斩控式单相交流调压电路.doc

课 程 设 计 说 明 书题 目 斩控式单相交流调压电路 （院）系 电气信息学院 专业 班级 学号 学生姓名 指导老师姓名 完成日期 2011 年 6 月 23 日至 2011 年 7 月 8日 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专业班级： 才 学生姓名： 学号： 指导老师： 审 批： 任务书下达日期 2011 年 6月23日设计完成日期 2011 年 7 月8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） 触发电路设计4） 控制电路参数确定二、 设计要求：1 用TL494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%）、036V（AC）2） 最大输出电流：200A3） 功率因数：0.8 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目 录第1章 概述1第2章 总体设计方案22.1 交流调压电路的原理22.2 系统设计总方案确定3第3章 主电路设计43.1 主电路主要器件选择43.2 主电路结构设计43.3 器件保护以及主电路保护设计53.3.1 MOSFET过压保护53.3.2 MOSFET过流保护53.3.3 主电路保护设计53.4 主电路计算及元器件参数选型5第4章 单元控制电路设计84.1 主控制芯片的详细说明84.1.1 主控芯片的选择84.1.2 主控芯片的特征及优势84.1.3 脉宽调制器芯片TL494的工作原理84.2控制方法及控制功能单元电路设计104.2.1 控制方法介绍104.2.2 检测及控制保护电路设计104.2.3 控制与驱动电路设计11第6章 总结与体会12附录13参 考 文 献14 第1章 概述交流调压是指把一种交流电变成另一种同频率，不同电压交流电的变换，而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，而斩控式交流调压的输入是正弦交流电压，这种斩控式交流调压电路的优势是功率因素接近1，电压、电流波形好，谐波成分频率高，电路简单，且可靠性高。而利用PWM技术后，控制灵活，动态响应快。而斩控式交流调压电路是应用新器件、新原理，结合传统技术向适用、高效、轻量、少无污染方向不断发展进步的新型电路设计，符合电力电子技术高频化、高效化以及低污染的发展趋势，并将逐步取代晶闸管相控交流调压，它是一种经济型交流调压技术，具有很好的发展前景。 图1-1课题的目的和意义本课题以更好的应用电力电子技术为目标，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 总体设计方案2.1 交流调压电路的原理斩波式交流调压电路输入是正弦交流电压，用V1、V2进行斩波控制，用V3、V4给负载电流提供续流通道。如果斩波器件V1、V2的导通时间为ton，开关周期为T，则导通比=ton/T,可以通过调节从而调节输出电压，如下图2-1所示表示交流斩波调压原理的波形图，2-2所示表示斩控式交流调压电路的原理图 图2-1 图2-2 斩控式交流调压电路原理图2.2 系统设计总方案确定本系统设计主要包括三部分电路：主电路、驱动与控制电路、保护电路。本设计系统要注意控制信号和主电路的电源必须保持同步，主电路主要包括环节有：主电力电子开关与续流管，而我们采用的是MOSFET作为开关器件，驱动与控制电路中采用的是TL494脉冲调制器控制芯片，而保护电路中我们分别对MOSFET器件的过压、过流保护，主电路的保护以及检测与控制电路保护等模块。第3章 主电路设计3.1 主电路主要器件选择斩波控制要求以比电源频率高得多的频率周期性接通和断开主电路开关器件，把连续的正弦输入电压“斩”成离散的脉冲状加于负载。由于开关器件以高频工作，在电路中必须实施强迫换流。为此斩波控制的交流调压都是采用全控型双向开关器件。所以设计主电路采用的是MOSFET新型的全控型器件，驱动电路简单，需要的驱动功率小，开关的速度快，工作的频率高，符合设计的要求。3.2 主电路结构设计当输入交流电处于正半波时，经调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0V，交流电经过VT1，VT2，R，L 构成回路，从而在负载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，显然，负载上的电压有效值随脉宽信号的占空比而变，单相交流调压的主电路如图3-1所示：3.3 器件保护以及主电路保护设计3.3.1 MOSFET过压保护由于MOSFET工作在高电压、大电流的条件下，需要对其进行可靠的保护，过电压保护主要有以下几种：1. 防止栅源过电压。如果栅、源极间的阻抗过高，则漏、源极间的电压的突变会通过极间的电容耦合到栅极而产生相当高的栅源尖峰电压。解决方法是适当降低栅极驱动电路的阻抗，在栅、源极间并接阻尼电阻，或者并接约25V的齐纳二极管，尤其要防止的是栅级开路工作，如图3-2所示：2. 防止漏极过电压。功率MOSFET器件关断得越快，产生的过电压就越高。为此，需要为MOSFET设置保护电路来吸收浪涌电压，解决办法是加入RC缓冲电路和针对感性负载的二极管钳位电路。3.3.2 MOSFET过流保护负载的接入或者撤除都可能引起较大的冲击电流，以至于超过IDM的极限值，此时必须用电流传感器和控制电路使器件回路迅速断开，过电流主要分为：长时间过流运行；短路超时；di/dt过高等。3.3.3 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，具体电路如下图所示。 图3-3 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 主电路计算及元器件参数选型1、MOSFET的相关参数当栅源电压仅略大于栅源开启电压时，沟道内的电流的饱和作用将产生一个可观的压降，此时，ID由VGS所控制gfs=dID/dVGS=ID/(VGS-VGS(th)）VDS(on)=RDS(on)IDf为开关频率、MOSFET最大开关频率为50KHz,则有Rs=1/（6fCs）33;VDs电流定额按MOSFET通过电流的1/10选择为：0.19A。2、快速熔断器的选择快速熔断器用于过电流的保护，它的断流时间在10 ms以内，快速熔断器的熔体额定电流IN按下式选择：ITm=IN=1.57 ITNItm20.577 IN=20.577200A=230.8A3、续流二极管选择计算二极管承受最大反向电压:U=Sqrt(6)*U2=392V 考虑3倍裕量,则U=3*392=1176V,取1200V最大电流按Idn=（1.52）Kfb*Id来计算选择。4、滤波电容选择C1一般根据放电的时间常数计算，负载越大，要求纹波系数越小，一般不做严格计算，多取2000 uF以上。因该系统负载不大，故 取 C1=2200 uF 耐压1.5UDM=1.5160=240V取250V 即选用2200uF、250V电容器。第4章 单元控制电路设计4.1 主控制芯片的详细说明4.1.1 主控芯片的选择本控制电路采用TL494集成脉冲调制器作为主控芯片，TL494是典型的固定频率脉宽调制控制集成电路。TL494内置一个50 V的基准电压源，使用外置偏置电路时，可提供高达10 mA的负载电流。4.1.2 主控芯片的特征及优势TL494的主要特征有：集成了脉宽调制电路；片内置线性锯齿波振荡器，外置振荡元件仅两个(电阻和电容)；内置误差放大器；内置5 V参考基准电压源；可调整死区时间；内置功率晶体管可提供500 mA的驱动能力；推或拉两种输出方式。TL494芯片具有抗干扰能力强、结构简单、可靠性高以及价格便宜等优势。4.1.3 脉宽调制器芯片TL494的工作原理TL494是一个固定频率的脉冲宽度调制电路，内置了线性锯齿波振荡器，振荡频率可通过外部的一个电阻和一个电容进行调节，其振荡频率fosc如下：该集成电路内集成有一个振荡器OSC, ,两个误差放大器、两个比较器（死区时间控制比较器和PWM比较器）、一个触发器FF, 两个与门和两个或非门、一个或门、一个+5V基准电源，两个NPN输出功率放大用开关晶体管,它的工作原理可简述为：当TL494的引脚5和6接上电容后，集成在内部的振荡器便使引脚5所接的电容恒流充电和快速放电，在电容CT上形成锯齿波，该锯齿波同时加给死区时间控制比较器和PWM比较器，死去时间控制比较器按照TL494的引脚4所设定的电平高低输出相应宽度的脉冲信号；另一方面在误差放大器输出的保护信号无效（为高定平），PWM比较器根据误差放大器输出的调节信号（或引脚3直接输入的电平信号）于锯齿波比较在输出形成相应的PWM脉冲波，该脉冲波与死区时间控制比较器输出的脉冲相或后，一方面提供给输出控制或非门，触发器按照CK端的时钟信号，在与端输出相位互差的PWM脉冲信号，若引脚13为高电平，则内部的两个与门输出的PWM脉冲信号，给信号经输出两个或非门与前述的信号或非后有输出功率放大的开关晶体管放大后输出；相反，当引脚13为低电平时，两个与门输出恒为低电平，所以两个或非门输出相同的脉冲信号，在应看到，若用TL494的误差放大器坐保护比较器，保护动作时，引脚3被置为恒低电平，TL494均输出低电平。而控制电路中采用TL494集成脉冲调制器，其内部功能图如图4-1。4.2 控制方法及控制功能单元电路设计4.2.1 控制方法介绍该系统采用的是PWM控制方式，通过TL494产生脉冲，从而驱动MOSFET器件的开关状态，PWM是对脉冲宽度进行调制的技术，PWM波形中各脉冲的幅值是相等的，而宽度是按正弦规律变化。4.2.2 检测及控制保护电路设计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。4.2.3 控制与驱动电路设计本控制与驱动电路以TL494为核心控制芯片，而必须在主电路和控制电路之间加隔离，而隔离方法是先加一级光耦隔离，再加一级推挽电路放大。在TL494中产生一系列的矩形脉冲信号，而我们通过调节RP1、RP2能够调整波形的频率，从而改变脉冲信号的频率，这样就能够达到调压的目的。第6章 总结与体会通过电力电子课程设计，锻炼了自学能力，特别是动手实践方面的东西。让我深深的感受到了理论与实际的差距，实践中出现了很多小问题，而这些问题都是意想不到的，需要认真思考才能解决，才能提高自己的能力。回顾此次连续二周的电力电子课程设计，通过自己设计完成一个斩控式单相交流调压电源，现在我仍感慨良多。把理论知识运用到实践并不是一件简单的事情，你不仅要对课堂知识理解深刻掌握的很熟练，还要能灵活运用知识点针对性的解决课程设计中遇到的问题。我学会了新的思考方式，电力电子的核心是研究开和关两种状态，而我们采用TL494产生触发脉冲，让新型开关器件MOSFET实现动作，通过查阅相关资料，掌握新型芯片TL494基本原理，运用visio软件画标准的电路图，这样让自己慢慢掌握设计的基本思维过程；对电力电子电路设计要采用保护电路，所以电路设计过程中要将电路考虑清楚，运用分模块进行实现，针对每个模块进行设计，这样就能化繁为简，有利于自己设计系统。每一次新的认识，总是疑问重重，不断