斩波调压

一、概述

1.1前言

除了采用相位控制方式，交流电压的调压还可以采用斩波式调压，其基本原理与直流斩波电路类似，均采用斩波控制方式，所不同的是，直流斩波电路的输入端是直流电源，而交流斩波调压电路的输入是正弦交流电源。

1.2设计的目的

1通过对交流斩波调压电路的设计，复习直流斩波电路的工作原理。

2了解与熟悉交流斩波电路的拓扑、控制方法。

3理解和掌握交流斩波电路及系统的主电路，控制电路和保护电路的设计方法，掌握器件的选择计算方法。

4具有一定的电力电子电路及系统实验和调试的能力。

1.3设计的要求

1理论设计：了解掌握交流斩波电路的工作原理，设计斩波电路电路的主电路和控制电路。包括：MOSFET电流、电压额定值的选择，驱动保护电路的设计。

2．仿真实验：利用MATLAB仿真软件对交流斩波电路和控制电路进行仿真建模，并进行仿真实验。

二主电路的设计

2.1电路图设计

主电路设计所需要的器件：交流电压源Ui=220，电阻R，电感L，电容，二极管D1、D2、D3、D4,全控型器件（MOSFET）T1、T2、T3、T4。主电路如图1

图1 （A）串联式（B）并联式

2．1工作原理

交流斩波调压可视作将交流电源的正负半周分别当做一个短暂的直流电源。

交流斩波调压电路通常采用全控型器件作为开关器件。本次试验中，选择MOSFET作为开关器件。其原理图如图1所示（A为串联式，B为并联式）。在交流电源的正半周，用T1进行斩波控制，T3、D3为感性负载电流提供续流通路；在交流电源的负半周，用T2进行斩波控制，T4、D4为负载电流提供续流通路；因输入，输出均为交流电压，T1、T2、T3、T4均需要有双向阻断能力，因此在各支管支路中要串联快恢复二极管D1、D2、D3、D4,

以承受关断时的反向电压。

纯电阻负载时的输出电压如图2

由以上已知，只要适当调节占空比的大小，就可以达到调压的目的。

当电压为交流正弦正半波时，T1、T3工作，T2，T4断开。图3为单相AC/AC 变换的并联式电路中的开关管T1，T2，T3，T4 驱动信号。假定交流电压的周期为T ，显然前T/2为正弦正半波，T1，T3互补开通，后T/2为正弦负半波，T2，T4互补开通，图3中画的开关频率是4/T 。

图3

若负载端是阻感性负载，且电感阻值很大，则输出电压不会出现为零的情况。为了减少输出电压中的谐波，可以在负载端并联一个电容。

器件的参数计算及选择 电压源 Ui=220

二极管 二极管除了起续流作用，还要承受反向电压： UD=100*sqr*6=245V 考虑到3倍裕量，二极管承受的反向电压值U=3*UD=735V 取750V

电感 由于与电阻串联的电感的主要作用是在开关器件导通期间储能，在开关器

件关断期间续流。所以电感的值可以取很大，本实验中取10000H 。

电容 输出纹波电压公式为：

RCf

U RCf U Cf I U d O O c 2

ααα=

==∆

V U d 100= 8.02.0≤≤α 8.02.0≤≤α 取V U C 25.0=∆

根据计算

8mF C .5mF 0≤≤ 取 2.2mF C =

全控器件IGBT 当开关截止时，续流二极管导通，电压源的全部输入电压都加在开关管IGBT 的集射极间，因此，开关管的耐压值V CBO 必须大于输入电压。考虑到其他因素的影响，开关管集射极间电压U 安下式选取

U d 2.5U ≥

电路中的电流很小，一般IGBT 都能满足。

三 控制电路的设计及分析：

3.1 控制电路的设计

本实验没有用复杂的控制电路，直接利用MATLAB 软件中的矩形脉冲。在电源电压的正半周，同时触发T1、T2时，但由于与T2 串联的二极管的阻断作用，此时的T2支路并未导通；同理，当同时触发T3、T4时，由于与T4串联的二极管的阻断作用，T4支路也不导通，只有T3支路导通，起续流作用。

在电源电压负半周的时候，同时触发T1、T2，但这时导通的是T2，T1因二极管的作用，此支路也未导通。同时触发T3，T4时，T4支路导通，T3支路不导通。

四、仿真模型

4.1仿真模型的建立

采用Matlab 自带的动态仿真集成环境Simulink 进行仿真。Simulink 是一个用来对动态系统进行仿真和分析的软件包。它支持连续、离散、及两者混合的线性和非线性系统。它为用户提供了一个图形化得用户界面（GUI ）。它与用微分方程和差分方程建模的传统仿真相比具有更直观、更方便、更灵活的优点。

在Matlab 建立的仿真如下图所示

图5

4.2仿真结果及分析

30，占空比为50%

1.当设置其频率为100Hz，电阻为10 ，电感为10000L,延迟角等于0

时，负载端电压的波形如图6，电流的波形如图7

可由图看出，在一个周期内，正半周导通了一次，负半周导通了一次

图7

30，占空比为

2.当设置其频率为1000Hz，电阻为10 ，电感为10000L,延迟角等于0

50%，输出电压波形如图8，电流波形如图9

图8和图9

3.当设置其频率为10000Hz ，电阻为10 ，电感为10000L,延迟角等于0

30，占空比为50%，输出电压波形如图10，电流波形如图11

图10和图11

又以上两图可以看出，输出的电压谐波量已较少。但是题目要求的的输出电压100V ，也就是输出电压的幅值要达到2*100=141V 。此时，因谐波量不明显，其余的参数都不需要改变，只要改变占空比就可以调节输出电压的幅值。

4.频率为10000Hz ，电阻为10 ，电感为10000L,延迟角等于0

30，占空比为67%，输出电压波

形

如

图

12

，

电

流

波

形

如

图

13