斩控式单相交流调压电路设计..

湖南工程学院应用技术学院课程设计任务书课程名称：电力电子技术题目：斩控式单相交流调压电源设计专业班级：电气118学生姓名：学号:指导老师：刘星平蔡斌军李祥来等审批：谢卫才任务书下达日期2014年5 月12日设计完成日期2014年5月23 日目录第1章概述 (1)1.1 交流调压在生活中的应用 (1)1.2 关于单向调压器 (1)1.3 关于本课题 (2)第２章设计总体思路 (3)2.1 系统总体方案确定 (3)2.2 交流斩波调压的基本原理 (7)第3章主电路设计与分析 (8)3.1 主要技术条件及要求 (8)3.2 开关器件的选择 (8)3.3 主电路计算及元器件参数选型 (8)3.4 主电路结构设计及分析 (9)第4章主控制芯片的详细说明 (10)4.1 芯片的选择 (10)4.1 芯片的详细介绍 (10)4.1芯片的工作原理 (11)第5章实验调试 (13)第6章总结与体验 (19)附录A 参考文件及评分表第1章概述1.1交流调压在生活中的应用交流调压电路广泛用于灯光控制（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。

在电力系统中，这种电路还常用于对无功功率的连续调节。

此外，在高电压小电流或低电压大电流直流电源中，也常用交流高压电路调节变压器一次电压。

因此交流调压电路广泛存在于农村、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。

1.2关于单相调压器对于单相交流电源，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：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。

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。

电子式调压器这种调压器采用电力电子器件实现。

目前有晶闸管调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。

从上面可知，逆变式电子调压器具有最好的性能。

逆变式电子调压器的结构不仅具有调压、稳压的能力，而且还可以实现频率的变换。

它是通过AC/DC/AC变换实现的。

具有中间直流环节和储能电容，不过，变换效率低是它的不足。

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。

1.3关于本课题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。

本文提出采用ICBT的斩控式交流调压器。

斩控式调压的原理图如图如图1.3所示图 1.3 斩控式交流调压电路第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——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。

目前有晶闸管调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。

晶闸管导通时间与关断时间之比，使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2.1所示。

图2.1 周波控制的电压波形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——利用控制触发滞后角α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α。

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，电阻性负载最大,纯感性负载最小。

图2.2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。

图2.2 相位控制的输出电压波形斩波控制调压——使开关在一个电源周期中多次通断，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2.3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S 1外，还须与负载并联一只双向开关S 2。

当开关 S 1导通，S 2关断时，输出电压等于输入电压；开关S 1关断，S 2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 S 1、S 2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，所以成本较高。

斩控式交流调压电路的原理图如图2.4所示，一般采用全控型器件图2.3 斩波控制调压电路的输出电压波形图2.4 斩控式交流调压电路作为开关器件。

其基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u1的正半周，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。

设载波器件（V1或V2）导通时间为t on，开关周期为T，则导通比a=t on/T。

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2.4给出了电阻性负载时负载电压u0和电源电流i1(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。

图6 电路的结构框图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0～100 V ，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部分。

2.2交流斩波调压的基本原理交流斩波调压的原理波形如图2.2所示。

由图可知，它是用一组频率恒定、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，其基本谐波频率为波、占空比可调的电压波形。

该电压的调制频率f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2.2 交流斩波调压的原理波形图第3章电路设计与分析3.1主要技术条件及要求斩波控制要求以比电源频率高得多的频率周期性接通和断开主电路开关器件，把连续的正弦输入电压“斩”成离散的脉冲状加于负载。

由于开关器件以高频工作，在电路中必须实施强迫换流。

为此斩波控制的交流调压都是采用全控型双向开关器件。

所以设计主电路采用的是MOSFET新型的全控型器件，驱动电路简单，需要的驱动功率小，开关的速度快，工作的频率高，符合设计的要求。

3.2 开关器件的选择由于斩波调压电路一般采用全控型器件作为开关器件，典型的全控型开关器件有，门极可关断晶闸管（GTO）、电力晶体管（GTR）、电力场效应晶体管（MOSFET）及绝缘栅双极晶体管（IGBT）等。

由于MOSFET 的开关时间在10~100ns之间，其工作频率可达100KHz以上，是主要电力电子器件中最高的，而且它的驱动电路简单，需要的驱动功率小，所以这次课程设计决定用MOSFET 来做开关器件。

3.3 电路计算及元器件参数选型开关管选用VMOSFET。

它是继MOSFET之后新发展起来的高效、功率开关器件。

它不仅继承了MOS场效应管输入阻抗高（≥108W）、驱动电流小（左右0.1μA左右），还具有耐压高（最高可耐压1200V）、工作电流大（1.5A～100A）、输出功率高（1～250W）、跨导的线性好、开关速度快等优良特性。

3.4电路的结构设计及分析单相交流调压主电路如图1关断器件调压电路所示。

电路采用功率场效应管作为自关断器件，利用集成脉宽调制器SG3525产生的脉宽调制信号作为驱动信号。

由两个MOSFET及其反并联的二极管组成交流调压开关，同步变压器T与运算放大器A1及A2构成同步检测环节。

输入交流电压为220V，经过同步变压器T形成两路互为倒相的方波，宽度为l80°，分别对应正弦波的正半周和负半周，由SG3525进行调制后，经过隔离及驱动电路，分别驱动两路功率场效应管。

当输入交流电处于正半波时，经调制的方波信号施加于VT2的栅极和源极，VT1的控制电压为0V ，交流电经L，R ，VT2 ，VD1构成回路；当输入交流电处于负半周时，方波信号加于VT1，VT2 控制电压为0V，交流电经过VT1，VT2，R ，L构成回路，从而在足上得到一完整的经过调制的单相正弦波交流电。

第4章主控制芯片详细说明4.1芯片的选择本次课程设计由芯片SG3525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。

4.2芯片的详细介绍SG3525的内部结构如图6-1所示，它主要由基准电压调整器、震荡器、误差放大器、比较器、锁存器、欠压锁定电路、闭锁控制电路、软启动电路、输出电路构成。

图6-1 SG2535内部框图SG3525A 系列脉宽调制器控制电路可以改进为各种类型的开关电源的控制性能和使用较少的外部零件。

在芯片上的5.1V基准电压调定在±1％，误差放大器有一个输入共模电压范围。

它包括基准电压，这样就不需要外接的分压电阻器了。

一个到振荡器的同步输入可以使多个单元成为从电路或一个单元和外部系统时钟同步。

在C和放电脚之间用单个电阻器T连接即可对死区时间进行大范围的编程。

在这些器件内部还有软起动电路，它只需要一个外部的定时电容器。

一只断路脚同时控制软起动电路和输出级。

只要用脉冲关断，通过PWM（脉宽调制）锁存器瞬时切断和具低于标称值时欠电压锁定禁止输有较长关断命令的软起动再循环。

当VCC出和改变软起动电容器。