斩控式单相交流调压电路正文概要.docx

目录第 1 章 概述 1第2章 设计总体思路 32.1 系统总体方案确定 32.2 交流斩波调压的基本原理 8第 3 章 主电路设计与分析 93.1 主要技术条件及要求 93.2 开关器件的选择 93.3 主电路计算及元器件参数选型 93.4 主电路结构设计 113.5 主电路保护设计 12第 4 章 单元控制电路设计 144.1 主控制芯片的详细说明 144.1.1 芯片的选择 144.1.2 芯片的详细介绍 144.1.3 芯片的工作原理 151-器件内部结构 152.欠压锁定功能 16系统的故障关闭功能 164. 波形的产生及控制方式分析 164.2 驱动电路设计 174.3 过零检测及续流触发电路 1 84.4 控制保护电路设计 1 94.5 谐波分析 20第 5 章 总结与体会 22第 6 章 附录 23参考文献 24第 1 章 概述交流调压是指把一种交流电变成另一种同频率，不同电压交流电的 变换，而在每半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，而斩控式交流调压的输入是正弦交流电压，这种斩控式交流调 压电路的优势是功率因素接近1，电压、电流波形好，谐波成分频率高， 电路简单，且可靠性高。

而利用PWM技术后，控制灵活，动态响应快目前能够实现这一要求的调压器有下面三种：1） 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，其基本原理是把两 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制方法来调 节输出电压Si晶闸管交流调压电路不同电压交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基础与自耦变压器 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，有色金属消耗也少交流斩波调压技术作为一种高性能交流调压技术，符合电力电子技术 高频化、高效化以及低污染发展趋势，将逐步取代晶闸管相控交流调压， 新器件的发展将加速这一进程其丰富的控制种类，多样的电子开关组合， 为不同使用要求提供高性价比产品，是一种经济型交流调压技术与单位 功率因数、串联电压源等高性能交流调压技术相比，其开关应力及容量要 求较大，为进一步提高开关变换效率，如何从系统综合角度考虑减小开关 的应力，降低开关损耗，减少驱动复杂性，提高变换效率将成为一个研 究新发现第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a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S外，还须与负载并联一只双向开关S当开关S导通，1 2 1S关断时，输出电压等于输入电压；开关S关断，S导通时，输出电压为2 1 2零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、S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1 2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，开关元件多次通断，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。

VIVI)]11A》L上ulV2VD2 J 33VDdZ\VI V1)4uO图5晶闸管斩控式调压电路斩控式交流调压电路的原理图如图5所示，一般采用全控型器件作 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VI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（VI或V2）导通时间为ton，开关周期为T,则导通比 a=ton/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5给出了电阻性负载时负载电压uo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0〜160 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输入客盼」 功率转换咅盼』 输出啻盼」图6电路的结构框图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7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，得到边缘为正弦波、 占空比可调的电压波形该电压的调制频率f0，其基本谐波频率为土 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PW则调制u-EPWM(J斬護开关,叮；；___L a c?j- -a«图7交流斩波调压的原理波形图第 3章 主电路设计与分析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 主电路计算及元器件参数选型滤波器电容选择Co 一般根据放电时间常数计算,负载越大,要求纹波系数越小,电容量 也越大 .一般不作严格计算 ,多取 2000MF 以上.因系统负载不大 ,故取 Co=2200MF.耐压按 1.5Vdm=1.5*220=330V.取 350V.即选用 2200MF, 350V 电容器.为滤除高频信号，取C1=1uf,耐压350V.选用二极管时，主要应考虑其最大电流、最大反向工作电压、截止频率及 反向恢复时间等参数二极管承受最大反向电压 :U=Sqrt(6)*U2=392V 考 虑 3 倍裕量，则 U=3*392=1176V；取 1200V 最大电流按 Idn= (1.5〜2) Kfb*Id 来计算选择快速熔断器的选择 快速熔断器用于过电流的保护，它的断流时间在 10 ms 以内，快速熔断器的熔体额定电流IN按下式选择:ITm<=IN<=1.57 ITNItm~2X0.577 IN=2X0.577X200A=230.8AMOSFET 保护电路选择 电容的选择 一般按布线电感磁场能量全部转化为电场的能量估算。

即LbIo2 /2=Cs(Ucep-Uo)2 得Cs 三 LbIo2/(Ucep-Uo)2式中Lb---是主回路布线电感口 H；Io---MOSFET 关断时源极电流 A；Ucep---缓冲电容器电压稳定值；Uo---直流电源电压 VLb可按Lb=5〜20 口 H估算Ucep为保证可靠，可取稍低于MOSFET耐 压值为宜，取Ucep=600V进行计算取Io=Id、Uo=325V,得Cs=LbIo2 /(Ucep-Uo)2 =0.0962 口 F取 Cs=0.1 口 F、耐压 650V缓冲电阻Rs计算 要求MOSFET关断信号到来之前，将缓冲电容器所积蓄的电荷放完，以关断信号之前放电 90%为条件，计算公式如下:RsW1/ (6fCs)f为开关频率、MOSFET最大开关频率为50KHz，则有Rs=1/ (6fCs)~33Q;VDs 电流定额按 MOSFET 通过电流的 1/10 选择为: 0.19A3.4 主电路。