【全波整流電路的設(shè)計與實現(xiàn)6000字（論文）】

PAGE22全波整流電路的設(shè)計與實現(xiàn)摘要煤炭、石油和天然氣等化石燃料的迅速消耗，不僅引起了能源危機，還造成了以及環(huán)境污染日益加劇，由于電力的清潔，輸送方便，在各國的國民工業(yè)發(fā)展中都占據(jù)著重要的地位，隨著電力的廣泛應(yīng)用，越來越多的負載對用電的種類提出了要求，需要一定的電力變換設(shè)備。電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，整流器的應(yīng)用領(lǐng)域也日益擴大。在電壓平衡狀態(tài)下，全波整流電路具有能量的雙向流動，在用電和配電、各種工業(yè)場合領(lǐng)域占據(jù)了重要的地位。本文首先對全波整流電路系統(tǒng)進行了研究。在查閱大量國內(nèi)外文獻資料的基礎(chǔ)上，對整流電路及其控制器的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及研究趨勢做了詳細的研究，并對課題研究的意義有了更深入的認識。接下來對三相電壓型整流電路的拓撲結(jié)構(gòu)、數(shù)學(xué)模型、整流電路的控制技術(shù)進行了分析，并結(jié)合一定的平臺對全波整流電路進行研究設(shè)計。關(guān)鍵詞：能源，全波整流電路，控制目錄30627摘要 I245661引言 2148542全波整流電路參數(shù)設(shè)計 3201522.1整流電路工作原理 3256472.1.1三相整流電路 3134632.1.2單相整流電路 4119472.2整流電路交流側(cè)電感設(shè)計 4259742.3整流電路功率器件的確定 6238502.4直流側(cè)電容設(shè)計 6164473全波整流電路硬件電路設(shè)計 874523.1相關(guān)電路設(shè)計 815713.1.1RC濾波及LM2902電路設(shè)計 9221213.1.2AD7656與FPGA的連接 9258493.2電源電路的設(shè)計 1058393.3驅(qū)動電路的設(shè)計 1155473.4全波產(chǎn)生模塊設(shè)計 115425結(jié)論 1414016參考文獻 151引言自上世紀(jì)19世紀(jì)末，人類社會經(jīng)過了第二次工業(yè)革命，進入了電氣時代，電能成為了日常生活不可缺少的一部分，目前各國都在普遍關(guān)注如何能高效率、無污染地使用電能，不能直接被利用的電能占70%以上，這些電能都要經(jīng)過電力電子裝置控制變換后才能使用，其中整流電路占到90%以上[1]，而大部分都是使用的相控整流或者不控整流，這些方式具有很強的非線性，無功功率大，會對電網(wǎng)注入大量諧波，污染電網(wǎng)，許多國家制定了諧波標(biāo)準(zhǔn)，如IEC1000-3-2、IEEE519-1992和IEC555-2等，用以限制電流諧波含量，傳統(tǒng)方式的整流大都達不到這些標(biāo)準(zhǔn)，所以功率因數(shù)校正技術(shù)成為國內(nèi)外的熱點[2]。和傳統(tǒng)的晶閘管相控整流或不控整流相比，將功率因數(shù)校正用于整流電路控制中，使得控制之后的輸入的電流波形并跟蹤上三相輸入電壓，同時使直流側(cè)輸出電壓恒定，實現(xiàn)PFC。整流電路設(shè)備動態(tài)響應(yīng)快，具有很強的生命力，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，全波技術(shù)也日漸成熟，電路的拓撲也從單相到三相[5]，到多相組合及多電平結(jié)構(gòu)，并已有相應(yīng)的產(chǎn)品投入了使用，受到功率半導(dǎo)體的制造工藝限制，傳統(tǒng)的兩電平在大功率、高電壓的場合對器件有嚴格要求，所以一般使用功率器件串并的方式，但是它們又會產(chǎn)生均壓均流的問題，使得整流電路不能達到理想的性能，多電平拓撲的全波整流電路能夠降低對器件的要求，同時能進一步減小輸入電流的諧波含量，降低系統(tǒng)的損耗，提高系統(tǒng)的效率，所以多電平整流電路收到越來越多的關(guān)注，同時為全波整流電路的發(fā)展開辟了新領(lǐng)域。2全波整流電路參數(shù)設(shè)計2.1整流電路工作原理隨著三相大功率電力電子裝置在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用越來越多，人們對電力電子設(shè)備產(chǎn)生的諧波污染也日益的重視起來。VIENNA整流電路作為一種優(yōu)秀的功率因數(shù)校正拓撲結(jié)構(gòu)，其每個橋臂只需一個功率開關(guān)管，三個橋臂的驅(qū)動相互獨立，不需要設(shè)置死區(qū)時間，電路中的任意功率元器件所承受的電壓均為直流側(cè)母線電壓的一半，輸出直流電壓不存在直通危險，基于上述的諸多優(yōu)點而受到學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注，并對其進行了大量的研究。2.1.1三相整流電路 三相三線制整流電路的拓撲結(jié)構(gòu)如圖2-1所示，它由三個功率電感（工作在boost模式下）、一個三相整流橋（由超快恢復(fù)二極管構(gòu)成）、三組雙向功率開關(guān)（電流可以雙向流動）和一組串聯(lián)的輸出電容構(gòu)成。將每一相上的兩個超快恢復(fù)二極管和其所對應(yīng)的雙向功率開關(guān)定義為此相的功率橋臂[18]。圖2-1三相三線制整流電路的拓撲結(jié)構(gòu)2.1.2單相整流電路單相整流電路的拓撲結(jié)構(gòu)如圖2-2所示，單相整流電路電路結(jié)構(gòu)簡單，開關(guān)管承受的電壓為輸出電壓的一半，同等輸出電壓情況下，能有效地降低開關(guān)管的電壓應(yīng)力。另外，該電路具有三電平結(jié)構(gòu)，因而，在確定電流紋波要求下，可以采用較小的濾波電感。由于上述特點使得該電路在單相功率因數(shù)校正（PFC）場合具有良好應(yīng)用前景。研究了一種基于單周期控制技術(shù)、采用簡單模擬控制電路的單相整流電路。圖2-2單相整流電路的拓撲結(jié)構(gòu)2.2整流電路交流側(cè)電感設(shè)計本文設(shè)計的整流電路的核心是主拓撲電路，整個裝置的最終執(zhí)行部分也是主拓撲電路，其安全性和可靠性是整個系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運行的必要條件。本論文根據(jù)現(xiàn)在應(yīng)用比較熱的電動汽車的應(yīng)用為設(shè)計目標(biāo)，設(shè)計將要實驗的指標(biāo)如下：（1）輸入工頻220V相電壓。（2）輸出直流電壓300V/1A。（3）功率因數(shù)0.95以上。（4）輸入電流的THD<8%整流電路中，交流側(cè)電感的設(shè)計選型對系統(tǒng)性能有著重要影響，其主要作用有：（1）使整流電路拓化的輸入電壓和電網(wǎng)電壓隔離：（2）濾除諧波電流，主要是濾除電網(wǎng)輸入時引入的諧波電流Ｗ及整流電路自身因為功率開關(guān)管導(dǎo)通關(guān)斷所造成的諧波電流；（3）儲能升壓，當(dāng)開關(guān)關(guān)斷時，電感和電網(wǎng)電壓一起向直流側(cè)供電，起到升壓電路的作用；電感的選擇往往需?？紤]多方面的因素，當(dāng)電感太小時，濾波效果不好，當(dāng)電感太大時，會導(dǎo)致電感電壓較大，若忽略會導(dǎo)致較大誤差，且會影響輸入電流跟蹤輸入電壓的變化。電感的最大工作磁通密度按照最小輸入電壓時最大負載情況來計算，ａ相電感的選擇為例，則單相輸入電流的有效值為[34]：（2-1）式中，Po為輸出功率，為系統(tǒng)效率，取0.95，PF為功率因數(shù)，取0.98。為最小輸入電壓，為50V，則≈14.32A。在輸入電壓最小時的占空比d為：（2-2）式中，為直流側(cè)輸出電壓。紋波電流的峰值與輸入電流峰值的比值稱為紋波系數(shù)，通常取20%左右，則紋波電流為：（2-3）所以，由電磁感應(yīng)定律得，（2-4）式中；為開關(guān)頻率。結(jié)合VIENNA整流電路的電路參數(shù)，在開關(guān)頻率=10KHZ時，得到的電感量約為1.3mH。在實際電路中，考慮到留有一定裕量，并考慮到電感增加，濾除紋波能力増加，但同時體積也一并増加等因素，最終選取的電感量為2.5mH。2.3整流電路功率器件的確定功率開關(guān)管和的參數(shù)主要取決于主電路中器件電壓和電流的應(yīng)力大小，當(dāng)開關(guān)管斷開時，功率開關(guān)管承受的電壓為直流側(cè)母線電壓的一半，當(dāng)開關(guān)管閉合時，流過功率開關(guān)管的電流為整流電路輸入側(cè)電感電流，當(dāng)整流電路滿載工作時，開關(guān)管的電流應(yīng)力為基波電流峰值和紋波電流的疊加.當(dāng)整流電路滿載工作時，開關(guān)管的電流應(yīng)力為基波電流峰值和紋波電流的疊加，結(jié)和上述公式可得：（2-5）當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷時，其兩端承受的電壓應(yīng)力為直流母線電壓的一半，即為150V，考慮到2倍裕量，則選擇額定電壓大于300V的開關(guān)管，當(dāng)滿載時，最大輸入電流約為22.27A，選擇管子時額定電流裕量增加到2倍，大于44A，綜上所述，最終選擇英飛凌的F3L50R06W的IGBT模塊，Vces＝600V，Icnom＝50A。2.4直流側(cè)電容設(shè)計整流電路中，直流側(cè)電容主要有兩個方面的作用：（1）對交流側(cè)和直流側(cè)的能量交換起到緩沖作用：（2）對直流側(cè)輸出電壓起到穩(wěn)定作用，同時對直流母線電壓諧波起到抑制作用。根據(jù)整流電路的整體設(shè)計要求，在進行理論計算時，一方面考慮到對直流輸出電壓的穩(wěn)定效果，電容值應(yīng)該取得大些；另一方面，為了使得點流內(nèi)環(huán)的動態(tài)響應(yīng)盡可能快，電壓外環(huán)靈敏度高，電容值應(yīng)該取得小些。實際運行過程中，所使用的控制策略、工作條件及負載特性都會影響電容的大小，需要充分考慮負載功率變化的大小、保持時間及輸出電壓在規(guī)定范圍內(nèi)的上下限值等因素。若取保持時間為10ms，最大輸出電壓為1.3Vo。，最小輸出電壓為化0.7Vo。，根據(jù)下式，可以算得電容值：（2-6）其中Vomin代表母線電壓最小值，Vomax代表母線電壓最大值，代表直流母線電壓由最小值上升至穩(wěn)定值所需要的時間Po為直流側(cè)輸出功率?？紤]到電容值越大，直流側(cè)的濾波效果越好，但是體積也會越大，所以綜合考慮后，最終選擇電容值為2000ｕF的電容，通過1000ｕF／400V的鉛電解電容器兩串四并得到。3全波整流電路硬件電路設(shè)計3.1相關(guān)電路設(shè)計信號采集及調(diào)理電路負責(zé)為整個變流控制系統(tǒng)提供控制所需要的各種電壓、電流信號，包括直流側(cè)被控電壓和交流側(cè)電流。信號采集對控制系統(tǒng)來說相當(dāng)重要，單相Vienna的控制系統(tǒng)算法都是通過采集而來的電流和電壓信號計算得來的。如果電流和電壓信號的采集誤差較大的話，則會對控制系統(tǒng)造成很大的影響，甚至系統(tǒng)不能達到控制的效果。由于全波整流控制板（FPGA控制板）只能接收很小的電壓信號（±10V以內(nèi)），而被控整流系統(tǒng)的實時信號都是高壓和大電流級別的信號，所以必須通過信號轉(zhuǎn)換來采集實時信號。對于脈動直流電壓信號，通過霍爾電壓傳感器實現(xiàn)電壓的采集并轉(zhuǎn)換成可供AD采樣的低壓信號。交流側(cè)電流信號采集通過電流互感器實現(xiàn)，選擇合適的電流互感器變比，將交流側(cè)電流轉(zhuǎn)換為低于5mA的電流信號。對于小功率全波整流電路，其交流側(cè)電流一般不超過10A，因此選用10A/5mA的電流互感器。對于AD轉(zhuǎn)換芯片AD7656來說，只能接收電壓信號，因而必須通過采樣電阻將5mA的低電流信號轉(zhuǎn)換成低于5V的電壓信號送給AD7656處理。電流信號的采集是首先通過電流互感器將較大的全波交流側(cè)電流轉(zhuǎn)換為弱電流信號，然后將電流轉(zhuǎn)換為電壓送至AD采樣電路。項目設(shè)計過程中，全波整流電路交流側(cè)實際電流小于10A，為了得到5mA的弱電流信號，我們選擇變比為1/2000的電流互感器。由于AD7656模數(shù)轉(zhuǎn)換電路采用的是±5V的采集范圍，因此必須將±5mA轉(zhuǎn)換為±5V。該部分電路如圖3-1所示。圖3-1采樣電路3.1.1RC濾波及LM2902電路設(shè)計經(jīng)過信號采集轉(zhuǎn)換后的電流和電壓信號在送至AD7656之前必須經(jīng)過濾波處理，因為對于全波整流系統(tǒng)來說，它要實現(xiàn)的是單位功率因數(shù)整流，為了減少對電網(wǎng)的污染，電流和電壓中的諧波信號在進入AD之前要濾除掉。我們可以通過RC低通濾波器來濾除這些諧波信號。由于RC低通濾波器的設(shè)計方法已經(jīng)成熟，在此不再詳述。電路圖結(jié)構(gòu)如圖3-2所示圖3-2低通濾波器結(jié)構(gòu)圖3.1.2AD7656與FPGA的連接由于FPGA只能處理數(shù)字信號，所以整流電路的電流和電壓等模擬號經(jīng)過采集濾波后還必須通過AD（模數(shù)）轉(zhuǎn)換才能夠進入FPGA進行處理。為了使控制系統(tǒng)滿足一定的精度，我們采用高精度16位的AD7656實現(xiàn)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。根據(jù)實際需要，需要采集18路實時信號，故需要3片AD7656實現(xiàn)，AD7656的所有時序控制信號由FPGA產(chǎn)生。圖3-3給出了AD7656和FPGA的連接原理圖。通過順序選定3片AD7656依次將數(shù)據(jù)讀出。圖3-3FPGA和AD7656連接原理圖3.2電源電路的設(shè)計輔助電源同時為信號調(diào)理板和FPGA控制板供電，需要一組±15V的直流電源給信號調(diào)理板，一組+5V給FPGA控制板供電。采用常用的三端集成穩(wěn)壓管7815、7915產(chǎn)生±15V的電壓，用7805產(chǎn)生+5V輸出電壓，78xx系列和79xx系列為封裝形式為TO-220的固定輸出穩(wěn)壓管，其應(yīng)用非常廣泛，其內(nèi)部內(nèi)置有過熱過流的保護，因此使用起來非常方便，如果加足夠大的散熱片，他們可以輸出高達1.0A的電流，能夠滿足該系統(tǒng)對電源的需求。穩(wěn)壓電路典型的電路圖如圖3-4和圖3-5所示，穩(wěn)壓管的輸出接1000uF的電解電容用于穩(wěn)定輸出電壓，使輸出電壓更加平穩(wěn)，如圖中的E19和E20，一般情況下輸出端還要接上0.1uF的高頻去耦電容，如圖中的C11和C12。圖3-4+5v輔助電源供電電路圖3-5±15V輔助電源電路3.3驅(qū)動電路的設(shè)計由于FPGA控制發(fā)出的全波脈沖信號幅值為3.3V，無法直接驅(qū)動功率開關(guān)管導(dǎo)通和關(guān)斷，因此需要一個介于FPGA控制器和功率開關(guān)管之間的的驅(qū)動電路，使得控制器輸出信號放大到能夠驅(qū)動開關(guān)管。同時，由于全波整流電路的開關(guān)管通過的是大電流高電壓，為了防止其對挖制電路產(chǎn)生干擾甚至損壞，有必要對FPGA控制信號進行隔離，因此，驅(qū)動電路不僅要解決功率放大的問題，還要解決電氣信號的隔離保護問題。在電氣信號的隔離中，常采用光電隔離技術(shù)及磁隔離技術(shù)，本文采用的是光電隔離技術(shù)，在信號的傳送過程中，電信號以光的形式傳輸，信號不受電場、磁場的干擾，信號的輸入輸出之間可以實現(xiàn)有效的隔離。圖3-6驅(qū)動電路圖3.4全波產(chǎn)生模塊設(shè)計數(shù)字觸發(fā)控制器最核心的功能就是生成同步脈沖序列來控制可控硅的導(dǎo)通與關(guān)斷，因而控制邏輯中需要全波模塊按一定規(guī)律生成特定的脈沖信號。本設(shè)計中的全波模塊可以在每個控制周期參照自然換相點和移相角生成相應(yīng)的6路脈沖控制信號。三相全控橋式整流電路最基本的控制原理就是：任意時刻整流電路的共陰組和共陽組中分別只有一個可控硅被觸發(fā)導(dǎo)通，從而形成一個控制回路。而要想使可控硅中的電流從零達到臨界值需要一個過程，也就是說可控硅的觸發(fā)脈沖必須持續(xù)一定的時間且達到一定的功率才可以。工業(yè)控制中常見的橋式整流電路的觸發(fā)方式主要有以下兩種：圖3-7寬脈沖觸發(fā)方式控制時序圖(1)寬脈沖觸發(fā)方式按照第2章節(jié)介紹的整流電路的工作原理，一個可控硅的一次導(dǎo)通需要跨越兩個相鄰的周期（一個周期60°）。使用寬脈沖觸發(fā)方式進行控制時，每個周期只需要發(fā)送一路寬度大于60°的脈沖（通常為90°）即可。在發(fā)送當(dāng)前周期的觸發(fā)脈沖的時候，上一個周期的觸發(fā)脈沖仍在繼續(xù)，這樣就保證了任意時刻任意時刻整流電路的共陰組和共陽組中分別有且僅有一個可控硅被觸發(fā)導(dǎo)通。寬脈沖觸發(fā)方式的控制時序圖如圖4.19所示。(2)雙窄脈沖觸發(fā)方式區(qū)別于寬脈沖觸發(fā)方式，雙窄脈沖觸發(fā)方式在每個周期必須發(fā)送兩路窄脈沖來分別控制兩個可控硅的導(dǎo)通。對于一個可控硅而言，該觸發(fā)方式相當(dāng)于用兩個相隔60°的窄脈沖代替了一個寬脈沖來對它進行觸發(fā)，窄脈沖的寬度通常為20°。雙窄脈沖觸發(fā)方式的的控制時序圖如圖3-8所示：圖3-8雙窄脈沖觸發(fā)方式控制時序圖跟寬脈沖觸發(fā)方式相比，雙窄脈沖觸發(fā)方式的控制要稍微復(fù)雜一些，但其有著很明顯的優(yōu)勢。由于該觸發(fā)方式的觸發(fā)脈沖寬度比較小，所以在很大程度上減小了觸發(fā)控制器的輸出功率、降低了對脈沖驅(qū)動放大電路的規(guī)格要求。因此，雙窄脈沖觸發(fā)方式在實際工作場合的應(yīng)用更為廣泛，本設(shè)計的控制邏輯中也采用的是該觸發(fā)方式。

結(jié)論隨著大規(guī)模集成電路和可編程邏輯器件的迅速普及，全波整流電路的應(yīng)用越來越廣泛。本文首先對可控硅元件和三相全控橋式整流電路的工作原理及工作特點進行了深入地學(xué)習(xí)和研究。然后在此基礎(chǔ)上結(jié)合具體的功能需求確立了數(shù)字觸發(fā)控制器的硬件電路的整體框架。緊接著分別完成了對各個核心子模塊控制電路的搭建。采用Altera公司的CycloneIV系列FPGA芯片作為控制器的核心，其豐富的硬件和引腳資源、高速的并行運算能力在很大程度上簡化了外圍電路的設(shè)計，確保了高精度控制的實現(xiàn)。采用成熟的AD采樣電路、過零檢測電路以及脈沖功放電路，確保了閉環(huán)控制的順利實現(xiàn)。 參考文獻[1]錢坤,高格,盛志才.三相全波整流電路交流側(cè)電感的設(shè)計[J].電力電子技術(shù),2017(5):24-26.[2]MaoH,BoroyevichD,LeeFCY.Novelreduced-ordersmall-signalmodelofathree-phase