AC-AC转换电源电路的设计

1、前 言利用电力电子器件实现工业规模电能变换的技术，有时也称为功率电子技术。一般情况下，它是将一种形式的工业电能转换成另一种形式的工业电能。例如，将交流电能变换成直流电能或将直流电能变换成交流电能；将工频电源变换为设备所需频率的电源；在正常交流电源中断时，用逆变器（见电力变流器）将蓄电池的直流电能变换成工频交流电能。应用电力电子技术还能实现非电能与电能之间的转换。例如，利用太阳电池将太阳辐射能转换成电能。电力电子技术在如今的社会中有着不可或缺的作用。(1) 优化电能使用。通过电力电子技术对电能的处理，使电能的使用达到合理、高效和节约，实现了电能使用最佳化。 (2) 改造传统产业和发展机电一体化等

2、新兴产业。据发达国家预测，今后将有95%的电能要经电力电子技术处理后再使用，即工业和民用的各种机电设备中，有95%与电力电子产业有关，特别是，电力电子技术是弱电控制强电的媒体，是机电设备与计算机之间的重要接口，它为传统产业和新兴产业采用微电子技术创造了条件，成为发挥计算机作用的保证和基础。 (3) 电力电子技术高频化和变频技术的发展，将使机电设备突破工频传统，向高频化方向发展。实现最佳工作效率，将使机电设备的体积减小几倍、几十倍，响应速度达到高速化，并能适应任何基准信号，实现无噪音且具有全新的功能和用途。 (4) 电力电子智能化的进展，在一定程度上将信息处理与功率处理合一，使微电子技术与电力电

3、子技术一体化，其发展有可能引起电子技术的重大改革。有人甚至提出，电子学的下一项革命将发生在以工业设备和电网为对象的电子技术应用领域，电力电子技术将把人们带到第二次电子革命的边缘。目录前 言2摘要21设计目的22主要技术参数23主电路图24电路各部分工作原理分析24.1整流电路的设计24.1.1工作原理24.1.2主要数量关系24.2 逆变电路的设计24.2.1三相电压型桥式逆变电路24.2.2逆变器主电路设计24.3 脉宽控制电路的设计24.3.1 SG3524芯片24.3.2 利用SG3524生成SPWM信号24.4 驱动电路的设计24.5整流变压器的设计24.6 保护电路原理框图及工作原理

4、.25 系统仿真.25.1 系统仿真电路图25.2 SPWM设计.26. 设计小结27.附表：AC/AC转换电源所用元器件2参考文献2摘要 本次课程设计题目为AC/AC转换电源设计。经过设计使输入为380v的三相交流电，转换为输出为200v，频率为60Hz的三相交流正弦波输出。设计过程从原理分析、元器件的选取，到方案的确定，巩固了理论知识，基本达到设计要求。本文将按照设计思路对过程进行剖析，并进行相应的原理讲解，包括整流电路和逆变电路的理论基础，此外，还会清晰的介绍各个部分电路以及元器件的取舍，比如驱动电路、抗干扰电路、正弦信号产生电路等，其中部分电路的绘制采用了Proteus软件，建立了AC

5、/AC转换电源的仿真模型，进而通过软件得到较为理想的实验结果。关键词：AC/AC转换电源 三相 整流电路 逆变电路 仿真AC/AC转换电源设计1设计目的1.1 把从电力电子技术课程中所学到的理论和实践知识，在课程设计实践中全面综合的加以运用，使这些知识得到巩固、提高，并使理论知识与实践技能密切结合起来。1.2 初步树立起正确的设计思想，掌握一般电力电子电路设计的基本方法和技能，培养观察、分析和解决问题及独立设计的能力，训练设计构思和创新能力。1.3 培养具有查阅参考文献和技术资料的能力，能熟悉或较熟悉地应用相关手册、图表、国家标准，为今后成为一名合格的电气工程技术人员进行必须的基本技能和基本素

6、质训练。2主要技术参数3.1 输出电压：AC三相四线正弦波（115/200V）3.2 输出功率：20KVA3.3 输出频率：60Hz3.4 输入电压：380V三相交流电3.5 输入频率：50Hz3主电路图AC/AC转换电源的主电路的结构框图如图1的虚线框所示，主电路主要包括输入整流滤波电路、直流滤波电路、电源逆变电路、隔离变换电路和输出滤波电路。图1 主电路结构框图主电路的主要功能是从市电中获得符合技术指标的交流电。其工作原理如下：380V、50Hz的三相交流市电，经过三相整流电路整流成直流电，整流电路输出的直流电作为逆变电路的输入直流电压，此直流电压经过逆变电路变成所需的交流电，为了使逆变电

7、路和输出电路之间实现电压匹配，需在两者之间加入电源变压器，逆变器输出的交流电压需要经过电源变压器后得到所需电压和频率的交流电压。为了使输出的交流电压的供电质量更好，还应设计输出LC滤波电路，最后给负载供电。4电路各部分工作原理分析4.1整流电路的设计4.1.1工作原理 在交直交变频器等应用场合中，大都采用不可控整流电路经电容滤波后提供直流电源，供后级的逆变器使用。只要将全控整流电路中的晶闸管换为整流二极管，就是不可控整流电路。 a)b)Oiaudiduduabuac0dqwtpp3wt图2 整流电路 在电容滤波的三相不可控整流电路中，最常用的是三相桥式结构。该电路中，当某一对二极管导通时，输出

8、直流电压等于交流侧线电压中最大的一个，该线电压既向电容供电，也向负载供电。当没有二极管导通时，由电容向负载供电，ud按指数规律下降。设二极管在距线电压过零点角处开始导通，并以二极管VD6和VD1开始同时导通的时刻为时间零点，则线电压为: 相电压为： 在t=0时，二极管VD6和VD1开始同时导通，直流侧电压等于Uab；下一次同时导通的一对管子是VD1和VD2，直流侧电压等于Uac。这两段导通过程之间的交替有两种情况，一种是在VD1和VD2同时导通之前VD6和VD1是关断的，交流侧向直流侧的充电电流id是断续的；另一种是VD1一直导通，交替时由VD6导通换相至VD2导通，id是连续的。介于二者之间

9、的临界情况是，VD6和VD1同时导通的阶段与VD1和VD2同时导通的阶段在t+=2/3处恰好衔接起来，id恰好连续。由 “电压下降速度相等”的原则，可以确定临界条件。假设在wt+d =2p/3的时刻“速度相等”恰好发生，则有：由上式可得电流id 断续和连续的临界条件a)b)wtwtwtwtidiaidOOOOia图3 电流波形4.1.2主要数量关系输出电压平均值 空载时，输出电压平均值最大，为。随着负载加重，输出电压平均值减少，至进入id连续情况后，输出电压波形成为线电压的包络线，其平均值为Ud=2.34U2。可见，Ud在2.34U2 2.45U2之间变化。与电容滤波器的单相桥式不可控整流电路

10、相比，Ud的变化范围小得多，当负载加重到一定程度后，Ud稳定在2.34U2不变了。电流平均值 输出电流平均值IR为IR = Ud /R。与单相电路情况一样，电容电流iC平均值为零，因此 Id = IR。在一个电源周期中，id有六个波头，流过每一个二极管的是其中的两个波头，因此二极管电流平均值为Id的1/3，即 二极管承受的电压 二极管承受的最大反向电压为线电压的峰值，为。4.2 逆变电路的设计4.2.1三相电压型桥式逆变电路用三个单相逆变电路可以组合成一个三相逆变电路。但在三相逆变电路中，应用最为广泛的还是三相桥式逆变电路。采用IGBT作为开关器件的三相电压型桥式逆变电路如图3所示，可以看成是

11、由三个半桥逆变电路组成。图4 三相电压型桥式逆变电路电路的直流侧通常只有一个电容器就可以了，但为了方便分析，画作串联的两个电容器并标出假想中点。和单相半桥、全桥逆变电路相同，三相电压型桥式逆变电路的基本工作方式也是导电方式，即每个桥臂的导电角度为，同一相（即同一半桥）上下两个臂交替导电，各相开始导电的角度以此相差。这样，在任一瞬间，将有三个桥臂同时导通。可能是上面一个臂下面两个臂，也可能是上面两个臂下面一个臂同时导通。因为每次换流都是在同一相上下两个桥臂之间进行，因此也被称为纵向换流。以下分析三相电压型桥式逆变电路的工作波形。对于U相输出来说，当桥臂1导通时，当桥臂4导通时，。因此，的波形是幅

12、值为的矩形波。V、W两相的情况和U相类似，、的波形形状和相同，只是相位依次差120°。负载线电压可由下式求出：设负载中点N与直流电源假想中点之间的电压为，则负载各相的相电压分别为：三相电压型桥式逆变电路的工作波形如图4所示。OOOOOOOO图5 三相电压型桥式逆变电路的工作波形下面对三相桥式逆变电路的输出电压进行定量分析。把输出线电压展开成傅里叶级数得：式中，为自然数。输出线电压有效值为基波幅值和基波有效值分别为；接下来，我们再对负载相电压进行分析。把展开成傅里叶级数得式中，k为自然数。负载相电压有效值为基波幅值和基波有效值分别为；4.2.2逆变器主电路设计图5是SPWM逆变器的主电

13、路设计图。图中VlV6是逆变器的六个功率开关器件，各由一个续流二极管反并联，整个逆变器由恒值直流电压U供电。一组三相对称的正弦参考电压信号由参考信号发生器提供，其频率决定逆变器输出的基波频率，应在所要求的输出频率范围内可调。参考信号的幅值也可在一定范围内变化，决定输出电压的大小。三角载波信号是共用的，分别与每相参考电压比较后，给出“正”或“零”的饱和输出，产生SPWM脉冲序列波。，作为逆变器功率开关器件的驱动控制信号。当时，给V4导通信号，给V1关断信号，给V1(V4)加导通信号时，可能是V1(V4)导通，也可能是VD1(VD4)导通。和的PWM波形只有两种电平。当时，给V1导通信号，给V4关

14、断信号，。的波形可由得出，当1和6通时，当3和4通时，当1和3或4和6通时，=0。输出线电压PWM波由和0三种电平构成负载相电压PWM波由(±2/3) ，(±1/3) 和0共5种电平组成。图6 SPWM逆变器的主电路设计图防直通的死区时间同一相上下两臂的驱动信号互补，为防止上下臂直通而造成短路，留一小段上下臂都施加关断信号的死区时间。死区时间的长短主要由开关器件的关断时间决定。死区时间会给输出的PWM波带来影响，使其稍稍偏离正弦波。4.3 脉宽控制电路的设计4.3.1 SG3524芯片SG3524芯片是集成PWM控制器，其引脚图和内部框图分别如图8、图9所示。图7 SG35

15、24引脚图图8 SG3524内部框图SG3524工作过程是这样的：直流电源Vs从脚15接入后分两路，一路加到或非门；另一路送到基准电压稳压器的输入端，产生稳定的5V基准电压。5V再送到内部（或外部）电路的其他元器件作为电源。 振荡器脚7须外接电容CT，脚6须外接电阻RT。振荡器频率f由外接电阻RT和电容CT决定，f=1.18/RTCT。振荡器的输出分为两路，一路以时钟脉冲形式送至双稳态触发器及两个或非门；另一路以锯齿波形式送至比较器的同相端，比较器的反向端接正弦波调制信号，通过芯片内置的比较器完成载波和调制波的比较，产生SPWM信号。4.3.2 利用SG3524生成SPWM信号4.3.2.1

16、调制波及载波的产生正弦波信号由函数发生器ICL8038产生。图9 ICL8038用于正弦波信号发生正弦波的频率由、和C来决定，为了调试方便，将、都用可调电阻，和R是用来调整正弦波失真度用的。通过查询资料得知，当时,。正弦波信号产生后，一路经过精密全波整流，得到正弦波，另外两路得到与正弦波同频率、同相位的方波和三角波。ICL8038的引脚图如图9所示。图10 ICL8038引脚图载波可以是等腰三角波或者锯齿波，由于SG3524可以直接产生锯齿波，所以，直接用SG3524本身产生的锯齿波作为载波即可。4.3.2.2 SPWM信号的产生ICL8038产生的正弦波与1V基准经过加法器后得到，输入到SG

17、3524的脚1，脚2与脚9相连，这样和锯齿波将在SG3524内部的比较器进行比较产生SPWM信号。左电桥的控制信号可以由正弦信号与直流电压通过电压比较器产生，本次课程设计采用LM339芯片，其引脚图如图所示。图11 LM339引脚图LM339集成块内部装有四个独立的电压比较器，可以任意选用，该电压比较器主要有以下几个特点：1）失调电压小，典型值为2mV；2）电源电压范围宽，单电源为2-36V，双电源电压为±1V±18V；3）对比较信号源的内阻限制较宽；4）共模范围很大，为0（Ucc-1.5V）V；5）差动输入电压范围较大，大到可以等于电源电压；6）输出端电位可灵活方便地选用

18、。4.4 驱动电路的设计 IGBT需要有独立的驱动电路，并且要求供给驱动电路的电源相互隔离，这就使辅助电源的设计更加复杂，成本更高，并且降低了逆变器的可靠性。采用如 EXB840等专用厚膜集成驱动电路芯片虽然可以简化驱动电路的设计，但每个驱动芯片仍然需要一个独立的供电电源，且每个芯片仅能驱动一个功率器件，应用极不方便。而 IR公司生产的专用驱动芯片IR21306，只需一个供电电源即可驱动三相桥式逆变开关电路的6个功率开关器件，使整个,驱动电路的设计变得极为简单，可靠性也大为提高。 IR2130可用来驱动工作在直流母线电压不超过600V的逆变开关电路中的 IGBT，其能输出的最大正向峰值驱动电流

19、为250mA，反向峰值驱动电流为500mA。它自身带过流、过压及欠压保护、并且有封锁和指示网络，方便用户有选择性地保护被驱动的开关器件。另外IR2130内部运用了自举技术，使其可用于高压电路中。它对同一桥臂上下2个功率器件的栅极驱动信号可产生互锁延时时间，这就使用户在设计软件时不必考虑死区效应。它自身工作和电源电压的范围较宽，可达320V，在它的内部还设计有与被驱动的功率器件所通过的电流成线性关系的电流放大器。它内部 3个通道的高压侧驱动器和低压侧驱动器可单独使用，也可只用其内部的3个低压侧驱动器，并且输入信号与TTL及COMS电平兼容。图12 IR2130集成驱动芯片引脚图图13 基于IR2

20、130的IGBT驱动电路 IR2130集成驱动芯片的引脚图如图14所示，在实际的应用中，需要加上相应的外围电路。最后的基于IR2130的IGBT驱动电路如图15所示，在实际的应用中，需要加上相应的外围电路，最后的驱动电路如图3.5所示，C1、C2、C3为自举电容，自举二极管VD1、VD2、VD3在高压侧IGBT导通时，必须能够承受主电路的高电压，而且为了减小在高压侧IGBT导通时刻由自举电容反馈进主电路电源的电荷数量，该自举二极管的反向恢复特性非常重要，必须是快速恢复二极管。R为采样电阻，采样得到的电压经电阻分压后，输入到IR2130的过流保护输入端，一旦电流超过过流保护整定值时，则封锁6个输

21、出通道，从而达到保护IGBT的目的，同时送出故障信号。4.5整流变压器的设计在整流电路中：由整流电路的数量关系可得在逆变电路中：输出线电压有效值为即：若要求输出电压为，则所以变压器变比7.附表：AC/AC转换电源所用元器件名称规格型号位号数量三相交流电源380V1整流二极管2CP296电容铝电解电容CD71C3IGBTGT1531016逆变二极管BY550-10006电阻1K3EXB841富士4555定时器NE5551SG35241IR21101LM33916. 设计小结 本文设计了一个输入电压为380V，频率为50Hz的交流电，输出功率为20KVA、输出电压为115/200V、输出频率为60Hz的AC/AC电源变换装置。设计过程依据从输出到输入的设计过程，首先给出了AC/AC电源变换装置的主电路结构，并介绍了这个装