最新斩控式单相交流调压电路设计

湖南工程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路设计专业班级：自动化0681学生姓名：刘培学号：12指导老师：刘星平赵葵银审批：李晓秀任务书下达日期2009年5月18日设计完成日期2009年6月12日设计内容与设计要求一．设计内容：1．电路功能：1）用斩控方式实现交流调压，功率因数高，谐波小，输出波形好。2）电路由主电路与控制电路组成，主电路主要环节：主电力电子开关与续流管。控制电路主要环节：脉宽调制PWM电路、电压电流检测单元、驱动电路、检测与故障保护电路。3）主电路电力电子开关器件采用GTR、IGBT或MOSFET。4）系统具有完善的保护2．系统总体方案确定3．主电路设计与分析1）确定主电路方案2）主电路元器件的计算及选型3）主电路保护环节设计4．控制电路设计与分析1）检测电路设计2）功能单元电路设计3）控制电路参数确定二．设计要求：1．设计思路清晰，给出整体设计框图；2．单元电路设计，给出具体设计思路和电路；3．分析所有单元电路与总电路的工作原理，并给出必要的波形分析。4．绘制总电路图5．写出设计报告；主要设计条件1.设计依据主要参数1）输入输出电压：单相（AC）220（1+15%）、0~200V（AC）2）最大输出电流：20A3）功率因数：≥0.72.可提供实验说明书格式1.课程设计封面；2.任务书；3.说明书目录；4.设计总体思路，基本原理和框图（总电路图）；5.单元电路设计（各单元电路图）；6.故障分析与电路改进、实验及仿真等。7.总结与体会；8.附录（完整的总电路图）；9.参考文献；10.课程设计成绩评分表进度安排第一周星期一:课题内容介绍和查找资料；星期二:总体电路方案确定星期三:主电路设计星期四:控制电路设计星期五:控制电路设计；第二周星期一:控制电路设计星期二：电路原理及波形分析、实验调试及仿真等星期四~五:写设计报告，打印相关图纸；星期五下午:答辩及资料整理参考文献1．石玉，栗书贤．电力电子技术题例与电路设计指导．机械工业出版社，19982．王兆安，黄俊．电力电子技术（第4版）．机械工业出版社，20003．浣喜明，姚为正．电力电子技术．高等教育出版社，20004．莫正康．电力电子技术应用（第3版）．机械工业出版社，20005．郑琼林，耿学文．电力电子电路精选．机械工业出版社，19966．刘定建，朱丹霞．实用晶闸管电路大全．机械工业出版社，19967．刘祖润，胡俊达．毕业设计指导．机械工业出版社，19958．刘星平．电力电子技术及电力拖动自动控制系统．校内，1999目录第1章概述……………………………………………………………11.1课题来源…………………………………………………11.2解决方法…………………………………………………11.3优势…………………………………………………………2第2章系统总体方案确定………………………………………1112.1设计总体思路……………………………………………2.2基本工作原理……………………………………………2.3框图…………………………………………………………第3章主电路设计…………………………………………………1113.1主电路……………………………………………………3.2主电路图…………………………………………………第4章单元控制电路设计………………………………………1114.1控制及驱动电路………………………………………4.2输入欠电压电路…………………………………………4.3输出限流电路……………………………………………4.4输入过压电路……………………………………………4.5过零检测及续流触发电路……………………………4.6谐波分析…………………………………………………第5章故障分析与电路改进、实验及仿真…………………111第6章总结与体会…………………………………………………111第1章概述1.1课题来源单相交流电源的应用是非常广泛的。比如在农村、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：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。1.2解决方法随着现代电力电子技术的发展，单相电源变换技术也有了很大的进步，先后出现了多种利用全控器件的交—交直接变换方案。本文基于矩阵式变换理论，提出一种矩阵式单相电源变换电路，该电路只使用两个双向开关管，可以实现输出电压连续可调及获得高正弦度的输入电流波形。采用单相—单相矩阵式电力变换。通过一组开关函数可以将输入的工频交流电压转换成幅值和频率均可调的单向交流电压。1.3优势本文提出采用MOSFET的斩波式交流调压器。使该调压器具有调节方便、动态响应快、对电网谐波污染小、装置功率因数较高等优点。用于交流电压的调节和控制，有更好的性能和应用前景。第2章系统总体方案确定2.1设计总体思路交流-交流变流电路，是将一种形式的交流电变成另一种形式的交流电，在进行交流-交流变流时，可以改变电压、电流、频率和相位等参数。只改变相位而不改变交流电频率的控制，在交流电力控制中称为交流调压。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。这种电路不改变交流电的频率，称为交流电力控制电路。在每半个周波内通过对晶闸管开通相位控制，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。斩控式交流调压就是通过改变对晶闸管的导通的控制，可以是保持开关周期T不变，调节开关导通时间Ton,这种方式称为脉冲宽度调制（PWM调制），也可以是开关导通时间Ton不变，改变开关周期T，称为频率调制，还有一种混合型，就是Ton，和T都可调。实验室提供的是PWM调制，通过调节开关导通的时间，即调节占空比，就可以对输出电压的平均值进行调节。2.2基本工作原理交流斩波调压的原理波形如图2-1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±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。其工作原理为：利用可调占空比的PWM脉冲波驱动Q3，将等宽的电源脉冲电压施加到变压器的原边，同时利用过零信号驱动Q1和Q2，实现变压器的原边电流续流。只要输出滤波器参数设计合理，就可以得到高正弦度的输出电压波形，开关频率越高效果越好。这种变换器的设计难点在于双向可控开关Q1与Q2之间的是否能够安全切换。因为开关并非理想特性，在二者之间换流时存在电源直通与变压器原边开路的可能性，而这两点是不期望的。为此必须在二者切换时采取安全换流策略。只需要利用电压传感器准确快速地检测电源电压极性来确定扇区，而不需要电流传感器检测变压器原边电流的极性。当然，传感器要有良好的线性度、快速性和光电隔离，由于电源电压很稳定，其过零点的检测比较准确可靠。扇区之间的切换不需要特别考虑，因为切换点只出现在电源电压过零点，切换时只要保证变压器原边续流路径即可。图2-1交流斩波调压原理波形2.3总框图图2-2总框图第3章主电路设计3.1主电路主回路由Ql—Q3和D1—D3组成的全控整流电路实现对交流输入电压的轿波调压。当交流输入电压正半周时电流流经VD1、Q3、VD3；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源栅极之间加入触发信号时，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，只要适当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Q1、Q2及D1、D2组成的续流环节。当Q3关断时，在电压正半周，Q2导通，Q1关断，流经负载的电流通过Q2、D1续流。在电压负半周，Q1导通，Q2关断，流经负载的电流通过Q1、D2续流。为防止Q1、Q2、Q3同时导通而引起较大的短路电流，对加在Q1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L1、C1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。3.2主电路图图3-1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。因为功率因数指电压与电流的相位之间的关系，则由波形可以看出，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。这时电路功率因数接近1。因为输入电压为220V的交流电，选用耐压值为500V的开关管IRFP450LC，二极管采用快速恢复二极管，C1取0.47uF,其余的选用0.01uF,电感,电阻未定。第4章单元控制电路设计4.1控制及驱动电路控制电路是由UC3879芯片来产生PWM波。移相控制器UC3879集成了全部必要的控制、解码、保护及驱动功能，可独立编程控制时间的延迟，在每只输出级开关管导通前提供死区时间，为每个谐振开关区间里实现ZVS留有余地，总的输出开关频率可达300kHz，保护功能包含欠压锁定、过流保护。控制及驱动如电路图所示，欠压锁定电平根据UVSEL端状态选定，有两个预定义的阈值：若UVSEL端浮动，则芯片在电源电压超过15.25V启动；若UVSPL端接VIN端，则在10.75V时启动。采用电压控制型输出，CT信号直接反馈到RAMP端，CT端与地之间接一电容，用以选择所需的开关频率。RT端与地之间接一可调电阻用以改变输出占空比。VREF通过一电容接地更好的保证效果。SS脚与地之间接一电容设置软启动时间。CS端接到芯片的输入过压、欠压保护电路。COMP端接到输出限流保护电路。OUTA接驱动接输至SQ3。接至Q3图3-2控制及驱动电路根据设计要求输出电压为0~160V，暂取最大占空比为Dmax=100%。因为RT=2.5/10mA(1-Dmax)。所以取RT=0~100kΏ。通过调节RT的大小来改变占空比的大小，从而控制输出电压的大小。电路的开关频率定为300KHZ，由CT=Dmax/1.08RTf，取CT=30pF。UC3879管脚及内部结构如下：UC3879各管脚功能简介：VREF端：内部5V高精度基准电压源的输出端。其内部设置有短路保护极限值，当输入电源电压VIN低于欠压封锁门限时，内部5V高精度基准电压源将失去稳压功能而无输出。当内部5V高精度基准电压源低于输出而未达到4.75V时,整个芯片的所有功能都将被关闭。另外，在构成应用电路时，为了消除芯片内部的高频干扰而获得最佳的稳压效果，该端到信号图3-3UC3879内部结构框图地之间应该外接一个等效串联和等效串联电感都很小的的容量为0.1uF滤波电容。COMP端：误差放大器的输出端。该端可以作为整个系统反馈控制的增益级输出端，误差放大器的输出电压在0.9V以下时就会导致零相移。由于误差放大器具有一个相对低的电流驱动能力，因此误差放大器可以等效为一个阻抗非常低的电流源。EA-端：