直流斩波电路的设计.docx
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直流斩波电路的设计
一.程序设计的目的：
1.熟悉降压斩波电路和升压斩波电路的工作原理
2.掌握两种基本斩波电路的工作状态
3.了解电路图的波形情况
二．课程设计的主要内容
1.设计题目
直流斩波电路的性能研究
2.设计步骤
⑴根据给出的技术要求，确定总体设计方案
⑵选择具体的元件，进行硬件系统的设计
⑶进行相应的电路设计，完成相应的功能
⑷进行调试与修改
⑸撰写课程设计说明书
3.设计方法
直流斩波电路（DCChopper）的功能是将直流电变为另一种固定的或可调的直流电，也称为直流-直流变换器（DC/DCConverter），直流斩波电路（DCChopper）一般是指直接将直流变成直流的情况，不包括直流-交流-直流的情况；直流斩波电路的种类很多，包括6种基本斩波电路：
降压斩波电路，升压斩波电路，升降压斩波电路，Cuk斩波电路，Sepic斩波电路，Zeta斩波电路，前两种是最基本电路。
主要包括：
⑴降压斩波电路的设计
⑵升压斩波电路的设计
⑶直流供电电源
⑷控制和驱动电路
三．设计方案的论证
1．熟悉实验装置的电路结构和主要元器件，检查实验装置输入和输出的线路连接是否正确，检查输入保险丝是否完好，以及控制电路和主电路的电源开关是否在“关”的位置。
电路原理图见实验图2。
斩波电路的直流输入电压ui由交流电经整流得到，如实验图2a所示。
实验图2b和c分别为降压斩波主电路和升压斩波主电路。
实验图2d为控制和驱动电路的原理图，控制电路以专用PWM控制芯片SG3525为核心构成，控制电路输出占空比可调的矩形波，其占空比受uco控制。
下图为降压斩波主电路及控制电路
a）直流供电电源
b）降压斩波主电路
c）升压斩波主电路
d）控制和驱动电路
（同理可得升压斩波电路主电路及控制电路）
d）
降压斩波主电路及控制电路
4.SG3525的功能特点及软起动功能
SG3525是定频PWM电路，采用16引脚标准DIP封装。
其各引脚功能如图2（a）所示，内部框图如图2（b）所示。
脚8为软起动端。
（a）SG3525的引脚
（b）内部框图
图2 SG3525引脚及内部框图
SG3525在SG3524的基础上，主要作了以下改进。
1）增设欠压锁定电路 电路主要作用是当IC输入电压<8V时，集成块内部电路锁定，停止工作（基准源及必要电路除外），使之消耗电流降至很小（约2mA）。
2）有软起动电路 比较器的反相端即软起动控制端脚8可外接软起动电容。
该电容由内部5V基准参考电压的50μA恒流源充电，使占空比由小到大（50％）变化。
3）比较器有两个反相输入端 SG3524的误差放大器、电流控制器和关闭控制3个信号共用一个反相输入端，现改为增加一个反相输入端，误差放大器与关闭电路各自送至比较器的反相端。
这样，便避免了彼此相互影响，有利于误差放大器和补偿网络工作精度的提高。
4）增加PWM锁存器使关闭作用更可靠 比较器（脉冲宽度调制）输出送到PWM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，即使过电流信号立即消失，锁存器也可维持一个周期的关闭控制，直到下一个周期时钟信号使锁存器复位为止。
5）振荡器作了较大改进 SG3524中的振荡器只有CT及RT两引脚，充电和放电回路是相同的。
SG3525的振荡器，除了CT及RT引脚外，增加了放电引脚7、同步引脚3。
RT阻值决定对CT充电的内部恒流值，CT的放电则由脚5及脚7之间外接的电阻值RD决定。
把充电和放电回路分开，有利于通过RD来调节死区的时间，这是重大的改进。
在SG3525中增加了同步引脚3专为外同步用，为多个SG3525的联用提供了方便。
6）输出级作了结构性改进 电路结构改为确保其输出电平处于高电平，或低电平状态。
另外，为了适应驱动MOSFET的需要，末级采用了推挽式电路，使关断速度更快。
SG3525增加的工作性能在实际应用中具有重要意义。
例如，脚8增加的软起动功能，避免了开关电源在开机瞬间的电流冲击，可能造成的末级功率开关管的损坏。
3.接通控制电路电源，用示波器分别观察锯齿波和PWM信号的波形（实验装置应给出测量端，位置在图中已标出），记录其波形、频率和幅值。
调节Ur的大小，观察PWM信号的变化情况。
4.斩波电路的输入直流电压ui由低压单相交流电源经单相桥式二极管整流及电感电容滤波后得到。
接通交流电源，观察ui波形，记录其平均值。
5.斩波电路的主电路包括降压斩波电路和升压斩波电路两种，分别如实验图2b、c所示，电路中使用的器件为电力MOSFET，注意观察其型号、外形等。
6.切断各处电源，将直流电源ui与升压斩波主电路连接，断开降压斩波主电路。
检查接线正确后，接通主电路和控制电路的电源。
改变ur值，每改变一次ur，分别观测PWM信号的波形、电力MOSFETV的栅源电压波形、输出电压uo的波形、输出电流io的波形，记录的PWM信号占空比a，ui、uo的平均值Ui和Uo。
7.改变负载R的值，重复上述内容6。
2.降压斩波电路
1）工作原理
t=0时刻驱动V导通，电源E向负载供电，负载电压uo=E，负载电流io按指数曲线上升。
t=t1时控制V关断，二极管VD续流，负载电压uo近似为零，负载电流呈指数曲线下降。
通常串接较大电感L使负载电流连续且脉动小。
2）数量关系
负载电压平均值：
ton——V通的时间toff——V断的时间a--导通占空比
负载电流平均值：
3.升压斩波电路
1）工作原理
假设L和C值很大。
V处于通态时，电源E向电感L充电，电流恒定I1，电容C向负载R供电，输出电压Uo恒定。
V处于断态时，电源E和电感L同时向电容C充电，并向负载提供能量。
2）数量关系
设V通态的时间为ton，此阶段L上积蓄的能量为
设V断态的时间为toff，则此期间电感L释放能量为
稳态时，一个周期T中L积蓄能量与释放能量相等：
T/toff>1，输出电压高于电源电压，故为升压斩波电路
电压升高得原因：
电感L储能使电压泵升的作用
电容C可将输出电压保持住
四．设计结果与分析
降压斩波电路的典型用途之一是拖动直流电动机，也可带蓄电池负载，两种情况下负载中均会出现反电动势，如图1中Em所示。
为使io连续且脉动小，通常使L值较大
图1
升压斩波电路应用直流电动机传动时，通常用于直流电动机再生制动时把电能回馈给直流电源，实际L值不可能为无穷大，因此有电动机电枢电流连续和断续两种工作状态。
五．设计的心得体会
作了一周的课程设计，使我有了很多的心得体会，可以说这次直流斩波电路的性能研究的课程设计是在大家共同努力和在老师的精心指导下共同完成的。
通过这次设计加深了我对这门课程的了解，也加深了对这门课程的设计。
以前总是觉得理论结合不了实际，但通过这次设计使我认识到了理论结合实际的重要性。
但由于我知识的限制，设计还有很多不足之处，希望老师指出并教导。
通过对电路图的研究，也增强了我们的思考能力。
课程设计是培养学生综合运用所学知识,发现,提出,分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程。
很感激学校给了我们这次动手实践的机会，让我们学生有了一个共同学习，增长见识，开拓视野的机会。
也感谢陈老师对我们无私忘我的指导，我会以这次课程设计作为对自己的激励，继续学习。
六．参考文献
[1]梁延贵主编,现代集成电路实用手册可控硅触发电路分册,北京:
科学技术文献出版社.2002.2
[2]王兆安主编,电力电子技术.第四版.北京:
机械工业出版社.2004.1
[3]王云亮主编,电力电子技术.第一版.北京.电子工业出版社.2004.8
目录
1.设计目的
2.设计方案论证
2.1交流调压电路
2.2相控单相交流调压电路（电阻性负载）
2.3可控硅移相触发器KJ004（KJ004A）
3.主电路图及计算结果
3.1主电路图
3.2计算结果
4.设计体会
5.参考文献
０４自２岳志刚
1.设计目的
1.1熟悉单相交流调压电路的工作原理
1.2分析在电阻负载时的输出电压和电流的波形及相控特性。
2.设计方案论证
2.1交流调压电路
交流调压电路采用两单向晶闸管反并联实现对交流电正、负半周的对称控制，达到方便地调节输出交流电压大小的目的，或实现交流电路的通、断控制。
因此交流调压电路可用于异步电动机的调压调速、恒流软起动，交流负载的功率调节，灯光调节，供电系统无功调节，用作交流无触点开关、固态继电器等，应用领域十分广泛。
交流调压电路一般有三种控制方式，其原理分别为：
2.1.1通断控制
通断控制是在交流电压过零时刻导通或关断晶闸管，使负载电路与交流电源接通几个周波，然后再断开几个周波，通过改变导通周波数与关断周波数的比值，实现调节交流电压大小的目的。
通断控制时输出电压波形基本正弦，无低次谐波，但由于输出电压时有时无，电压调节不连续，会分解出分数次谐波，如图1所示。
如用于异步电机调压调速，会因电机经常处于重合闸过程而出现大电流冲击，因此很少采用。
一般用于电炉调温等交流功率调节的场合。
图1通断控制的电压波形
2.1.2相位控制
与可控整流的一项触发控制相似，在交流的正半周时触发导通正向晶闸管、负半周时触发导通反向晶闸管，且保持两晶闸管的移相角相同，以保证向负载输出正、负半周对称的交流电压波形。
如图2所示。
相位控制方法简单，能连续调节输出电压大小。
但输出电压波形非正弦，含有丰富的低次谐波，在异步电机调压调速应用中会引起附加谐波损耗，产生脉动转距等。
图2相位控制的电压波形
2.1.3斩波控制
斩波控制利用脉宽调制技术将交流电压波形分割成脉冲列，改变脉冲的占空比即可调节输出电压大小。
如图3所示。
斩波控制输出电压大小可连续调节，谐波含量小，基本上克服了相位及通断控制的缺点。
由于实现斩波控制的调压电路半周内需要实现较高频率的通、断，不能采用晶闸管，须采用高频自关断器件，如GTR、GTO、MOSFET、IGBT等。
图3斩波控制的输出电压波形
实际应用中，采取相位控制的晶闸管型交流调压电路应用最广，本次设计既对采用此种控制方式的单相交流调压电路进行研究。
2.2相控单相交流调压电路（电阻性负载）
2.2.1工作原理：
电阻性负载电路原理图和输出波形分别如图4和图5所示。
图中的晶闸管VT1和VT2也可以用一个双向晶闸管代替。
在交流电源u1的正半周和负半周，分别对VT1和VT2的移相控制角
进行控制就可以调节输出电压。
正、负半周
起始时刻（
=0），均为电压过零时刻。
在
时，对VT1施加触发脉冲，VT1正偏置而导通，负载电压波形与电源电压波形相同；在
时，电源电压过零，因电阻性负载，电流也为零，VT1自然关断。
在
时，对VT2施加触发脉冲，VT2正偏置而导通，负载电压波形与电源电压波形相同；在
时，电源电压过零，VT2自然关断。
稳态时，正负半周的
相等，负载电压波形是电源电压波形的一部分，负载电流（电源电流）和负载电压的波形相似。
图4电阻负载单相交流调压电路
2.2.2数量关系
2.2.2.1负载电阻R上的交流电压有效值UR
2.2.2.2负载电阻R上的电流有效值IR
2.2.2.3晶闸管电流有效值
2.2.2.4功率因数
2.2.3
图5单相交流调压电路电阻
性负载的波形
2.2.4谐波分析
由图4的波形可以看出，负载电压和负载电流（即电源电流）均不是正弦波，含有大量谐波。
对于电阻性负载，由于波形正负半波对称，所以不含直流分量和偶次谐波，可用傅里叶级数表示如下
式中，
基波和各次谐波的有效值可按下式求出
负载电流基波和各次谐波的有效值为
根据以上各式的计算结果，可以绘出电流基波和各次谐波标么值随
变
化的曲线，如图6所示，其中基准电流为
=0时的基波电压有效值U1。
由于电阻负载下，电流波形与电压波形相同，有谐波分布图可知，电源电流谐波特点：
1.谐波次数越低，谐波幅值越大；
2.3次谐波的最大值出现在
=90o时，幅值约占基波分量的0.3倍；
3.5次谐波的最大值出现在
=60o和
=120o的对称位置。
2.3可控硅移相触发器KJ004（KJ004A）
可控硅移相触发器KJ004电路适用于单相、三相全控桥式供电装置中，做可控硅的双路脉冲移相触发。
KJ004器件输出两路相差180o的移相脉冲，可以方便地构成全控桥式触发器电路。
该电路具有输出负载能力大、移相性能好、正负半周脉冲相位均衡性好、移相范围宽、对同步电压要求低、有脉冲列调至输出端等功能和特点。
2.3.1电参数、引脚排列和功能
电参数如下：
直流+15V，-15V，允许波动±5%（±10%功能正常）。
电源电流：
正电流≤15mA，负电流≤10mA。
同步电压：
任意值。
同步输入端允许最大同步电流：
6mA（有效值）。
移相范围：
≥170o（同步电压30V，同步输入电阻15k
）。
锯齿波幅度：
≥10V（幅度以锯齿波出现平顶为准）。
输出脉冲：
a.脉冲宽度：
（改变宽度电容达到）。
b.脉冲幅度：
〉13V。
c.最大输出能力：
KJ004为100mA（输出脉冲电流）。
KJ004A为10mA。
d.输出反压：
BVceo≥18V（测试条件：
）。
正负半周脉冲相位不均衡度≤±3o。
使用环境温度为四级：
C：
0～70℃ R：
-55～85℃
E：
-40～85℃ M：
-55～125℃
KJ004（KJ004A）采用双列直插16脚封装，如图7所示。
各引脚功能如表1所示。
图7KJ004（KJ004A）图
表1KJ004（KJ004A）引脚功能
2.3.2工作原理和外电路的连接
KJ004的典型应用电路及各点波形如图8所示。
该芯片有同步检波电路，锯齿波形成电路，移相电压、偏移电压和锯齿波电压综合比较放大电路及功率放大电路四部分组成。
锯齿波的斜率决定于电源经外接电阻R6、RP1后的充电电流和积分电容C1的数据。
对不同的移相控制电压VY，只要改变权电阻R1、R2的比例，调节相应的偏移电压VP，同时调节锯齿波斜率电位器RP1，就可以使不同的移相控制电压获得整个移相范围内的触发脉冲。
触发电路为正极型，即移相控制电压VY增加，输出导通角增大。
R7和C2形成微分电路，改变R7和C2的数值，可获得不同的脉宽输出。
同步串联电阻R4可以按下式计算：
图8KJ004的典型应用电路及各点波形
3.主电路图及计算结果
3.1主电路图
图9单相交流调压电路主电路图
3.3计算结果
3.3.1指标内容
输入电压：
单相交流220伏、50赫兹。
输出功率：
0.5kw
主电路负载：
200
，1A
计算结果见表2
表2单相交流调压电路主电路数据计算结果表
（o）
（V）
（V）
（A）
（A）
0
220
220
1.1
0.778
1
30
220
216.8
1.084
0.767
0.985
60
220
197.3
0.9865
0.698
0.897
90
220
155.6
0.778
0.55
0.707
120
220
97.3
0.4865
0.344
0.442
150
37.35
37.35
0.18675
0.132
0.170
4.设计体会
通过这次课程设计，我对交流调压电路的内容的了解又加深了许多，尤其是对谐波的分析，上课时对这部分内容重视度不够，经过这次设计弥补了这方面的不足。
另外，在使用protel软件绘制电路图的过程中，我学到了很多实用的技巧，这也为以后的工作打下了很好的基础。
5.参考文献
[1]王兆安，黄俊.电力电子技术[M]，第4版。
北京：
机械工业出版社，2006.5：
112-116
[2]贺益康，潘再平。
电力电子技术[M]。
北京：
科学出版社，2004.4：
224-227
[3]金海明，郑安平。
电力电子技术[M]。
北京：
北京邮电大学出版社，2005：
189-192
[4]莫正康。
电力电子应用技术[M]，第3版。
北京：
机械工业出版社，2000.5：
151-162
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