基于PWM斩波的交流调压系统设计
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图 6 实验波形 2
本装置采用 IGBT 兼有 MOSFET 易驱动和双极型晶 体管导通电阻低的优点，减小了开关损耗，作为高频斩 波开关，功率因素高，谐波分量小，提高了工作效率。 单片机控制，简单可靠，电压在全压范围内平滑可调， 是一种可靠的 PWM 交流斩波调压电路。
作者简介
程顺足（1987-）男 在读硕士研究生，研究方向为控 制理论与控制工程。
4 仿真与实验
4.1 仿真验证
对文中系统先进行 MATLAB 仿真，各参数如图 2 所 示，其中电源电压峰值为 311V，频率为 50Hz，斩波频率 为 20KHz， 占空比 D=0.5， 仿真后得到图 4。 Ui 为输入电压， Uo 为输出电压，从输出波形可以看出输出电压经过 LC 简单的滤波之后能够得到理想的正弦波。
2 交流斩波调压原理及主电路 结构
2.1 交流调压原理
交流斩波调压与直流斩波电路有 类似之处，只是其斩控对象不一样， 直流斩波电路的输入是直流电压，交 流斩波调压的输入是正弦。模型原理 图如图 1 所示。S1 为斩波开关，S2 为续流开关，S1 和 S2 在时序上是互 补的。 定义载波比 kc 为输入电源电压
图 1 电路拓扑图
会出现短路，产生瞬时冲击电流；如设置换相死区时间， 又可能造成换相死区时间内二个开关都不导通使负载开 路，在有电感存在的情况下，会产生瞬时电压冲击。所 以互补控制适用于中小功率阻性负载。非互补控制方式， (1) 采用电压、电流相位检测的方法。
u 的周期 T 与开关周期 Ts 之比（k c =T/Ts），则输出电压 uo 为：
图5 实验波形 1
图 4 交流调压仿真图
4.2 实验验证
根据仿真试验，可以选取电路中所用功率器件的型 号。实验板所选取的电路参数为：L1=L2=3mH，C1=5uF, C2=4uF，负载选用 70Ω 的灯泡，开关频率为 5kHz。开关 器件选取英飞凌 IGBT IKW40N120T，耐压级别为 1200V, 耐流级别为 40A。由于实验条件的限制，自制的电感在 实验中发出强烈的噪声。实验中选择小点的电压进行实 验，实验中设置两个按键分别可以提高占空比和降低占 空比，初始程序中设置占空比 D=0.5。实验波形如图 5 所 示（占空比 D=0.5），幅值大的波形为输入电压 44V，幅 值小的为输出电压为 29.2V。 输入电压中有少量谐波存在， 输出电压的正弦性能很好。图 6 中在输入电压为 60V 在 高占空比的情况。实验中对交流电压可以进行平滑的调 节，负载侧电压可以从 0V 电压调节到输入电压。从以上 分析可以知道，实验结果与仿真得到了统一，证明了前 面的理论分析的正确性，也说明本设计选用的电路拓扑 结构能够进行斩波交流调压。
图 2 交流调压主电路
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99
系统应用 SYSTEM APPLICATION
升沿和下降沿。在比对各路驱动信号时也要注意其正确性。 (3) 在交流电上电开始，有可能电压不稳定的情况， 使得采集系统的信号 不符合要求，这可以通过软件设置 解决这一问题。在上电开始单片机产生一个高电平信号 通过 GAL 对所有的 IGBT 进行关断，在单片机采集到若 干个电压过零点时，可以认为输入电压稳定，这时单片 机使当时的高电平信号变低， 从而使能所有的 IGBT 信号， 整个系统开始正常工作。
[2][3]
图 3 系统框图
uo D 2U sin t
1 2U sin n n {sin[(ns )t n ] sin[(ns )t n ]} n1
信号采集系统电压过零点和电流过零点进行检测。整 个系统的核心部分就是对 IGBT 的控制。电路中所用各种 组合逻辑电路和时序逻辑电路全部采用了电可擦除可编 程逻辑器件 GAL16V8 来实现其控制功能。GAL 的输入 信号有 PWM 载波信号、输入电压过零信号、负载电流 过零信号和死区信号。死区信号的加入是为了保护 IGBT 不被短路。在续流 IGBT 的驱动信号，受电流过零点时刻 控制一个周期交替互补导通，一个 IGBT 关断时刻，另一 个导通。如果要关断的 IGBT 还没有完全关断的时候，另 一个 IGBT 确导通了，这样输出电路就会短路，为了避 免这种情况的发生，在单个 IGBT 交替导通时刻加入死 区 20us 时间，在一个 IGBT 关断 20us 以后再打开另一个 IGBT。
Abstract: With the development of high power electronic devices, high-performance switch mode AC voltage is widely used. In the introduction of AC voltage regulator principle and chopped AC voltage regulator circuit, the system uses PWM signal of stc12c5608ad microcontroller to control IGBT switch tube by driving circuit. Finally, the simulation and experimental waveforms are provided, the results show that the AC voltage regulator by chopped has good advantage of easy filter, good output voltage and current waveforms. Key words:AC voltage regulator PWM MCU IGBT 【中图分类号】TM762 【文献标识码】B 文章编号 1561-0330（2012）08-0098-04
U O D 2U
Av
D 2U
D
。
2.2 主电路结构
本文采用的是单管反串联双向电子开关斩控式交流 调压电路 [4][5]，如图 2 所示。
3.2 软件实现
(1) 本系统采用的芯片是宏晶科技的 STC12C5608AD 单片机，该单片机集成了四路可编程计数器阵列模块， 可用于软件定时器、外部脉冲的捕捉、高速输出以及脉 宽调制 （PWM） 输出。 PWM 波形的产生由 PCA 模块产生。 (2) 在整个系统中要特别注意对 IGBT 的保护，在硬 件上对 IGBT 进行 RCD 缓冲电路设计。系统设计中对于 四个开关管的控制时序要求是很严格的，在电压过零点 的采集一定要准确，这可以通过单片机的 PCA 比较 / 捕 获寄存器 CCAPMn 进行相应的设置，使其能够捕捉到上
晶闸管采用的是相控整流技术，缺点 是当控制角增大时，功率因数减小， 电流中谐波的幅值相对较大，滤波器 的体积大 [1]。本文采用的 PWM 斩波 交流稳压可以克服这些缺点。用性 能优良的全控型开关器件 IGBT 替代 晶闸管，与相控交流调压技术相比， 斩波调压的优点是功率因数仅取决 于负载；快速的动态响应能力；更宽 的电压线性调节范围；输人输出易于 滤波且高度正弦化；效率更高。
参考文献
[1] 赵冉 . 数字斩波交流调压电源 [D]. 无锡：江南大学，2008. [2] 毛行奎，张文雄 . 交流斩波控制调压技术探讨 [ J ] . 机床电器， 2004(02),50-53.
5 结束语
[3] 车 一 曼， 吴 爱 国 . 斩 控 式 交 流 调 压 技 术 研 究 [ J ] . 机 电 设 备，
u u o E (t )u 0 S1导通，S 2断开 S 2导通，S1断开
式（1）中 E (t ) 为开关函数。其中：
1 E (t ) 0 则：
S1导通，S 2断开 S 2导通，S1断开
3 系统硬件和软件实现
(2) (3)
3.1 硬件实现
硬件实现框图如图 3 所示。
u o E (t ) 2U sin t
98 THE WORLD OF INVERTERS
《变频器世界》 2012 年 08 月
IGBT1，VD1 与 IGBT2，VD2 构成双向斩波开关， IGBT3，VD3 与 IGBT4，VD4 构成双向续流开关；L2 及 C2 分别为滤波电感、电容。对于 IGBT 的时序控制有两 种方法，一种是互补控制方式，一种是非互补控制方式。 互补控制指的是在一个开关周期内，斩波开关和续流开 关只能有一个导通。斩波开关和续流开关在换流过程 中
系统应用 SYSTEM APPLICATION
基于 PWM 斩波的交流调压系统设计
The Design of AC Voltage Regulator System Based on PWM Chopped
中国矿业大学信电学院 程顺足 杨文刚 Cheng Shunzu Yang Wengang 摘 要：随着高频电力电子器件的发展，高性能的开关式交流调压得到广泛应用。在介绍交 流调压原理和开关型斩控式交流调压电路的基础上，系统采用 stc12c5608ad 单片机产生 PWM 信号，通过驱动电路对 IGBT 开关管进行控制。最后给出了仿真及实验波形，结果表明斩波控 制交流调压器具有易滤波，输出电压、电流波形好的优点。 关键词：交流调压 PWM 单片机 IGBT
1 引言
交流调压电路是把一种形式的交 流变成另一种形式交流的电路。交流 调压电路广泛用于灯光控制、异步电 动机的软启动、异步电动机的调速 等等。早期的交流调压电路主要由 晶闸管构成，晶闸管交流调压电路 相对于传统工频变压器来说有着无 法比拟地优点：它体积小，重量轻， 结构简单，最为重要的是它为负载提 供了连续并且可调的交流电压。但是
（下转第 114 页） 100 THE WORLD OF INVERTERS
系统应用 SYSTEM APHale Waihona Puke BaiduLICATION
[1] 陈昊 . 开关磁阻调速电动机的原理设计应用 [ M ] . 徐州：中国矿业 大学出版社，2000. [2] 王宏华 . 开关型磁阻电动机调速控制技术 [M]. 北京：机械工业出 版社， 1995. [3] 吴建华 . 开关磁阻电机设计与应用 [M]. 北京：机械工业出版社， 2000. [4] 尹航， 周波， 魏佳丹， 等 . 双凸极电机主功率变换器故障在线诊断 [J]. 中国电机工程学报，2008，23(10)：88-94. [5] 汤清泉，颜世超，卢松升，等 . 三电平逆变器的功率管开路故障 诊断 [J]. 中国电机工程学报，2008，28(21)：26-32. [6]Jack A G, Mecrow B C, Haylock J. A comparative study 图 10-4 n=800 时转速波形 of PM and SR motors for high performance fault tolerant applications[J]. IEEE Trans. Ind. Appl., 1996, 32(4): 889! 895. [7]Chen Hao, Gu J J. Implementation of Three-Phase Switched Reluctance Machine System for Motors and Generator. IEEE/ASME Trans. on Mechatronics, June 2010. vol.15, no.3, pp.421-432. [8] 陈昊，俞普德 . 开关磁阻伺服电机传动系统研究 [J]. 南京师范大学 学报，2010（9）. [9]Hao Chen, Constantin PAVLITOV. Large Power Analysis of Switched Reluctance Machine System for Coal Main. Mining 图 10-5 A 相在 t0 断路时转速波形 Science and Technology. 2009.9., vol.19,no.5, pp.657-659. [10]Hao Chen, V.Trifa. Design of 2000kW Switched Reluctance
E（t）函数经傅立叶级数展开，可得：
E (t ) D 2
(4) 式中：D=tonl/Ts， ωs=2p/Ts， θn=np/ Ts；tonl 为 S1 的占空比；
n 1
sin n cos(n s n ) n
tonl 为一个开关周期中 S1 的导通时间。 将式（4）代入式（3）可得： (5) 式（5）表明，u o 含有基波及各次谐波。谐波频率在 开关频率及其整数倍两侧 ±ω 处分布，开关频率越高， 谐波与基波距离越远，越容易滤掉。 在经 LC 滤波后，则有： (6) 把输出电压基波幅值与输入电压基波幅值之比定义 为调压电压增益，即： (7) 2U 由此可见电压增益等于占空比 D，因此改变占空比就 可以达到调压的目的
本装置采用 IGBT 兼有 MOSFET 易驱动和双极型晶 体管导通电阻低的优点，减小了开关损耗，作为高频斩 波开关，功率因素高，谐波分量小，提高了工作效率。 单片机控制，简单可靠，电压在全压范围内平滑可调， 是一种可靠的 PWM 交流斩波调压电路。
作者简介
程顺足（1987-）男 在读硕士研究生，研究方向为控 制理论与控制工程。
4 仿真与实验
4.1 仿真验证
对文中系统先进行 MATLAB 仿真，各参数如图 2 所 示，其中电源电压峰值为 311V，频率为 50Hz，斩波频率 为 20KHz， 占空比 D=0.5， 仿真后得到图 4。 Ui 为输入电压， Uo 为输出电压，从输出波形可以看出输出电压经过 LC 简单的滤波之后能够得到理想的正弦波。
2 交流斩波调压原理及主电路 结构
2.1 交流调压原理
交流斩波调压与直流斩波电路有 类似之处，只是其斩控对象不一样， 直流斩波电路的输入是直流电压，交 流斩波调压的输入是正弦。模型原理 图如图 1 所示。S1 为斩波开关，S2 为续流开关，S1 和 S2 在时序上是互 补的。 定义载波比 kc 为输入电源电压
图 1 电路拓扑图
会出现短路，产生瞬时冲击电流；如设置换相死区时间， 又可能造成换相死区时间内二个开关都不导通使负载开 路，在有电感存在的情况下，会产生瞬时电压冲击。所 以互补控制适用于中小功率阻性负载。非互补控制方式， (1) 采用电压、电流相位检测的方法。
u 的周期 T 与开关周期 Ts 之比（k c =T/Ts），则输出电压 uo 为：
图5 实验波形 1
图 4 交流调压仿真图
4.2 实验验证
根据仿真试验，可以选取电路中所用功率器件的型 号。实验板所选取的电路参数为：L1=L2=3mH，C1=5uF, C2=4uF，负载选用 70Ω 的灯泡，开关频率为 5kHz。开关 器件选取英飞凌 IGBT IKW40N120T，耐压级别为 1200V, 耐流级别为 40A。由于实验条件的限制，自制的电感在 实验中发出强烈的噪声。实验中选择小点的电压进行实 验，实验中设置两个按键分别可以提高占空比和降低占 空比，初始程序中设置占空比 D=0.5。实验波形如图 5 所 示（占空比 D=0.5），幅值大的波形为输入电压 44V，幅 值小的为输出电压为 29.2V。 输入电压中有少量谐波存在， 输出电压的正弦性能很好。图 6 中在输入电压为 60V 在 高占空比的情况。实验中对交流电压可以进行平滑的调 节，负载侧电压可以从 0V 电压调节到输入电压。从以上 分析可以知道，实验结果与仿真得到了统一，证明了前 面的理论分析的正确性，也说明本设计选用的电路拓扑 结构能够进行斩波交流调压。
图 2 交流调压主电路
WWW.CA168.COM
99
系统应用 SYSTEM APPLICATION
升沿和下降沿。在比对各路驱动信号时也要注意其正确性。 (3) 在交流电上电开始，有可能电压不稳定的情况， 使得采集系统的信号 不符合要求，这可以通过软件设置 解决这一问题。在上电开始单片机产生一个高电平信号 通过 GAL 对所有的 IGBT 进行关断，在单片机采集到若 干个电压过零点时，可以认为输入电压稳定，这时单片 机使当时的高电平信号变低， 从而使能所有的 IGBT 信号， 整个系统开始正常工作。
[2][3]
图 3 系统框图
uo D 2U sin t
1 2U sin n n {sin[(ns )t n ] sin[(ns )t n ]} n1
信号采集系统电压过零点和电流过零点进行检测。整 个系统的核心部分就是对 IGBT 的控制。电路中所用各种 组合逻辑电路和时序逻辑电路全部采用了电可擦除可编 程逻辑器件 GAL16V8 来实现其控制功能。GAL 的输入 信号有 PWM 载波信号、输入电压过零信号、负载电流 过零信号和死区信号。死区信号的加入是为了保护 IGBT 不被短路。在续流 IGBT 的驱动信号，受电流过零点时刻 控制一个周期交替互补导通，一个 IGBT 关断时刻，另一 个导通。如果要关断的 IGBT 还没有完全关断的时候，另 一个 IGBT 确导通了，这样输出电路就会短路，为了避 免这种情况的发生，在单个 IGBT 交替导通时刻加入死 区 20us 时间，在一个 IGBT 关断 20us 以后再打开另一个 IGBT。
Abstract: With the development of high power electronic devices, high-performance switch mode AC voltage is widely used. In the introduction of AC voltage regulator principle and chopped AC voltage regulator circuit, the system uses PWM signal of stc12c5608ad microcontroller to control IGBT switch tube by driving circuit. Finally, the simulation and experimental waveforms are provided, the results show that the AC voltage regulator by chopped has good advantage of easy filter, good output voltage and current waveforms. Key words:AC voltage regulator PWM MCU IGBT 【中图分类号】TM762 【文献标识码】B 文章编号 1561-0330（2012）08-0098-04
U O D 2U
Av
D 2U
D
。
2.2 主电路结构
本文采用的是单管反串联双向电子开关斩控式交流 调压电路 [4][5]，如图 2 所示。
3.2 软件实现
(1) 本系统采用的芯片是宏晶科技的 STC12C5608AD 单片机，该单片机集成了四路可编程计数器阵列模块， 可用于软件定时器、外部脉冲的捕捉、高速输出以及脉 宽调制 （PWM） 输出。 PWM 波形的产生由 PCA 模块产生。 (2) 在整个系统中要特别注意对 IGBT 的保护，在硬 件上对 IGBT 进行 RCD 缓冲电路设计。系统设计中对于 四个开关管的控制时序要求是很严格的，在电压过零点 的采集一定要准确，这可以通过单片机的 PCA 比较 / 捕 获寄存器 CCAPMn 进行相应的设置，使其能够捕捉到上
晶闸管采用的是相控整流技术，缺点 是当控制角增大时，功率因数减小， 电流中谐波的幅值相对较大，滤波器 的体积大 [1]。本文采用的 PWM 斩波 交流稳压可以克服这些缺点。用性 能优良的全控型开关器件 IGBT 替代 晶闸管，与相控交流调压技术相比， 斩波调压的优点是功率因数仅取决 于负载；快速的动态响应能力；更宽 的电压线性调节范围；输人输出易于 滤波且高度正弦化；效率更高。
参考文献
[1] 赵冉 . 数字斩波交流调压电源 [D]. 无锡：江南大学，2008. [2] 毛行奎，张文雄 . 交流斩波控制调压技术探讨 [ J ] . 机床电器， 2004(02),50-53.
5 结束语
[3] 车 一 曼， 吴 爱 国 . 斩 控 式 交 流 调 压 技 术 研 究 [ J ] . 机 电 设 备，
u u o E (t )u 0 S1导通，S 2断开 S 2导通，S1断开
式（1）中 E (t ) 为开关函数。其中：
1 E (t ) 0 则：
S1导通，S 2断开 S 2导通，S1断开
3 系统硬件和软件实现
(2) (3)
3.1 硬件实现
硬件实现框图如图 3 所示。
u o E (t ) 2U sin t
98 THE WORLD OF INVERTERS
《变频器世界》 2012 年 08 月
IGBT1，VD1 与 IGBT2，VD2 构成双向斩波开关， IGBT3，VD3 与 IGBT4，VD4 构成双向续流开关；L2 及 C2 分别为滤波电感、电容。对于 IGBT 的时序控制有两 种方法，一种是互补控制方式，一种是非互补控制方式。 互补控制指的是在一个开关周期内，斩波开关和续流开 关只能有一个导通。斩波开关和续流开关在换流过程 中
系统应用 SYSTEM APPLICATION
基于 PWM 斩波的交流调压系统设计
The Design of AC Voltage Regulator System Based on PWM Chopped
中国矿业大学信电学院 程顺足 杨文刚 Cheng Shunzu Yang Wengang 摘 要：随着高频电力电子器件的发展，高性能的开关式交流调压得到广泛应用。在介绍交 流调压原理和开关型斩控式交流调压电路的基础上，系统采用 stc12c5608ad 单片机产生 PWM 信号，通过驱动电路对 IGBT 开关管进行控制。最后给出了仿真及实验波形，结果表明斩波控 制交流调压器具有易滤波，输出电压、电流波形好的优点。 关键词：交流调压 PWM 单片机 IGBT
1 引言
交流调压电路是把一种形式的交 流变成另一种形式交流的电路。交流 调压电路广泛用于灯光控制、异步电 动机的软启动、异步电动机的调速 等等。早期的交流调压电路主要由 晶闸管构成，晶闸管交流调压电路 相对于传统工频变压器来说有着无 法比拟地优点：它体积小，重量轻， 结构简单，最为重要的是它为负载提 供了连续并且可调的交流电压。但是
（下转第 114 页） 100 THE WORLD OF INVERTERS
系统应用 SYSTEM APHale Waihona Puke BaiduLICATION
[1] 陈昊 . 开关磁阻调速电动机的原理设计应用 [ M ] . 徐州：中国矿业 大学出版社，2000. [2] 王宏华 . 开关型磁阻电动机调速控制技术 [M]. 北京：机械工业出 版社， 1995. [3] 吴建华 . 开关磁阻电机设计与应用 [M]. 北京：机械工业出版社， 2000. [4] 尹航， 周波， 魏佳丹， 等 . 双凸极电机主功率变换器故障在线诊断 [J]. 中国电机工程学报，2008，23(10)：88-94. [5] 汤清泉，颜世超，卢松升，等 . 三电平逆变器的功率管开路故障 诊断 [J]. 中国电机工程学报，2008，28(21)：26-32. [6]Jack A G, Mecrow B C, Haylock J. A comparative study 图 10-4 n=800 时转速波形 of PM and SR motors for high performance fault tolerant applications[J]. IEEE Trans. Ind. Appl., 1996, 32(4): 889! 895. [7]Chen Hao, Gu J J. Implementation of Three-Phase Switched Reluctance Machine System for Motors and Generator. IEEE/ASME Trans. on Mechatronics, June 2010. vol.15, no.3, pp.421-432. [8] 陈昊，俞普德 . 开关磁阻伺服电机传动系统研究 [J]. 南京师范大学 学报，2010（9）. [9]Hao Chen, Constantin PAVLITOV. Large Power Analysis of Switched Reluctance Machine System for Coal Main. Mining 图 10-5 A 相在 t0 断路时转速波形 Science and Technology. 2009.9., vol.19,no.5, pp.657-659. [10]Hao Chen, V.Trifa. Design of 2000kW Switched Reluctance
E（t）函数经傅立叶级数展开，可得：
E (t ) D 2
(4) 式中：D=tonl/Ts， ωs=2p/Ts， θn=np/ Ts；tonl 为 S1 的占空比；
n 1
sin n cos(n s n ) n
tonl 为一个开关周期中 S1 的导通时间。 将式（4）代入式（3）可得： (5) 式（5）表明，u o 含有基波及各次谐波。谐波频率在 开关频率及其整数倍两侧 ±ω 处分布，开关频率越高， 谐波与基波距离越远，越容易滤掉。 在经 LC 滤波后，则有： (6) 把输出电压基波幅值与输入电压基波幅值之比定义 为调压电压增益，即： (7) 2U 由此可见电压增益等于占空比 D，因此改变占空比就 可以达到调压的目的