高电平，UtUr时，比较器输出的PWM波形由逻辑高电平变为低电平。为保证PWM波宽不至于太窄，用PWM锁存器锁存高电平值，并在CP脉冲下跳时对锁存器清零，以进行下一个比较点的锁存。 如图所示，要改变输出脉冲PWM的占空比， 只要改变调制信号Ur的电压大小即可实现 。 5.5 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6章 总结与体会两个星期的电力电子技术课程设计很快结束了,这段时间很紧张也有体会。 电力电子课程设计是我们大学学习期间的一个重要的课程设计