斩控式单相交流调压电路09

1、献给湖工的学弟学妹们,自动化08级目录第1章 概述1第2章 总体方案22.1 总体设计思路22.2 交流斩波调压的基本原理5第3章 主电路设计63.1主要技术条件及要求63.2 开关器件的选择63.3 主电路计算及元器件参数选型63.4 主电路结构设计83.5 主电路保护电路设计9第4章 单元控制电路设计104.1主控制芯片的详细说明104.1.1 芯片的选择104.1.2 芯片的详细介绍104.1.3 芯片的工作原理104.2 驱动电路设计134.3 过零检测及续流触发电路134.4 控制保护电路设计144.5谐波分析15第5章 总结18附录19总体电路图：19参考文献20第1章 概述在工业

2、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

3、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。第2章 总体方案2.1 总体设计思路交流调压的控制方式有三种：整周波通断控制 。整周波控制调压适用于负载热时间常数较大的电热控制系统。晶闸管导通时间与关断时间之比，使交流开关在某

4、几个周波连续导通，某几个周波连续关断，如此反复循环地运行，其输出电压的波形如图2所示。改变导通的周波数和控制周期的周波数之比即可改变输出电压。为了提高输出电压的分辨率，必须增加控制周期的周波数。为了减少对周围通信设备的干扰，晶闸管在电源电压过零时开始导通。但它也存在一些缺点那就是：在负载容量很大时，开关的通断将引起对电网的冲击，产生由控制周期决定的奇数次谐波，这些谐波引起电网电压变化，造成对电网的污染。 相位控制。相位控制调压 利用控制触发滞后角的方法,控制输出电压。晶闸管承受正向电压开始到触发点之间的电角度称为触发滞后角。在有效移相范围内改变触发滞后角，即能改变输出电压。有效移相范围随负载功

5、率因数不同而不同，电阻性负载最大,纯感性负载最小。图3是阻性负载时相控方式的交流调压电路的输出电压波形。相控交流调压电路输出电压包含较多的谐波分量，当负载是电动机时，会使电动机产生脉动转矩和附加谐波损耗。另外它还会引起电源电压畸变。为减少对电源和负载的谐波影响，可在电源侧和负载侧分别加滤波网络。 斩波控制。斩波控制调压使开关在一个电源周期中多次通断，将输入电压切成几个小段，用改变段的宽度或开关通断的周期来调节输出电压。斩控调压电路输出电压的质量较高,对电源的影响也较小。图4为斩波控制的交流调压电路的输出电压波形。在斩波控制的交流调压电路中，为了在感性负载下提供续流通路，除了串联的双向开关S1外

6、，还须与负载并联一只双向开关S2。当开关 S1导通，S2关断时，输出电压等于输入电压；开关S1关断，S2导通时,输出电压为零。控制开关导通时间与关断时间之比即能控制交流调压器的输出电压。开关 S1、S2动作的频率称斩波频率。斩波频率越高,输出电压中的谐波电压频率越高,滤波较容易。当斩波频率不是输入电源频率的整数倍时，输出电压中会产生谐波。当斩波频率较低时，谐波含量较多，对负载产生不良的影响。将斩波信号与电源电压锁相，可消除谐波。斩波控制的交流调压电路的功率开关元件必须采用功率晶体管或其他自关断元件，所以成本较高。斩波控制方式时，晶闸管要带有强迫关断电路或采用IGBT、MOSFET等可自关断器件

7、，在每个电压周波中，开关元件多次通断，使电压斩波成多个脉冲，改变导通比即可实现调压。本课程设计采用斩控式单相交流调压方案。图5 斩控式交流调压电路斩控式交流调压电路的原理图如图5所示，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有类似之处，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的输入是正弦交流电压。在交流电源u1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u1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。2.2 交流斩波调压的基本原理交流斩波调压的原理波形如图7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

8、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，其基本谐波频率为土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。 图7 交流斩波调压的原理波形图第3章 主电路设计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0100 V，最大输出电流为20A，功率因数大于或等于0.8。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 开关器件的选择由于斩波调压电路一般采用全控型器件作为开关器件，典型的全控型开关器件有，门极可关断晶

9、闸管（GTO）、电力晶体管（GTR）、电力场效应晶体管（MOSFET）及绝缘栅双极晶体管（IGBT）等。由于 MOSFET的开关时间在10100ns之间，其工作频率可达100KHz以上，是主要电力电子器件中最高的，而且它的驱动电路简单，需要的驱动功率小，所以这次课程设计利用 MOSFET 来做开关器件。3.3 主电路计算及元器件参数选型滤波器电容选择 Co一般根据放电时间常数计算,负载越大,要求纹波系数越小,电容量也越大.一般不作严格计算,多取2000MF以上.因系统负载不大,故取Co=2200MF.耐压按1.5Vdm=1.5*220=330V.元件取350V.即选用2200MF, 350V电

10、容器.为滤除高频信号,取C1=1uf,耐压350V.选用二极管时，主要应考虑其最大电流、最大反向工作电压、截止频率及反向恢复时间等参数。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。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=230.8AMOSFET保护电路选择电容的选择 一般按布线电感磁场能量全部转化为电场的能量估算。即Lb

11、Io/2=Cs(Ucep-Uo)得CsLbIo/(Ucep-Uo)式中Lb-是主回路布线电感H；Io-MOSFET 关断时源极电流A；Ucep-缓冲电容器电压稳定值；Uo-直流电源电压V。Lb可按Lb=520H估算。Ucep为保证可靠，可取稍低于MOSFET耐压值为宜，取Ucep=600V进行计算。取Io=Id、Uo=325V,得Cs=LbIo/(Ucep-Uo)=0.0962F取Cs=0.1F、耐压650V。缓冲电阻Rs计算 要求MOSFET关断信号到来之前，将缓冲电容器所积蓄的电荷放完，以关断信号之前放电90%为条件，计算公式如下：Rs1/（6fCs）f为开关频率、MOSFET最大开关频率

12、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。3.4 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。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

13、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。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，图8 主电路图其中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。3.5 主电路保护电路设计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

14、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9 主电路保护电路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，使三极管导通，这样就会使线圈KM的保护电路接通，KM在主电路的常闭触点就会断开，达到保护主电路的作用。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 芯片的选择本次课程设计由芯片TL494产生脉冲，来控制MOSFET来实现斩波调

15、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。 芯片的详细介绍TL494是一种高性能固定频率电流型控制器，包含误差放大器、PWM比较器、PWM锁存器、振荡器、内部基准电源和欠压锁定等单元。TL494芯片主要特点是: (1)集成了全部的脉宽调制电路。(2)片内置线性锯齿波振荡器，外置振荡元件仅两个（一个电阻和一个电容）。(3)内置误差放大器。(4)内置5V参考基准电压源。(5)可调整死区时间。(6)内置功率晶体管可提供500mA的驱动能力。(7)推或拉两种输出方式。 芯片的工作原理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

16、一个电容进行调节，其振荡频率如下： 输出脉冲的宽度是通过电容CT上的正极性锯齿波电压与另外两个控制信号进行比较来实现。功率输出管Q1和Q2受控于或非门。当双稳触发器的时钟信号为低电平时才会被选通，即只有在锯齿波电压大于控制信号期间才会被选通。当控制信号增大，输出脉冲的宽度将减小。 图11 TL494脉冲控制波形图 控制信号由集成电路外部输入，一路送至死区时间比较器，一路送往误差放大器的输入端。死区时间比较器具有120mV的输入补偿电压，它限制了最小输出死区时间约等于锯齿波周期的4%，当输出端接地，最大输出占空比为96%，而输出端接参考电平时，占空比为48%。当把死区时间控制输入端接上固定的电压

17、（范围在03.3V之间）即能在输出脉冲上产生附加的死区时间。 脉冲宽度调制比较器为误差放大器调节输出脉宽提供了一个手段：当反馈电压从0.5V变化到3.5时，输出的脉冲宽度从被死区确定的最大导通百分比时间中下降到零。两个误差放大器具有从-0.3V到（Vcc-2.0）的共模输入范围，这可能从电源的输出电压和电流察觉得到。误差放大器的输出端常处于高电平，它与脉冲宽度调制器的反相输入端进行“或”运算，正是这种电路结构，放大器只需最小的输出即可支配控制回路。 当比较器CT放电，一个正脉冲出现在死区比较器的输出端，受脉冲约束的双稳触发器进行计时，同时停止输出管Q1和Q2的工作。若输出控制端连接到参考电压源

18、，那么调制脉冲交替输出至两个输出晶体管，输出频率等于脉冲振荡器的一半。如果工作于单端状态，且最大占空比小于50%时，输出驱动信号分别从晶体管Q1或Q2取得。输出变压器一个反馈绕组及二极管提供反馈电压。在单端工作模式下，当需要更高的驱动电流输出，亦可将Q1和Q2并联使用，这时，需将输出模式控制脚接地以关闭双稳触发器。这种状态下，输出的脉冲频率将等于振荡器的频率。 TL494内置一个5.0V的基准电压源，使用外置偏置电路时，可提供高达10mA的负载电流，在典型的070温度范围50mV温漂条件下，该基准电压源能提供5%的精确度。 图12 TL494内部电路方框图4.2 驱动电路设计所谓的驱动电路是指

19、驱动开关器件Q3，从而来实现斩波调压的目的。由以上对UC3842的介绍可知，在TL494芯片中产生了三角波，用一直流信号与之比较，就会产生一系列的矩形脉冲，这些矩形脉冲可以用来控制开关器件Q3的导通与关闭，我们通过调制直流信号的大小或是调节三角波的频率就可以改变矩形脉冲的频率，从而达到交流调压的目的。4.3 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

20、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13 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。4.4 控制保护电路设计为了防止电路的过电压，保护电路我们设计了保护电路，如下图所示，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，如果输出电压高于正5伏，比较器就输出正5伏电压，比较器的输出端与UC

21、3842的3管脚相连，因为前面已经介绍了UC3842,它的3号管脚是电流取样输入端。在外围电路中，在功率开关管的源极串接一个小阻值的取样电阻，将脉冲变压器的电流转换成电压，此电压送入脚3，控制脉宽。当功率开关管的电流增大，取样电阻上的电压超过1 V时UC3842就停止输出，有效地保护功率开关管； 图14 控制保护电路设计4.5谐波分析由于是感性负载，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

22、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5章 总结此次电力电子技术课程设计，我学会了很多东西,以前在课本上学的理论知识比较抽象,通过做这个课程设计,让我对这些知识有了更深的理解.而且通过对这些知识的应用,让我们学会了很多书本上没有的东西，那就是它开阔了我的视野，并知道了如何去利用各种可以的资源，如上网查资料，到图书馆查阅与其