基于SG3525斩控式单相交流调压电路设计.docx

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1、目录第1章概述2课题设计目的及意义2优势3第2章设计总体思路32.1 系统总体方案确定32.2 2交流斩波调压的根本原理5第3章主电路设计与分析63.1 主要技术条件及要求63.2 开关器件的选择6开关管IGBT的选择6续流二极管的选择6具体参数计算73.3 主电路结构设计83.5 主电路保护设计8第4章控制及驱动电路设计94,1主控制芯片的详细说明9芯片的选择9芯片的详细介绍941.3芯片的工作原理114.2驱动电路设计12第5章保护电路及设计131. 1过零检测及续流触发电路135. 2输出限流电路146. 3输入过压电路145.4 结果分析14第6章总结与体会16附录17参考文献17第1

2、章概述1.1 课题设计目的及意义单相交流电源的应用是非常广泛的。比方在农村、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。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：D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。2）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。3）电子式调压器这种调压器采用电力电子器件实现。目前有晶闸管凋压器和逆变式调压器两种。晶闸管

3、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。在工业生产及日用电气设备中，有不少交流供电的设备采用控制交流电压来调节设备的工作状态，如加热炉的温度、电源亮度、小型交流电机的转速等。这样就需要设计一种交流调压电路来控制，其根本原理是把两个晶闸管反并联后串联在交流电路中,通过对晶闸管的控制就可以控制交流电力。在每一个周波内通过对晶闸管开通相位的控制，可以方便地调节输出电压的有效值，这种电路称为交流调压电路。用在电热控制、交流电动机速度控制、灯光控制和交流稳压器等场合。采用晶闸管作为开关元件的典型单相交流调压电路如图1所示。常用通断控制或相位控

4、制方法来调节输出电压。交流调压电路也广泛用于灯光控制（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。在供用电系统中，这种电路还常用于对无功功率的连续调节。此外，在高压小电流或低压大电流中，也常采用交流调压电路调节变压器一次电压。如采用晶闸管相控整流电路，高电压小电流可控直流电源就需要很多晶闸管串联,同时，低电压大电流直流电源需要很多晶闸管并联。这都是十分不合理的。采用交流调压电路在变压器一次侧调压，其电压电流值都不太大也不太小,在变压器二次侧只要用二极管整流就可以了。这样的电路体积小、本钱低、易于设计制造。1.2 优势交流调压是指把一种交流电变成另一种同频率，不同电压交

5、流电的变换。按所变换的相数不同交流调压电路可分为单相交流调压电路和三相交流调压电路。前者是后者的根底。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。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。整周波控制调压一一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。目前有晶闸管凋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。品闸管导通时间与关断时间之比，使

6、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。相位控制调压一一利用控制触发滞后角的方法,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a。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

7、性负载最大,纯感性负载最小。图3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。斩波控制调压一一使开关在一个电源周期中屡次通断，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4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Sl外，还须与负载并联一只双向开关

8、S当开关Sl导通，&关断时，输出电压等于输入电压：开关Sl关断，&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.%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，所以本钱较高。斩波控制方式时，晶闸管要带有强迫关断电路或采用IGBT、MOSFIT等可自关断器件，在每个电压周波中，开关元件

9、屡次通断，使电压斩波成多个脉冲，改变导通比即可实现调压。本次课程设计采用斩波控式制单相交流调压。图5晶闸管斩控式调压电路斩控式交流调14七Inr口U乐珏uJ/714、，收采用全控型器件作为开关器件。其根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。在交流电源山的正半周，用Vl进行斩波控制，用V3给负载电流提供续流通道；在Ul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（Vl或V2）导通时间为ton,开关周期为T,那么导通比a=tT。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5给出了电阻性负载时负

10、载电压Uo和电源电流il（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0160V,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局部。图6电路的结构框图2. 2交流斩波调压的根本原理交流斩波调压的原理波形如图7所示。由图可知，它是用一组频

11、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f。,其根本谐波频率为土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7交流斩波调压原理波形第3章主电路设计与分析2.1 主要技术条件及要求要求用斩波控制的方式实现单相交流调压，功率因数好，谐波小，输出的波形要好。输入电压是交流220V,输出电压要求是O160V,最大输出电流为200A,功率因数大于或等于0.7。能同时实现电压电流的检测及过压过流等一些故障的保护。3. 2开关器件的选择开关管IGBT的选择开关管IGBT的耐压值，

12、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VraO必须大于交流电路的输出电压L,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：式中I。为负载的电流，4为整流输出电压，t“f为开关管的截止时间。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

13、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：式中Uo为输出电压，Ui是输入电压，I向.为电感续流的临界负荷电流。输出电容可以按照经验值取1000F/Ao具体参数计算给定参数为Ul=200V,Id=18A1、UO的计算Uo最小值为0,最大值为220V。这里选取200V。那么电阻为R=Uo/Id=10C功率因素=UOU1=O.992、二极管参数计算二极管承受反向最大电压Udm=L414U1=282V,考虑2倍裕量，那么Uvd=2*282=564V取600V。VDkVD2的有效电流Iv=O.5*Id=9A,考虑2倍裕量,因此取Id=

14、I8A。VD3,VD4的有效电流为0,因为VD3、VD4属于续流局部，此局部输出电压为0,固电流也为0。4、IGBT及续流管的选择因为U1=2OOV,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72A,额定电压600V左右的IGBT0因为续流管也是IGBT,固可以同上。3. 3主电路结构设计在考虑到减少电路误差的情况下，我们采用了如图8所示的主电路，主回路由QlQ3三个VMOS管和DlD3三个二极管组成的全控整流电路实现对交流输入电压的斩波调压。当交流输入电压在正半周时，电流流经VD

15、I、Q3、VD3:当交流输入处于负半周时，电流流经VD2、Q3、VD4、；Q3始终处于正向电压作用下，当在Q3源栅极之间参加触发信号时，Q3处于开关状态。调整加在栅极上的脉冲宽度即可调节输出电压的大小。由于Q3处于开关状态，且VMoS管具有很小的关断时间，只要适中选择较低的饱和压降，Q3的功耗可以做得很小，所以该斩波调压具有较高的效率。考虑到负载可能为感性的，加了由QI、Q2及DI、D2组成的续流环节。当Q3关断时，在电压处于正半周时，Q2导通，Ql关断，流经负载的电流通过Q2、Dl续流。在电压负半周，Ql导通，Q2关断，流经负载的电流通过QI、D2续流。为防止QI、Q2,Q3同时导通而引起较大的短路电流，对加在QI和Q2上的触发信号有一定要求，这在过零触发电路中讨论。图中LI、Cl为电源滤波网，以吸收瞬态过程中的过电压，并减少对外线路的干扰。L2、C2为输出滤波环节，由于本机调制频率取得较高，所以L2和C2只需很小值即可。其中每个VMOS管都有保护装置如下图。图8主电路图其中Q3的PWM波控制由PWM波发生器通过对给定的调整产生,输出占空比一定的PWM波。4. 5主电路保护设计为使主电路长期稳定、平安可靠地工作，必须设计各种类型的保护电路,防止因电路出现故障、使用不当或条件发生变化而损坏电路上的零器件。主