亮度可连续调节直流斩波电路设计.doc

电力电子设计 摘要 随着电力电子技术的日益发展 人们对电路的要求也越来越高 在生产实际中有时需 要亮度可连续调节的灯光 而能达到这个目的的电路有很多 在电力电子技术中 相控整 流电路 AC DC 交流调压电路 AC AC 直流斩波电路 DC DC 等电路都可以实 现输出电压的连续可调 从而实现对灯光亮度的连续可调 直流斩波电路一般是指直接将直流电变为另一直流电的情况 通过对开关导通和断 开时间的控制 最常见的为 PWM 控制 连续地调节导通时间改变占空比使输出电压的平 均值能够连续改变 在用它控制灯光亮度的电路中 通过灯泡的电流为直流 本文的初始条件要求输入为 220V 交流电 输出为 0 24V 直流电压 则显然为 AC DC 变换电路即要利用单相相控整流电路来实现对灯泡亮度的可连续调节的控制 关键词 电力电子 直流斩波 PWM 相控整流 电力电 目 录 1 亮度可连续调节直流斩波电路设计 1 1 概论 1 2 方案的论证 2 3 电路设计 2 3 1 总体电路原理图 2 3 2 单相桥式不控整流电路带电阻负载工作原理 3 3 3 变压器的参数设计 3 3 4 灯泡的参数设计 3 3 5 直流斩波电路的设计 4 3 5 1 设计思路 4 3 5 2 原理框图 4 3 5 3 BUCK 主电路模块的设计 4 3 5 4 主电路的工作原理 5 3 5 5 控制电路的设计 6 3 5 6 驱动电路模块的设计 7 4 结束语 9 5 参考文献 10 电力电子设计 0 亮度可连续调节直流斩波电路设计 1 概论 电力电子技术是 20 世纪后半期诞生和发展的一门崭新的技术 可以预见 在 21 世 纪电力电子技术仍将以迅猛的速度发展 电力电子器件的发展对电力电子技术的发展起 着决定性的作用 正是大功率晶闸管的发明 使得半导体变流技术从电子学中分离出来 发展成为电力电子技术这一专门的学科 而二十世纪九十年代各种全控型大功率半导体 器件的发明 进一步拓展了电力电子技术应用和覆盖的领域和范围 电力电子技术的应 用领域已经深入到国民经济的各个部门 包括钢铁 化工 电力 石油 汽车以及人们 的日常生活 功率范围大到几千兆瓦的高压直流输电 小到一瓦的手机充电器 电力电 子技术随处可见 随着电力电子技术的日益发展 人们对电路的要求也越来越高 在生产实际中有时需 要亮度可连续调节的灯光 例如而能达到这个目的的电路有很多 在电力电子技术中 相 控整流电路 AC DC 交流调压电路 AC AC 直流斩波电路 DC DC 等电路都可 以实现输出电压的连续可调 从而实现对灯光亮度的连续可调 对于电灯 灯泡 无论是直流电还是交流电都可以使其发光 因为电灯发光主要与 流过电灯的电流的有效值有关 电能通过灯丝时产生了足够的热量使得灯丝发光 相控整流电路通过控制晶闸管的导通角来改变输出电压的有效值 结构简单 控制 方便 性能稳定 利用它可以方便地得到大中 小各种容量的直流电 是目前获得直流电 能的主要方法 得到广泛应用 用它控制灯光亮度的可连续调节 则是使通过灯泡的电流 为直流 采用相位控制的交流电力控制电路即交流调压电路 在每半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 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 用它控制灯光亮度连续可调 使通过灯泡的电流为交流 电 直流斩波电路一般是指直接将直流电变为另一直流电的情况 通过对开关导通和断 开时间的控制 最常见的为 PWM 控制 连续地调节导通时间改变占空比使输出电压的平 均值能够连续改变 在用它控制灯光亮度的电路中 通过灯泡的电流为直流 对于课程设计任务书给出的初始条件要求输入为 220V 交流电 输出为 0 50V 直流电 电力电子设计 1 压 则显然为 AC DC 变换电路即要利用单相不控整流电路来实现对灯泡亮度的可连续调 节的控制 2 方案的论证 设计亮度可连续调节的灯光电路 输入 220V 频率为 50HZ 的单相交流电 负载 灯 泡 要求 0 50V 交流电压 最大负载电流 1A 经分析需用单相相控整流电路来实现灯光 的可连续调节 首先考虑 220V 的交流电要想转变为最大值为 50V 的直流电 必须先加一个变压器 将 220V 交流电降到一个合适的值 再经过整流电路整流 以及直流斩波电路 使整流输 出的电压在 0 50V 变化 在电路中还可以增加一个熔断器起过电流保护的作用 电路一共由变压器 触发电路和单相整流电路三个主要部分组成 220V 单相交流电 通过变压器降压 然后通过晶闸管组成的整流电路进行相控整流 通过触发电路调节晶 闸管触发角使灯泡的亮度可连续调节 电路设计框图如图 1 所示 变压器 降压 单相交流 220v 不控 整流 直流斩波 电路 灯泡亮 度可调 图 2 1 电路设计框图 3 电路设计 3 1 总体电路原理图 根据前面的方案设计及电路方框图可绘出电路原理图 如图 2 所示 图 3 1 总体电路原理图 电力电子设计 2 3 2 单相桥式不控整流电路带电阻负载工作原理 D1 和 D4 组成一对桥臂 在正半周承受电压 得到触发脉冲即导通 当过 2 U 2 U 2 U 零时关断 D2 和 D3 组成另一对桥臂 在正半周承受电压 得到触发脉冲即导通 当 2 U 2 U 过零时关断 2 U 对于单相桥式整流电路带电阻负载有 1 经整流后灯泡 电阻性负载 两端电压的平均值 2 9 0 UUd 2 向灯泡输出的直流平均值为 R U I d d 3 二极管 D1 D2 和 D3 D4 轮流导电 流过二极管的电流平均值只有输出直流 电流平均值的一半 即 ddD II 2 1 3 3 变压器的参数设计 在很多情况下整流装置所要求的交流供电电压与电网提供的电压往往不能一致 同 时又为了减少电网与整流装置的相互干扰 使整流主电路与电网隔离 为此需要配置一 个变压器 在本设计中忽略影响 作一个近似计算 变压器直接用单相变压器就可以了 根据公式 即的范围为 2 9 0 UUd d U 2 9 0 0U 分析任务书中所给要求可知 可得 故为输入的 220V509 0 2 UVVU56 55 9 0 50 2 1 U 单相交流电压 为变压器降压后的电压为 2 UV56 55 可求出 即变压器的匝数比为 99 25 25 99 2 1 N N 可令 396 匝 100 匝 1 N 2 N 变压器的容量为 AV IU IUS dd 7 61 9 09 0 22 3 4 灯泡的参数设计 由于要求灯泡的电压在0 50V范围内变化 所以额定电压取50V 最大负载电流为 1A 根据欧姆定律 可求得R 50 即所选的灯泡的额定电压为50V 额定电流为1A 灯 电力电子设计 3 泡的电阻值为50 3 5 直流斩波电路的设计 3 5 1 设计思路 直流斩波电路总共分为三个部分电路摸块 分别为主电路模块 控制电路模块和驱动 电路模块 主电路模块 由全控型 IGBT 的开通与关断的时间占空比来决定输出电压 U 的大小 控制电路模块 用 SG3525 来控制 IGBT 的开通与关断 驱动电路模块 用来驱动 IGBT 3 5 2 原理框图 根据降压斩波电路设计任务要求设计主电路 控制电路 驱动电路 设计出降压斩波 电路的原理框图如下图所示 图 3 2 直流斩波电路设计框图 3 5 3 BUCK 主电路模块的设计 直流降压斩波电路由直流电源 全控型器件 IGBT 电感线圈 续流二极管以及负载 组成 具体电路图如下 主电路的原理图 图 3 3 直流斩波电路主电路 控制电路 SG3525 驱动电路BUCK 主电路 电力电子设计 4 3 5 4 主电路的工作原理 电路图主电路有两种工作状态 即 IGBT 导通和截止状态 V 导通 此时电源经电感线圈向负载供电 同时 电感线圈贮存能量 等效 图 3 4 tutuUd RL tuUdtu RL V 截止 此时 电源脱离电路 电感线圈向负载供电 释放贮存的能量 等效电路 图 3 5 tutu tutu RL RL 0 电容 C 属于斩波电路本身 不属于负载 V 导通时充电 V 截止时放电 从而使负 载两端电压保持平稳 电力电子设计 5 3 5 5 控制电路的设计 对于控制电路的设计其实可以有很多种方法 可以通过一些数字运算芯片如单片机 CPLD 等等来输出 PWM 波 也可以通过特定的 PWM 发生芯片来控制 选用一般的 SG3525 作 为 PWM 发生芯片来进行连续控制 其特点特点如下 1 工作电压范围宽 8 35V 2 5 1 1 1 0 V微调基准电源 3 振荡器工作频率范围宽 100Hz 400KHz 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 SG3525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 5引脚和Discharge7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 电力电子设计 6 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锁存器将立即动作 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 控制电路如下 图 3 6 控制电路 3 5 6 驱动电路模块的设计 该部分主要完成以下几个功能 1 提供适当的正向和反向输出电压 使 IGBT 可靠 的开通和关断 2 提供足够大的瞬态功率或瞬时电流 使 IGBT 能迅速建立栅控电场而 导通 3 尽可能小的输入输出延迟时间 以提高工作效率 4 足够高的输入输出电气 隔离性能 使信号电路与栅极驱动电路绝缘 5 具有灵敏的过流保护能力 针对以上几 个要求 对驱动电路进行以下设计 针对驱动电路的隔离方式 采用普通光电耦合式驱动电路 该电路双侧都有源 其提供的脉冲宽度不受限制 较易检测 IGBT 的电压和电流的状态 对外送出过流信号 另外它使用比较方便 稳定性 比较好 经过上文的分析采用以下驱动电路 电力电子设计 7 1K OPTOISO1NPN1 15V 1K PNP1 2 图 3 7 驱动电路 电力电子设计 8 4 结束语 理论的学习使我们掌握了有关近电力电子器件的原理和功能 随着科技不断发展进步 电力电子器件也同我们的生活息息相关 在我们的生活中扮演的角色也越来越重要 这次课程设计总共只一个星期的时间 而且期间穿插着我们的生产实习 时间比较 紧 但是即使这样 我也积极地进行准备 认真分析老师所给的任务书 我花了一天的 时间去图书馆和网上查找相关资料 认真地审了审我的任务书 我发现了我必须要用到 不控整流以及直流斩波 我认为认真的审题 在设计之前做足准备工作是非常有必要的 在做电力电子课程设计的过程中我更能认真和全面的对所学知识有一个全面和系统 更深刻的了解和掌握 在这个过程中我认真的查阅了大量的资料和工具书增长了我的知 识 开阔了我们的视野 不过我看得更多的还是教材 万变不离其宗 对于任何一个设 计其基本原理最终都是可以在书本上找到答案的 所以书本还是最重要的 完全吃透了 书本课程设计才能发挥得更好 虽然课程设计源于书本 但是和应用于生活联系得更加紧密 这就要求我们在学习 和生活的过程中每个人都要学会应用资源和我们自身的优势 同时留心观察身边的事物 做课设期间我们参观了武钢集团以及理工光科等 在看到里面那些高科技的产品其实归 根结底其原理我们大家弄清楚了都是很简单的 所以我们必须要利用身边的资源去了解 我们周围这个充满了高科技的世界 做课程设计时间短 而且白天很多时间用在了实习上 所以吃苦熬夜是必然的 舍 不得吃苦是做不好任何事的 另外光能吃苦是不够的 还要有过硬的技术水平 有的同 学基础扎实 一两个晚上就能完成设计 但是有的同学却不知道怎么样开头 不知道要 做什么 这就是差距 通过课程设计让自己明白自己所差的 还很多很多 在这次设计中