电力电子课程设计示例斩控式单相交流调压电路.doc
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目录
第1章 概述 2
第2章 总体方案及基本原理 3
2.1基本原理 3
2.2总体方案 3
第3章 主电路的设计 5
3.1主电路的总体设计 5
3.2主电路参数计算和元器件的选择 6
第4章控制及驱动电路设计 9
4.1主控制芯片的详细说明 9
4.2驱动电路设计 11
第5章保护电路及设计 13
5.1主回路输出端过电流保护 13
5.2IGBT的保护设计 13
5.3结果分析…………………………………………………..15
第6章设计总结与体会 16
附录A总电路图 17
附录B参考文献 18
第1章概述
自20世纪五十年代未第一只晶闸管问世以来，电力电子技术开始登上现代电气传动技术舞台，以此为基础开发的可控硅整流装置，是电气传动领域的一次革命，使电能的变换和控制从旋转变流机组和静止离子变流器进入由电力电子器件构成的变流器时代，这标志着电力电子的诞生。
进入70年代晶闸管开始形成由低电压小电流到高电压大电流的系列产品，普通晶闸管不能自关断的半控型器件，被称为第一代电力电子器件。
随着电力电子技术理论研究和制造工艺水平的不断提高，电力电子器件在容易和类型等方面得到了很大发展，是电力电子技术的又一次飞跃，先后研制出GTR.GTO，功率MOSFET等自关断全控型第二代电力电子器件。
而以绝缘栅双极晶体管（IGBT）为代表的第三代电力电子器件，开始向大容易高频率、响应快、低损耗方向发展。
而进入90年代电力电子器件正朝着复台化、标准模块化、智能化、功率集成的方向发展，以此为基础形成一条以电力电子技术理论研究，器件开发研制，应用渗透性，在国际上电力电子技术是竞争最激烈的高新技术领域。
斩控式调压电路是通过调节开关器件开关相位的控制而改变输出电压的有效值。
它的特点是电源电流中不含低次谐波，只含和开关周期有关的高次谐波。
这些高次谐波用很小的滤波器即可滤除，这时电路功率因数接近于1。
第2章总体方案及基本原理
2.1基本原理
斩控式交流调压电路与直流斩波电路原理类似，只是直流斩波电路输入的是直流电压，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U1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。
本实验采用全控型器件作为开关器件，原理图如图2.1所示。
假设斩波器V1或V2的导通时间为ton，开关周期为T，则导通比为a=ton/T，可以通过对a的调节来调节输出电压U0。
2.2总体方案
本设计中，输入单相（AC）380V电压，最大输出最大电流电压分别为20A，功率因数：
≥0.7。
而斩波器可调节输出电压的大小，同时斩控方式实现交流调压，功率因数高，谐波小，输出波形好。
在本实验中，功率因数有可能接近1。
斩控式单相交流调压电路中，用占空比控制低压侧的电压.其中用控制电路来实现IGBT管的通断，调节PWM波的输出来改变控制角ɑ，从而调节占空比的大小，进而来调节输出电压的大小。
初步设想将总电路分为3部分：
主电路、控制电路、保护电路。
其中主电路为斩控式电路，斩波电路采用IGBT进行控制的脉宽调制方式的斩控方式。
控制电路采用UC3842芯片来对IGBT的通断进行控制。
保护电路包括主电路中的过电压和过电流保护、IGBT的保护。
总电路框图如图2.1所示。
单相交流电源
主电
路
负载
保护
电路
控制电路
图2.1总电路框图
第3章主电路的设计
3.1主电路的总体设计
主电路只包括斩控式电路，其设计如图3.1所示，U0两端接阻感负载或者电阻负载，其电阻负载输出波形如图3.1且导通角为0°。
阻感负载输出波形与其类似，但是阻感负载存在续流。
主电路采用IGBT及二极管为开关器件，IGBT为全控性器件。
图3.1主电路图
图3.1斩控式调压电路电阻负载输出波形
3.2主电路参数计算和元器件的选择
3.2.1开关管IGBT的选择
开关管IGBT的耐压值，当开关管截止时，续流二极管导通，稳压电源的全部输入电压都加在开关管的集射极间，因此，开关管的耐压值VCBO必须大于交流电路的输出电压Uwi，考虑到其他因素的影响，开关管集射级间电压U’按下式选取：
当开关管导通时，负载电流及电容充电电流都通过开关管，因此开关管的集电极电流必须大于负载电流，开关管的最大集电极IB可由下式求得，取开关管的截止时间为2S：
=21A
式中I0为负载的电流，Uwi为整流输出电压，toff为开关管的截止时间。
3.2.2续流二极管的选择
当开关管截止时，续流二极管导通，通过续流二极管传输到负载．由此可知，续流二极管的正向额定电流必须大于开关管的最大集电极电流．当开关管饱和时，集电极间的电压可以忽略不记，续流二极管的耐压值必须大于前级整流电路的输出电压Uwi。
本实验续流管仍然选用的是IGBT。
电感的选取
电感可以由下式求得：
（1.4）
式中U0为输出电压，Ui是输入电压，Ｉomin为电感续流的临界负荷电流。
输出电容可以按照经验值取1000μF/A。
3.2.3具体参数计算
给定参数为U1=200V,Id=20A
1、U0的计算
U0最小值为0，最大值为220V。
这里选取200V。
则
电阻为R=U0/Id=10
功率因素=U0/U1=0.99
2、二极管参数计算
二极管承受反向最大电压Udm=1.414U1=282V，考虑2倍裕量，则Uvd=2*282=564V取600V。
VD1、VD2的有效电流IVT=0.5*Id=10A，考虑2倍裕量，因此取Id=20A。
VD3、VD4的有效电流为0，因为VD3、VD4属于续流部分，此部分输出电压为0，固电流也为0。
4、IGBT及续流管的选择
因为U1=200V，取3倍裕量，选耐压为600V以上的IGBT。
由于IGBT是以最大标注且稳定电流与峰值电流间大致为四倍关系，故应选用大于4倍额定负载电流的IGBT为宜，因此选用80A,额定电压600V左右的IGBT。
因为续流管也是IGBT，固可以同上。
第4章控制及驱动电路设计
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UC3842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。
4.1.2芯片的详细介绍
UC3842是美国Unitrode公司生产的一种高性能单端输出式电流控制型脉宽调制器芯片，由该集成电路构成的开关稳压电源和电压控制型脉宽调制开关稳压电源相比具有以下特点：
1）管脚数量少，外围电路简单，价格低廉；
2）电压调整率很好；
3）负载调整率明显改善；
4）频响特性好，稳定幅度大；
5）具有过流限制、过压保护和欠压锁定功能。
因此他是目前比较理想的新型的脉宽调制器，其内部原理框图如图4.1所示。
UC3842的主要特点：
1）工作电压8～40V
2）电流传感和电压反馈输入－0．3～＋5．5V
3）误差放大输出吸入电流10mA
4）欠压锁存功能
5）占空比可调
6）最高开关频率500kHz，稳定度0．2％，电源效率高
7）内部有高稳定度的基准电压源5．0V
8）稳定性能好，电压调整率很容易达到0．01％，
图4.1UC3842内部原理图
4.1.3芯片的工作原理
UC3842采用固定工作频率脉冲宽度可控调制方式，共8个引脚，功能如下①脚是误差放大器的输出端，外接阻容元件用于改善误差放大器的增益和频率特性；②脚是反馈电压输入端，此脚电压与误差放大器同相端的2.5V基准电压进行比较，产生误差电压，从而控制脉冲宽度；③脚为电流检测输入端，当检测电压超过1V时缩小脉冲宽度使电源处于间歇工作状态；④脚为定时端，内部振荡器的工作频率由外接的阻容时间常数决定，f=1.8/（RT×CT）；⑤脚为公共地端；⑥脚为推挽输出端，内部为图腾柱式；⑦脚是直流电源供电端，具有欠、过压锁定功能，芯片功耗为15mW；⑧脚为5V基准电压输出端，有50mA的负载能力。
电流控制型脉宽调制器能产生频率固定而脉冲宽度可以调节的驱动信号，控制大功率晶体管的通断状态来调节输出电压的高低，达到稳压目的，锯齿波发生器提供恒定的时钟频率信号，利用误差放大器和电流测定比较器形成电压闭环，利用电流测定、电流测定比较器构成电流闭环，在脉宽比较器的输入端直接用流过输出电感电流的信号与误差放大器输出信号进行比较，从而调节驱动信号的占空比使输出的电感峰值电流跟随误差电压变化而变化，假如由于某种原因使输出电压升高时，脉宽调制器就会改变驱动信号的脉冲宽度，亦即占空比D，使斩波后的平均值电压下降，从而达到稳压目的，反之亦然。
4.2驱动电路设计
所谓的驱动电路是指驱动开关器件V1、V2、V3、V4的G极，从而来实现斩控式调压的目的。
由以上对UC3842的介绍可知，在UC3842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V1、V2、V3、V4的导通与关闭（即占空比的大小），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。
驱动电路中，控制信号与主电路的电源必须保持同步。
驱动电路图如图4.2所示。
图4.2驱动电路接线图
第5章保护电路及设计
5.1主回路输出端过电流保护
电力电子器件在使用过程中出现的过电流主要为短路这种情况，器件允许的短路时间极短，一般在若干微秒之内。
对于负载因此在电路中串熔断器，对短路起保护作用。
接线图在主电路图中可见到。
5.2IGBT的保护设计
5.3.1IGBT的过电流保护
在斩波电路中对斩波器的保护，实际上就是对IGBT的保护。
所以重要的是怎么设计好对开关管IGBT的保护方案。
在设计对IGBT的保护系统中，主要是针对过电流保护和开关过程中的过电压保护。
IGBT的过流保护电路可分为2类：
一类是低倍数的（1.2～1.5倍）的过载保护；一类是高倍数（可达8～10倍）的短路保护。
对于过载保护不必快速响应，可采用集中式保护，即检测输入端或直流环节的总电流，当此电流超过设定值后比较器翻转，封锁所有IGBT驱动器的输入脉冲，使输出电流降为零。
这种过载电流保护，一旦动作后，要通过复位才能恢复正常工作。
IGBT能承受很短时间的短路电流，能承受短路电流的时间与该IGBT的导通饱和压降有关，随着饱和导通压降的增加而延长。
如饱和压降小于2V的IGBT允许承受的短路时间小于5μs，而饱和压降3V的IGBT允许承受的短路时间可达15μs，4～5V时可达30μs以上。
存在以上关系是由于随着饱和导通压降的降低，IGBT的阻抗也降低，短路电流同时增大，短路时的功耗随着电流的平方加大，造成承受短路的时间迅速减小。
通常采取的保护措施有软关断和降栅压2种。
软关断指在过流和短路时，直接关断IGBT。
但是，软关断抗骚扰能力差，一旦检测到过流信号就关断，很容易发生误动作。
为增加保护电路的抗骚扰能力，可在故障信号与启动保护电路之间加一延时，不过故障电流会在这个延时内急剧上升，大大增加了功率损耗，同时还会导致器件的di/dt增大。
所以往往是保护电路启动了，器件仍然坏了。
降栅压旨在检测到器件过流时，马上降低栅压，但器件仍维持导通。
降栅压后设有固定延时，故障电流在这一延时期内被限制在一较小值，则降低了故障时器件的功耗，延长了器件抗短路的时间，而且能够降低器件关断时的di/dt，对器件保护十分有利。
若延时后故障信号依然存在，则关断器件，若故障信号消失，驱动电路可自动恢复正常的工作状态，因而大大增强了抗骚扰能力。
5.3.2IGBT开关过程中的过电压保护
关断IGBT时，它的集电极电流的下降率较高，尤其是在短路故障的情况下，如不采取软关断措施，它的临界电流下降率将达到数kA/μs。
极高的电流下降率将会在主电路的分布电感上感应出较高的过电压，导致IGBT关断时将会使其电流电压的运行轨迹超出它的安全工作区而损坏。
所以从关断的角度考虑，希望主电路的电感和电流下降率越小越好。
但对于IGBT的开通来说，集电极电路的电感有利于抑制续流二极管的反向恢复电流和电容器充放电造成的峰值电流，能减小开通损耗，承受较高的开通电流上升率。
一般情况下IGBT开关电路的集电极不需要串联电感，其开通损耗可以通过改善栅极驱动条件来加以控制。
5.3.3结果分析
当负载接电阻负载（即灯泡），占空比从0°到90°，其灯泡的亮度为从亮变暗，因为站空比为0°时，其输出电压U0为最大，当占空比为90°时，其输出电压U0为最小，因此灯泡为暗。
其斩波电路波形图如图3.1所示。
但是波形不是连续的。
当负载为电感负载，站空比为30°时，其波形图如图5.1所示。
当电阻为灯泡时，灯泡亮度如同电阻负载。
当电源并上一个电容，即滤波器，则电路波形图如图5.2所示，与负载电路波形图差不多，不同的是波形是连续的。
图5.1阻感负载波形图图5.2加滤波器后波形图
第6章设计总结与体会
两周的电力电子课程设计过去了，在这两周学到的知识不少，让我对知识又复习了一遍，同时掌握了新知识，比方说UC3842芯片的知识，虽然只了解它的一部分，但我还是觉得足够了。
但是我又看到了自己的不足。
这两周我的感概很深，刚开始拿到这个课题，傻眼了。
感觉一点都不会，因为我把电力电子的知识忘得一干二净，拿到这个课题不知道从哪里做起。
因此我又拿来电力电子的书，重新看了一遍，终于在调压电路这一章找到一个类似的实验，这让我和兴奋，然而实验又要我们用控制电路。
由于知识的不足，这部分又经过了老师的指点，老师的帮忙，让我做出来了。
电路图是出来的，但是在实验的时候又遇到不少问题，因为示波器总是调示不出来，让我很郁闷。
因为示波器的受干扰很大，因此在这方面又要细心，不能太急，慢慢地一步一步调示出来。
可想而知我花费了多少时间来完成它。
实验完成了，意味着设计也完成了。
这次设计真的让我受益匪浅，同时让我感到知识的重要性，没有知识，做什么事都要费力费时间，更要找人帮忙。
同时感谢老师及同学的帮忙。
附录A总电路图
附录B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．电力电子技术及电力拖动自动控制系统．校内，1999
电气信息学院课程设计评分表
项目
评价
优
良
中
及格
差
设计方案合理性与创造性（10%）
硬件设计及调试情况（20%）
参数计算及设备选型情况*（10%）
设计说明书质量（20%）
答辩情况（10%）
完成任务情况（10%）
独立工作能力（10%）
出勤情况（10%）
综合评分
指导教师签名：
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日期：
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注：
①表中标*号项目是硬件制作或软件编程类课题必填内容；
②此表装订在课程设计说明书的最后一页。
课程设计说明书装订顺序：
封面、任务书、目录、正文、评分表、附件（非16K大小的图纸及程序清单）。
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