斬控式單相交流調(diào)壓電路

12/17設(shè)計內(nèi)容與設(shè)計要求設(shè)計內(nèi)容：電路功能：用斬控方式實現(xiàn)交流調(diào)壓,功率因數(shù)高,諧波小,輸出波形好。電路由主電路與控制電路組成,主電路主要環(huán)節(jié)：主電力電子開關(guān)與續(xù)流管。控制電路主要環(huán)節(jié)：脈寬調(diào)制PWM電路、電壓電流檢測單元、驅(qū)動電路、檢測與故障保護(hù)電路。主電路電力電子開關(guān)器件采用GTR、IGBT或MOSFET。系統(tǒng)具有完善的保護(hù)2.系統(tǒng)總體方案確定3.主電路設(shè)計與分析1確定主電路方案2主電路元器件的計算及選型3主電路保護(hù)環(huán)節(jié)設(shè)計4.控制電路設(shè)計與分析檢測電路設(shè)計功能單元電路設(shè)計觸發(fā)電路設(shè)計控制電路參數(shù)確定設(shè)計要求：用SG3525產(chǎn)生脈沖。設(shè)計思路清晰,給出整體設(shè)計框圖；單元電路設(shè)計,給出具體設(shè)計思路和電路；分析所有單元電路與總電路的工作原理,并給出必要的波形分析。繪制總電路圖寫出設(shè)計報告；主要設(shè)計條件設(shè)計依據(jù)主要參數(shù)輸入輸出電壓：單相〔AC220〔1+15%、0~150V〔AC最大輸出電流：5A功率因數(shù)：≥0.72.可提供實驗與仿真條件說明書格式課程設(shè)計封面；任務(wù)書；說明書目錄；設(shè)計總體思路,基本原理和框圖〔總電路圖；單元電路設(shè)計〔各單元電路圖；故障分析與電路改進(jìn)、實驗及仿真等?？偨Y(jié)與體會；附錄〔完整的總電路圖；參考文獻(xiàn)；10、課程設(shè)計成績評分表進(jìn)度安排第一周星期一:課題內(nèi)容介紹和查找資料；星期二:總體電路方案確定星期三:主電路設(shè)計星期四:控制電路設(shè)計星期五:控制電路設(shè)計；第二周星期一:控制電路設(shè)計星期二：電路原理及波形分析、實驗調(diào)試及仿真等星期四~五:寫設(shè)計報告,打印相關(guān)圖紙；星期五下午:答辯及資料整理目錄TOC\o"1-3"\u第1章概述11.1單相交流調(diào)壓11.2交流調(diào)壓在生活生產(chǎn)中的應(yīng)用11.3課題總體概述1第２章設(shè)計總體思路22.1基本工作原理22.2總體方案確定3第3章主電路設(shè)計與分析43.1主要技術(shù)條件及要求43.2主電路計算及元器件參數(shù)選型43.3主電路結(jié)構(gòu)設(shè)計53.4主電路保護(hù)設(shè)計6第4章單元控制電路設(shè)計74.1主控制芯片的詳細(xì)說明及介紹74.11芯片的詳細(xì)介紹74.12芯片的工作原理84.2驅(qū)動電路設(shè)計94.3過零檢測及續(xù)流觸發(fā)電路104.4控制保護(hù)電路設(shè)計11第5章總結(jié)與體會12第6章附錄13附錄A參考文件14第1章概述1.1單相交流調(diào)壓對單相交流電的電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)的電路。用在電熱控制、交流電動機(jī)速度控制、燈光控制和交流穩(wěn)壓器等場合。與自耦變壓器調(diào)壓方法相比,交流調(diào)壓電路控制方便,調(diào)節(jié)速度快,裝置的重量輕、體積小,有色金屬消耗也少。1.2交流調(diào)壓在生活生產(chǎn)中的應(yīng)用交流調(diào)壓電路廣泛用于燈光控制〔如調(diào)光臺燈和舞臺燈光控制及異步電動機(jī)的軟起動,也用于異步電動機(jī)調(diào)速。在電力系統(tǒng)中,這種電路還常用于對無功功率的連續(xù)調(diào)節(jié)。此外,在高電壓小電流或低電壓大電流直流電源中,也常用交流高壓電路調(diào)節(jié)變壓器一次電壓。因此交流調(diào)壓電路廣泛存在于農(nóng)村、輕工業(yè)、家用電器等小功率傳動領(lǐng)域以及電力機(jī)車供電系統(tǒng)。1.3課題總體概述用斬控方式實現(xiàn)交流調(diào)壓,功率因數(shù)高,諧波小,輸出波形好。電路由主電路與控制電路組成,主電路主要環(huán)節(jié)：主電力電子開關(guān)與續(xù)流管。控制電路主要環(huán)節(jié)：脈寬調(diào)制PWM電路、電壓電流檢測單元、驅(qū)動電路、檢測與故障保護(hù)電路。本課題將利用單相斬控式交流調(diào)壓電路實現(xiàn)一系列的功能。第2章設(shè)計總體思路2.1基本工作原理一般采用全控型器件作為開關(guān)器件,其基本原理和直流斬波電路類似,只是直流斬波電路的輸入是直流電壓,而斬控式交流調(diào)壓電路輸入的是正弦交流電壓。在交流電源ui的正半周,用V1進(jìn)行斬波控制,用V3給負(fù)載電流提供續(xù)流通道；在ui的負(fù)半周,用V2進(jìn)行斬波控制,用V4給負(fù)載電流提供續(xù)流通道。設(shè)斬波器件V1、V2的導(dǎo)通時間為ton,開關(guān)周期為T,則導(dǎo)通比為α=ton/T,和直流斬波電路一樣,通過對α的調(diào)節(jié)可以調(diào)節(jié)輸出電壓U0。2.2總體方案確定在本設(shè)計中要求：輸入電壓：單相〔AC220〔1+15%,輸出電壓0~150V〔AC,最大輸出電流：5A,功率因數(shù)：≥0.7斬波器可調(diào)節(jié)輸出電壓的大小,同時斬控方式實現(xiàn)交流調(diào)壓,功率因數(shù)高,諧波小,輸出波形好。斬控式單相交流調(diào)壓電路中,用占空比控制低壓側(cè)的電壓.其中用控制電路來實現(xiàn)IGBT管的通斷,調(diào)節(jié)PWM波的輸出來改變控制角ɑ,從而調(diào)節(jié)占空比的大小,進(jìn)而用來調(diào)節(jié)輸出電壓的大小。初步設(shè)想將總電路分為三個部分：主電路、控制電路、保護(hù)電路。其中主電路為斬控式電路,斬波電路采用IGBT進(jìn)行控制的脈寬調(diào)制方式的斬控方式?？刂齐娐凡捎肧G3525芯片來對IGBT的通斷進(jìn)行控制。保護(hù)電路包括主電路中的過電壓和過電流保護(hù)、IGBT的保護(hù)?？傠娐房驁D如圖。第3章主電路設(shè)計3.1主要技術(shù)條件及要求把兩個晶閘管反并聯(lián)后串聯(lián)在交流電路中,通過對晶閘管的控制就可以控制交流電力。這種電路不改變交流電的頻率,稱為交流電力控制電路。在每半個周波內(nèi)通過對晶閘管開通相位控制,可以方便地調(diào)節(jié)輸出電壓的有效值,這種電路稱為交流調(diào)壓電路。斬控式交流調(diào)壓就是通過改變對晶閘管的導(dǎo)通的控制,可以是保持開關(guān)周期T不變,調(diào)節(jié)開關(guān)導(dǎo)通時間Ton。斬波控制要求以比電源頻率高得多的頻率周期性接通和斷開主電路開關(guān)器件,把連續(xù)的正弦輸入電壓"斬"成離散的脈沖狀加于負(fù)載。由于開關(guān)器件以高頻工作,在電路中必須實施強(qiáng)迫換流。為此斬波控制的交流調(diào)壓都是采用全控型雙向開關(guān)器件。所以設(shè)計主電路采用的是MOSFET新型的全控型器件,驅(qū)動電路簡單,需要的驅(qū)動功率小,開關(guān)的速度快,工作的頻率高,符合設(shè)計的要求。3.2主電路計算及元器件參數(shù)選型開關(guān)管選用MOSFET。MOSFET是高效、功率開關(guān)器件。它不僅承場效應(yīng)管輸入阻抗高〔≥108W、驅(qū)動電流小〔左右0.1μA左右,還具有耐壓高〔最高可耐壓1200V、工作電流大〔1.5A～100A、輸出功率高〔1～250W、跨導(dǎo)的線性好、開關(guān)速度快等優(yōu)良特性因為功率因數(shù)指電壓與電流的相位之間的關(guān)系,則由波形可以看出,電源電流的基波分量是和電源電壓同相位的,即位移因數(shù)為1。另外,通過傅里葉分析可知,電源電流不含低次諧波,只含和開關(guān)周期T有關(guān)的高次諧波。這些高次諧波用很小的濾波器即可濾除。這時電路功率因數(shù)接近1。3.3主電路結(jié)構(gòu)設(shè)計在考慮到減少電路誤差的情況下,我們采用了如圖3.4所示的主電路,主回路由Ql—Q3三個VMOS管和D1—D3三個二極管組成的全控整流電路實現(xiàn)對交流輸入電壓的斬波調(diào)壓。當(dāng)交流輸入電壓在正半周時,電流流經(jīng)VD1、Q3、VD3；當(dāng)交流輸入處于負(fù)半周時,電流流經(jīng)VD2、Q3、VD4、；Q3始終處于正向電壓作用下,當(dāng)在Q3源柵極之間加入觸發(fā)信號時,Q3處于開關(guān)狀態(tài)。調(diào)整加在柵極上的脈沖寬度即可調(diào)節(jié)輸出電壓的大小。由于Q3處于開關(guān)狀態(tài),且VMOS管具有很小的關(guān)斷時間,只要適當(dāng)選擇較低的飽和壓降,Q3的功耗可以做得很小,所以該斬波調(diào)壓具有較高的效率?？紤]到負(fù)載可能為感性的,加了由Q1、Q2及D1、D2組成的續(xù)流環(huán)節(jié)。當(dāng)Q3關(guān)斷時,在電壓處于正半周時,Q2導(dǎo)通,Q1關(guān)斷,流經(jīng)負(fù)載的電流通過Q2、D1續(xù)流。在電壓負(fù)半周,Q1導(dǎo)通,Q2關(guān)斷,流經(jīng)負(fù)載的電流通過Q1、D2續(xù)流。為防止Q1、Q2、Q3同時導(dǎo)通而引起較大的短路電流,對加在Q1和Q2上的觸發(fā)信號有一定要求,這在過零觸發(fā)電路中討論。圖中L1、C1為電源濾波網(wǎng),以吸收瞬態(tài)過程中的過電壓,并減少對外線路的干擾。L2、C2為輸出濾波環(huán)節(jié),由于本機(jī)調(diào)制頻率取得較高,所以L2和C2只需很小值即可。其中每個VMOS管都有保護(hù)裝置如圖所示。其中Q3的PWM波控制由PWM波發(fā)生器通過對給定的調(diào)整產(chǎn)生,輸出占空比一定的PWM波。圖3-3主電路圖3.4主電路保護(hù)設(shè)計為使主電路長期穩(wěn)定、安全可靠地工作,必須設(shè)計各種類型的保護(hù)電路,避免因電路出現(xiàn)故障、使用不當(dāng)或條件發(fā)生變化而損壞電路上的零器件。在主電路上有一個線圈KM的常閉觸點,在電路的輸出端用一變壓器進(jìn)行降壓然后再用整流橋進(jìn)行整流使之變成直流電,輸出電壓與比較器上設(shè)定的正5伏電壓相比較,如果電路出現(xiàn)了過電壓的現(xiàn)象,輸出電壓就會高于設(shè)定值,比較器就會輸出電壓,使三極管導(dǎo)通,這樣就會使線圈KM的保護(hù)電路接通,線圈就會被通電,KM在主電路的常閉觸點就會斷開,從而達(dá)到保護(hù)主電路的作用。第4章單元控制電路設(shè)計4.1主芯片的相關(guān)說明本次課程設(shè)計由芯片SG3525產(chǎn)生脈沖,來控制VMOSFET來實現(xiàn)斬波調(diào)壓,它具有管腳數(shù)量少,外圍電路簡單等特點,因而得到了廣泛的應(yīng)用。4.11芯片的詳細(xì)介紹SG3525的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖6-1所示,它主要由基準(zhǔn)電壓調(diào)整器、震蕩器、誤差放大器、比較器、鎖存器、欠壓鎖定電路、閉鎖控制電路、軟啟動電路、輸出電路構(gòu)成。圖4-1SG3525內(nèi)部框圖

SG3525A系列脈寬調(diào)制器控制電路可以改進(jìn)為各種類型的開關(guān)電源的控制性能和使用較少的外部零件。在芯片上的5.1V基準(zhǔn)電壓調(diào)定在±1％,誤差放大器有一個輸入共模電壓范圍。它包括基準(zhǔn)電壓,這樣就不需要外接的分壓電阻器了。一個到振蕩器的同步輸入可以使多個單元成為從電路或一個單元和外部系統(tǒng)時鐘同步。在CT和放電腳之間用單個電阻器連接即可對死區(qū)時間進(jìn)行大范圍的編程。在這些器件內(nèi)部還有軟起動電路,它只需要一個外部的定時電容器。一只斷路腳同時控制軟起動電路和輸出級。只要用脈沖關(guān)斷,通過PWM〔脈寬調(diào)制鎖存器瞬時切斷和具有較長關(guān)斷命令的軟起動再循環(huán)。當(dāng)VCC低于標(biāo)稱值時欠電壓鎖定禁止輸出和改變軟起動電容器。輸出級是推挽式的可以提供超過200mA的源和漏電流。SG3525A系列的NOR〔或非邏輯在斷開狀態(tài)時輸出為低。圖4-1SG3525內(nèi)部框圖

·工作范圍為8.0V到35V·5.1V±1.0％調(diào)定的基準(zhǔn)電壓·100Hz到400KHz振蕩器頻率·分立的振蕩器同步腳4.12芯片的工作原理SG3525內(nèi)置了5.1V精密基準(zhǔn)電源,微調(diào)至1.0%,在誤差放大器共模輸入電壓范圍內(nèi),無須外接分壓電組。SG3525還增加了同步功能,可以工作在主從模式,也可以與外部系統(tǒng)時鐘信號同步,為設(shè)計提供了極大的靈活性。在CT引腳和Discharge引腳之間加入一個電阻就可以實現(xiàn)對死區(qū)時間的調(diào)節(jié)功能。由于SG3525內(nèi)部集成了軟啟動電路,因此只需要一個外接定時電容。

SG3525的軟啟動接入端〔引腳8上通常接一個5的軟啟動電容。上電過程中,由于電容兩端的電壓不能突變,因此與軟啟動電容接入端相連的PWM比較器反向輸入端處于低電平,PWM比較器輸出高電平。此時,PWM瑣存器的輸出也為高電平,該高電平通過兩個或非門加到輸出晶體管上,使之無法導(dǎo)通。只有軟啟動電容充電至其上的電壓使引腳8處于高電平時,SG3525才開始工作。由于實際中,基準(zhǔn)電壓通常是接在誤差放大器的同相輸入端上,而輸出電壓的采樣電壓則加在誤差放大器的反相輸入端上。當(dāng)輸出電壓因輸入電壓的升高或負(fù)載的變化而升高時,誤差放大器的輸出將減小,這將導(dǎo)致PWM比較器輸出為正的時間變長,PWM瑣存器輸出高電平的時間也變長,因此輸出晶體管的導(dǎo)通時間將最終變短,從而使輸出電壓回落到額定值,實現(xiàn)了穩(wěn)態(tài)。反之亦然。

外接關(guān)斷信號對輸出級和軟啟動電路都起作用。當(dāng)Shutdown〔引腳10上的信號為高電平時,PWM瑣存器將立即動作,禁止SG3525的輸出,同時,軟啟動電容將開始放電。如果該高電平持續(xù),軟啟動電容將充分放電,直到關(guān)斷信號結(jié)束,才重新進(jìn)入軟啟動過程。注意,Shutdown引腳不能懸空,應(yīng)通過接地電阻可靠接地,以防止外部干擾信號耦合而影響SG3525的正常工作。

欠電壓鎖定功能同樣作用于輸出級和軟啟動電路。如果輸入電壓過低,在SG3525的輸出被關(guān)斷同時,軟啟動電容將開始放電。

此外,SG3525還具有以下功能,即無論因為什么原因造成PWM脈沖中止,輸出都將被中止,直到下一個時鐘信號到來,PWM瑣存器才被復(fù)位。4.2驅(qū)動電路設(shè)計驅(qū)動電路是指驅(qū)動開關(guān)器件Q3,從而來實現(xiàn)斬波調(diào)壓的目的。由以上對SG3525的介紹可知,在SG3525芯片中產(chǎn)生了三角波,用一直流信號與之比較,就會產(chǎn)生一系列的矩形脈沖,這些矩形脈沖可以用來控制開關(guān)器件Q3的導(dǎo)通與關(guān)閉,我們通過調(diào)制直流信號的大小或是調(diào)節(jié)三角波的頻率就可以改變矩形脈沖的頻率,從而達(dá)到交流調(diào)壓的目的。驅(qū)動電路的電路圖如下圖所示,我們通過調(diào)節(jié)RP1就可以調(diào)節(jié)三角波的頻率。4.3過零檢測及續(xù)流觸發(fā)電路當(dāng)負(fù)載為阻感負(fù)載時,電路必須有續(xù)流環(huán)節(jié),續(xù)流環(huán)節(jié)由Q1和Q2兩個MOSFET來控制,當(dāng)電壓處于正半周時通過Q2,在負(fù)半周時通過Q1,但Q1與Q2之間如何進(jìn)行轉(zhuǎn)變這必須有一個正確的判斷,這就需要過零檢測電路。如下圖所示,交流電壓經(jīng)過變壓器變壓,因交流信號有正向過零點和負(fù)向過零點,故運用一個正向比例器與反向比例器進(jìn)行兩零點與標(biāo)準(zhǔn)零點電壓的比較,其輸出信號經(jīng)過光控隔離進(jìn)行穩(wěn)壓和放大后,分別控制續(xù)流裝置中的Q1和Q2兩個MOSFET管控制端。圖4-3過零檢測及續(xù)流觸發(fā)電路為了防止Q1、Q2兩個同時開通,我們采用了互鎖,就是說Q1、Q2管不可以同時導(dǎo)通,在正半波,開通Q2管續(xù)流；在負(fù)半波,開通Q1管續(xù)流。4.4控制保護(hù)電路設(shè)計為了保護(hù)電路防止電路的過電壓,加入一個保護(hù)電路。如下圖所示,在電路的輸出端用一變壓器進(jìn)行降壓然后再用整流橋進(jìn)行整流使之變成直流電,輸出電壓與比較器上設(shè)定的正5伏電壓相比較,如果輸出電壓高于正5伏,比較器就輸出正5伏電壓,比較器的輸出端與SG3525的3管腳相連,因為前面已經(jīng)介紹了SG3525,它的3號管腳是電流取樣輸入端。在外圍電路中,在功率開關(guān)管的源極串接一個小阻值的取樣電阻,將脈沖變壓器的電流轉(zhuǎn)換成電壓,此電壓送入腳3,控制脈寬。當(dāng)功率開關(guān)管的電流增大,取樣電阻上的電壓超過1V時SG3525就停止輸出,有效地保護(hù)功率開關(guān)管；圖4-4控制電路的保護(hù)電路圖4-4控制電路的保護(hù)電路第5章總結(jié)與體會本次電力電子的課程設(shè)計使我受益匪淺。短短兩周的時間里,鍛煉了我主動動手解決問題和設(shè)計性思維的能力,將理論應(yīng)用于實踐中確實并非易事,因為它不是單純的理論學(xué)習(xí)和理解,包含的東西遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過我的想象,首先是扎實的理論基礎(chǔ),再是具備創(chuàng)新設(shè)計思維,還必須懂得電腦仿真軟件的應(yīng)用,接著是擁有一定的編寫報告的能力,最后也是最重要的是要有刻苦專研和積極提問的精神。這次斬控式單相交流調(diào)壓電路曾是電力電子中的一個實驗,對于其工作原理已經(jīng)有了一定的掌握和了解,但是在具體實施設(shè)計時才發(fā)現(xiàn)并沒有想象的那么簡單,對于斬控式的了解也僅僅只是建立在實驗的基礎(chǔ)上,自己設(shè)計電路完全不同于實驗,來了就此對于所需芯片以及元件的相關(guān)資料的收集和斬控式電路一些文獻(xiàn)的翻閱才對課題有了不少了解。通過這次的課程設(shè)計,不但讓我對電力電子有了更加深層的認(rèn)識,而且對課本的知識起到了很好的鞏固作用。自動化專業(yè)的相關(guān)學(xué)科已經(jīng)有多次課程設(shè)計的經(jīng)驗,但是每次都能給我?guī)硇碌氖斋@,在一些了書本知識的學(xué)習(xí)之后再經(jīng)過課程設(shè)計的鍛煉,對于學(xué)科的理解和知識的掌握都起到了很大的幫助,也是一次很好的將理論與實踐相結(jié)合的機(jī)會。兩周的實習(xí)帶給我的不僅僅是知識