斩控式单相交流调压电路设计.docx
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斩控式单相交流调压电路设计
湖南工程学院应用技术学院
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源设计
专业班级：
电气118
学生姓名：
学号:
指导老师：
刘星平蔡斌军李祥来等
审批：
谢卫才
任务书下达日期2014年5月12日
设计完成日期2014年5月23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）控制电路参数确定
二．设计要求：
1．设计思路清晰，给出整体设计框图；
2．单元电路设计，给出具体设计思路和电路；
3．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。
4．绘制总电路图
5．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：
单相交流输入：
（AC）220（+5%1~-10%），可调交流输出：
0~200V（AC）
2）最大输出电流：
≤20A
3）功率因数：
≥0.8
2.可提供实验
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
进度安排
第一周星期一:
课题内容介绍和查找资料；
星期二:
总体电路方案确定
星期三:
主电路设计
星期四:
控制电路设计
星期五:
控制电路设计；
第二周星期一:
控制电路设计
星期二：
电路原理及波形分析、实验调试及仿真等
星期四~五:
写设计报告，打印相关图纸；
星期五下午:
答辩及资料整理
参考文献
1．石玉栗书贤．电力电子技术题例与电路设计指导．机械工业出版社，1998
2．王兆安黄俊．电力电子技术（第4版）．机械工业出版社，2000
3．浣喜明姚为正．电力电子技术．高等教育出版社，2000
4．莫正康．电力电子技术应用（第3版）．机械工业出版社，2000
5．郑琼林．耿学文．电力电子电路精选．机械工业出版社，1996
6．刘定建朱丹霞．实用晶闸管电路大全．机械工业出版社，1996
7．刘祖润胡俊达．毕业设计指导．机械工业出版社，1995
8．刘星平．电力电子技术实验指导书．校内，2009
第4章主控制芯片的详细说明10
4.1芯片的选择10
4.1芯片的详细介绍10
4.1芯片的工作原理11
第5章实验调试13
第6章总结与体验19
附录A参考文件及评分表
第1章概述
1.1交流调压在生活中的应用
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）及异步电动机的软起动，也用于异步电动机调速。
在电力系统中，这种电路还常用于对无功功率的连续调节。
此外，在高电压小电流或低电压大电流直流电源中，也常用交流高压电路调节变压器一次电压。
因此交流调压电路广泛存在于农村、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。
1.2关于单相调压器
对于单相交流电源，调压和稳压是最为普遍的要求。
目前能够实现这一要求的调压器有下面三种：
磁饱和式调压器该调压器通过控制主电路中电感的饱和程度，以改变电抗值以及其上的电压，实现对输出电压的调节。
这种调压器具有一定的动态性能，但输出电压的调节范围小，体积和重量较大。
机械式调压器机械式调压器由电动机带动碳刷实现输出电压的调节。
这种调压器输出波形较好，但体积、重量大，动态性能差。
电子式调压器这种调压器采用电力电子器件实现。
目前有晶闸管调压器和逆变式调压器两种。
晶闸管调压器采用的是相控方式，因此其输出波形差；逆变式调压器采用的是斩波控制方式，其输出波形和动态响应较好。
从上面可知，逆变式电子调压器具有最好的性能。
逆变式电子调压器的结构不仅具有调压、稳压的能力，而且还可以实现频率的变换。
它是通过AC/DC/AC变换实现的。
具有中间直流环节和储能电容，不过，变换效率低是它的不足。
与自耦变压器调压方法相比，交流调压电路控制方便，调节速度快，装置的重量轻、体积小，有色金属消耗也少。
1.3关于本课题
与自耦变压器调压方法相比，交流调压电路控制方便，调节速度快，装置的重量轻、体积小，有色金属消耗也少。
本文提出采用ICBT的斩控式交流调压器。
斩控式调压的原理图如图如图1.3所示
第２章设计总体思路
2.1系统总体方案确定
交流调压的控制方式有三种：
1磁饱和式调压器；2机械式调压器；3电子式调压器。
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。
电子式调压器这种调压器采用电力电子器件实现。
目前有晶闸管调压器和逆变式调压器两种。
晶闸管调压器采用的是相控方式，因此其输出波形差；逆变式调压器采用的是斩波控制方式，其输出波形和动态响应较好。
晶闸管导通时间与关断时间之比，使交流开关在某几个周波连续导通，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2.1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。
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分数次谐波，这些分数次谐波引起电网电压闪变。
这是其缺陷。
相位控制调压——利用控制触发滞后角α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α。
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率因数不同而不同，电阻性负载最大,纯感性负载最小。
图2.2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，用改变小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2.3是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，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
出电压中会产生分数次谐波。
当斩波频率较低时，分数次谐波较大，对负载产生恶劣的影响。
将斩波信号与电源电压锁相，可消除分数次谐波。
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。
斩控式交流调压电路的原理图如图2.4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。
设载波器件（V1或V2）导通时间为ton，开关周期为T，则导通比a=ton/T。
和直流斩波电路一样，也可以通过改变a来调节输出电压。
图2.4给出了电阻性负载时负载电压u0和电源电流i1（也就是负载电流）的波形。
可以看出，电源电流的基波分量是和电源电压同相位的，即位移因数为1。
另外，通过傅里叶分析可知，电源电流中不含低次谐波，只含和开关周期T有关的高次谐波。
这些高次谐波用很小的滤波器即可滤除。
这时电路的功率因数接近1。
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0～100V，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。
2.2交流斩波调压的基本原理
交流斩波调压的原理波形如图2.2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2.2交流斩波调压的原理波形图
第3章电路设计与分析
3.1主要技术条件及要求
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10~100ns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，所以这次课程设计决定用MOSFET来做开关器件。
3.3电路计算及元器件参数选型
开关管选用VMOSFET。
它是继MOSFET之后新发展起来的高效、功率开关器件。
它不仅继承了MOS场效应管输入阻抗高（≥108W）、驱动电流小（左右0.1μA左右），还具有耐压高（最高可耐压1200V）、工作电流大（1.5A～100A）、输出功率高（1～250W）、跨导的线性好、开关速度快等优良特性。
3.4电路的结构设计及分析
单相交流调压主电路如图1关断器件调压电路所示。
电路采用功率场效应管作为自关断器件，利用集成脉宽调制器SG3525产生的脉宽调制信号作为驱动信号。
由两个MOSFET及其反并联的二极管组成交流调压开关，同步变压器T与运算放大器A1及A2构成同步检测环节。
输入交流电压为220V，经过同步变压器T形成两路互为倒相的方波，宽度为l80°，分别对应正弦波的正半周和负半周，由SG3525进行调制后，经过隔离及驱动电路，分别驱动两路功率场效应管。
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，从而在足上得到一完整的经过调制的单相正弦波交流电。
第4章主控制芯片详细说明
4.1芯片的选择
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。
4.2芯片的详细介绍
SG3525的内部结构如图6-1所示，它主要由基准电压调整器、震荡器、误差放大器、比较器、锁存器、欠压锁定电路、闭锁控制电路、软启动电路、输出电路构成。
SG3525A系列脉宽调制器控制电路可以改进为各种类型的开关电源的控制性能和使用较少的外部零件。
在芯片上的5.1V基准电压调定在±1％，误差放大器有一个输入共模电压范围。
它包括基准电压，这样就不需要外接的分压电阻器了。
一个到振荡器的同步输入可以使多个单元成为从电路或一个单元和外部系统时钟同步。
在CT和放电脚之间用单个电阻器连接即可对死区时间进行大范围的编程。
在这些器件内部还有软起动电路，它只需要一个外部的定时电容器。
一只断路脚同时控制软起动电路和输出级。
只要用脉冲关断，通过PWM（脉宽调制）锁存器瞬时切断和具有较长关断命令的软起动再循环。
当VCC低于标称值时欠电压锁定禁止输出和改变软起动电容器。
输出级是推挽式的可以提供超过200mA的源和漏电流。
SG3525A系列的NOR（或非）逻辑在断开状态时输出为低。
·工作范围为8.0V到35V
·5.1V±1.0％调定的基准电压
·100Hz到400KHz振荡器频率
·分立的振荡器同步脚
4.3芯片的工作原理
基准电压调整器：
基准电压调整器是输出为5．1V，50mA，有短路保护的电压调整器。
它供给所有内部电路，同时又可作为外部基准参考电压。
振荡器：
振荡器的充电回路由C2，C3，R4构成，电阻R5作为放电电阻，改变充电电容的大小即可改变锯齿波的频率，此频率也就是振荡器的振荡频率。
此电路中，放电电阻较小，所以形成的锯齿波波形后沿较陡。
误差放大器及补偿输入：
误差放大器是差动输入的放大器，本电路可以不用，仅在补偿端9引入幅值可调的直流调制信号Ur。
锁存器：
比较器的输出送到锁存器。
锁存器由关闭电路置位，由振荡器输出时间脉冲复位。
这样当关闭电路动作，即使过流信号立即消失，锁存器也可维持一个周期的关闭控制，直到下一周期时钟信号使锁存器复位为止。
另外，由于PWM锁存器对比较器来的置位信号锁存，将系统所有的跳动和振荡信号消除了。
只有在下一个时钟周期才能重新置位，有利于提高可靠性，经过锁存器后的输出为PWM。
输出：
l1端、l2端及l4端连结在一起，由l3端输出信号，这样就保证了l3端的输出与锁存器的输出一致。
此外，SG3525还有欠压锁定电路，闭锁控制电路，软起动电路，但本电路不需使用闭锁控制和软起动。
第5章实验调试
一、实验目的
（1）熟悉斩控式交流调压电路的工作原理。
（2）了解斩控式交流调压控制集成芯片的使用方法与输出波形。
二、实验所需挂件及附件
序号
型号
备注
1
DJK01电源控制屏
2
DJK21斩控式交流调压电路
3
慢扫描双踪示波器
自备
4
万用表
自备
三、实验线路及原理
斩控式交流调压主电路原理如图3-17所示。
图3-17斩控式交流调压主电路原理图
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类似，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输入的是正弦交流电压。
在交流电源ui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ui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。
设斩波器件V1、V2的导通时间为ton，开关周期为T，则导通比为α=ton/T，和直流斩波电路一样，通过对α的调节可以调节输出电压U0。
图3-18给出了电阻负载时负载电压U0和电源电流i1（也就是负载电源）的波形。
可以看出电源电流的基波分量是与电源电压同相位的。
即位移因数为1。
电源电流不含低次谐波，只含和开关周期T有关的高次谐波，这些高次谐波用很小的滤波器即可滤除，这时电路的功率因数接近于1。
图3-18电阻负载斩控式交流调压电路波形
斩控式交流调压控制电路方框图如图3-19所示，PWM占空比产生电路使用美国SiliconGeneral公司生产的专门PWM集成芯片SG3525，其内部电路结构及各引脚功能可参见有关资料。
在交流电源ui的正半周，V1进行斩波控制，用V3给负载电流提供续流通道，V4关断；在ui的负半周，V2进行斩波控制，V3关断，用V4给负载电流提供续流通道。
控制信号与主电路的电源必须保持同步。
图3-19斩控式交流调压控制电路方框图
四、实验内容
（1）控制电路波形观察。
（2）交流调压性能测试。
五、思考题
（1）当主电路接纯电阻负载（即将电感短路）时，可见负载电压波形存在死区，其产生的原因是什么？
（2）当主电路接电感性负载时，在电压的过零点会出现一尖峰脉冲，其幅值随占空比的增大而增大。
试分析其产生的原因以及控制方法。
六、实验方法
由于主电路的电源必须与控制信号保持同步，因此主电路的电源不需要外部接入。
但是为了能同时观察两路控制信号之间的相位关系，主电路的开关K是串接在电源开关之后的。
在观察控制信号时将开关打在断状态。
（1）控制电路波形观察
①断开开关K，使主电路不得电，接通电源开关，用双踪示波器观察控制电路的波形，并记录参数。
②测量控制信号V1与V4、V2与V3之间的死区时间。
（2）交流调压性能测试
①接入电阻负载（220V/25W的白炽灯），接通开关K，调节PWM占空比调节电位器，改变导通比α，（即改变Ur值）使负载电压由小增大，记录输出电压的波形，并测量输出电压。
②接入电阻、电感性负载，（即与白炽灯串接一个电感作为负载）重复上述实验步骤。
七、实验报告
在方格纸上画出控制信号与不同负载下的输出电压波形并分析。
八、注意事项
双踪示波器有两个探头，可同时测量两路信号，但这两探头的地线都与示波器的外壳相连，所以两个探头的地线不能同时接在同一电路的不同电位的两个点上，否则这两点会通过示波器外壳发生电气短路。
为此，为了保证测量的顺利进行，可将其中一根探头的地线取下或外包绝缘，只使用其中一路的地线，这样从根本上解决了这个问题。
当需要同时观察两个信号时，必须在被测电路上找到这两个信号的公共点，将探头的地线接于此处，探头各接至被测信号，只有这样才能在示波器上同时观察到两个信号，而不发生意外。
思考题解答
1．当主电路接纯电阻负载（即将电感短路）时，可见负载电压波形存在死区，其产生的原因是什么？
答：
当外加正向电压小于Uth时，外电场不足以克服PN结的内电场对多子扩散运动造成的阻力，正向电流几乎为零，二极管呈现为一个大电阻，好像有一个门槛，因此将电压Uth称为门槛电压（又称死区电压）。
而此电路中的MOS管为耗尽型NMOS管，而耗尽型NMOS管在uGS为正、负、零时，均可导通工作。
因此负载电压波形存在死区，是因为二极管存在死区电压
2.当主电路接电感性负载时，在电压的过零点会出现一尖峰脉冲，其幅值随占空比的增大而增大。
试分析其产生的原因以及控制方法。
答：
原因：
接入电感性负载时，主电路中引入了无功电流，也向电路注入了谐波电流，而谐波电流在电路阻抗上产生了谐波压降，是电路电压产生畸变，所以在电压的过零点会出现一尖峰脉冲，占空比越大，引入的无功电流越大，尖峰脉冲也越大。
控制方法：
（1）从电网上考虑。
提高短路比Rsc。
尽量选取较高的Rsc值，增大系统短路容量。
（2）从交流装置本身采取措施。
增加交流装置输出的脉冲波数P是减少谐波电流的有效措施。
正常运行时，避免在深挖下工作，也能减小谐波电流，从而减小尖峰脉冲。
（3）从附加设备考虑。
附加设备设置滤波器，或用电力电源滤波器向系统注入谐波电流。
用电力电源滤波器向系统注入谐波电流用自关断电力半导体器件构成的采用脉冲宽度调制工作方式的谐波电流发生器，可以产生相位、频率、幅值可调的谐波电流，将这些谐波电流注入系统，以抵消原来部分谐波，从而减小尖峰脉冲。
输出电压波形
第6章总结与体验
本次电力电子的课程设计给我带来了不一样的收获。
短短两周的时间里，锻炼了我主动动手解决问题和设计性思维的能力，将理论应用于实践中确实并非易事，因为它不是单纯的理论学习和理解，包含的东西远远超过我的想象，首先是扎实的理论基础，再是具备创新设计思维，还必须懂得电脑仿真软件的应用，接着是拥有一定的编写报告的能力，最后也是最重要的是要有刻苦专研和积极提问的精神。
刚拿到课题时，感觉无从下手，不得不查阅各种资料。
像三相交流和相交的整流，变频等电路。
看网上已有的电路图，每一个元件都要找到相关的管脚图，还要搞懂每个单元电路的功能和原理。
就这样我不得不拾起书本再学一遍，虽然过程比较艰辛，但我也学会了很多。
通过这次的课程设计，不但让我对电力电子有了更加深层的认识，而且对课本的知识起到了很好的巩固作用。
在此，我要感谢和我一组的其他同学，对我的帮助，使对单片机的用途有了更多的了解，这些都是我在课本上学不到的宝贵知识。
很高兴这次的课程设计能够与他们一起共进，同时谢谢老师耐心的指导！
通过这次的课程设计，我从不会设计开始学习，到了最后把设计搞好，这个过程让我感到开心，设计能运行给了自己巨大的动力，在以后的学习和工作中，我应该更要加油，通过自己的努力做好每一件事。
附录A参考文件
1．石玉栗书贤．电力电子技术题例与电路设计指导．机械工业出版社，1998
2．王兆安黄俊．电力电子技术（第4版）．机械工业出版社，2000
3．浣喜明姚为正．电力电子技术．高等教育出版社，2000
4．莫正康．电力电子技术应用（第3版）．机械工业出版社，2000
5．郑琼林．耿学文．电力电子电路精选．机械工业出版社，1996
6．刘定建朱丹霞．实用晶闸管电路大全．机械工业出版社，1996
7．刘祖润胡俊达．毕业设计指导．机械工业出版社，1995
8．刘星平．电力电子技术及电力拖动自动控制系统．校内，1999
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