基于SG3525斩控式单相交流调压电路1.docx
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基于SG3525斩控式单相交流调压电路1
目录
第1章概述2
1.1课题来源2
1.2解决方法3
1.3优势3
第2章总体方案及基本原理4
2.1基本原理4
2.2总体方案4
第3章主电路的设计6
3.1主电路的总体设计6
3.2主电路保护设计8
3.3主电路参数计算和元器件的选择9
3.3.1开关管IGBT的选择9
3.3.2续流二极管的选择9
3.3.3具体参数计算10
第4章控制及驱动电路设计11
4.1主控制芯片的详细说明11
4.1.1芯片的选择11
4.1.2芯片的详细介绍11
4.1.3芯片的工作原理13
4.2驱动电路设计14
第5章保护电路及设计16
5.1过零检测及续流触发电路16
5.2输出限流电路17
5.3输入过压电路17
5.4结果分析19
第6章设计总结与体会22
附录A总电路图24
附录B参考文献25
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章总体方案及基本原理
2.1基本原理
斩控式交流调压电路与直流斩波电路原理类似,只是直流斩波电路输入的是直流电压,而斩控式交流调压电路输入的是正弦交流电压。
在交流电源U1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。
本实验采用全控型器件作为开关器件,原理图如图2.1所示。
假设斩波器V1或V2的导通时间为ton,开关周期为T,则导通比为a=ton/T,可以通过对a的调节来调节输出电压U0。
2.2总体方案
本设计中,输入单相(AC)380V电压,最大输出最大电流电压分别为20A,功率因数:
≥0.7。
而斩波器可调节输出电压的大小,同时斩控方式实现交流调压,功率因数高,谐波小,输出波形好。
在本实验中,功率因数有可能接近1。
斩控式单相交流调压电路中,用占空比控制低压侧的电压.其中用控制电路来实现IGBT管的通断,调节PWM波的输出来改变控制角ɑ,从而调节占空比的大小,进而来调节输出电压的大小。
初步设想将总电路分为3部分:
主电路、控制电路、保护电路。
其中主电路为斩控式电路,斩波电路采用IGBT进行控制的脉宽调制方式的斩控方式。
控制电路采用SG3525芯片来对IGBT的通断进行控制。
保护电路包括主电路中的过电压和过电流保护、IGBT的保护。
总电路框图如图2.2所示。
图2.1交流斩波调压原理波形
图2.2总电路框图
第3章主电路的设计
3.1主电路的总体设计
在考虑到减少电路误差的情况下,我们采用了如图8所示的主电路,主回路由Ql—Q3三个VMOS管和D1—D3三个二极管组成的全控整流电路实现对交流输入电压的斩波调压。
当交流输入电压在正半周时,电流流经VD1、Q3、VD3;当交流输入处于负半周时,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,在电压处于正半周时,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管都有保护装置如图所示。
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。
图3.1主电路图
图3.2斩控式调压电路电阻负载输出波形
3.2主电路保护设计
为使主电路长期稳定、安全可靠地工作,必须设计各种类型的保护电路,避免因电路出现故障、使用不当或条件发生变化而损坏电路上的零器件。
主电路的保护分为两大类:
第一类是芯片内部的保护电路。
上面的主电路图设计中,在开关器件Q3的触发控制电路中将提供过流保护,在后面的控制电路中将会介绍。
第二类是外部保护电路,主要包括过流保护装置(如保险管、自恢复保险丝、熔断电阻器等)、启动限流保护电路、漏极钳位保护电路(或R、C、VD型吸收电路)、输入欠压保护电路、输入过压保护电路。
本次外部电路过压保护的设计采用接触器的方式,具体电路如下图所示。
图3.2主电路保护设计
在主电路上有一个线圈KM的常闭触点,在电路的输出端用一变压器进行降压然后再用整流桥进行整流使之变成直流电,输出电压与比较器上设定的正5伏电压相比较,如果电路出现了过电压的现象,输出电压就会高于设定值,比较器就会输出电压,使三极管导通,这样就会使线圈KM的保护电路接通,线圈就会被通电,KM在主电路的常闭触点就会断开,从而达到保护主电路的作用。
3.3主电路参数计算和元器件的选择
3.3.1开关管IGBT的选择
开关管IGBT的耐压值,当开关管截止时,续流二极管导通,稳压电源的全部输入电压都加在开关管的集射极间,因此,开关管的耐压值VCBO必须大于交流电路的输出电压Uwi,考虑到其他因素的影响,开关管集射级间电压U’按下式选取:
当开关管导通时,负载电流及电容充电电流都通过开关管,因此开关管的集电极电流必须大于负载电流,开关管的最大集电极IB可由下式求得,取开关管的截止时间为2S:
=21A
式中I0为负载的电流,Uwi为整流输出电压,toff为开关管的截止时间。
3.3.2续流二极管的选择
当开关管截止时,续流二极管导通,通过续流二极管传输到负载.由此可知,续流二极管的正向额定电流必须大于开关管的最大集电极电流.当开关管饱和时,集电极间的电压可以忽略不记,续流二极管的耐压值必须大于前级整流电路的输出电压Uwi。
本实验续流管仍然选用的是IGBT。
电感的选取
电感可以由下式求得:
(1.4)
式中U0为输出电压,Ui是输入电压,Iomin为电感续流的临界负荷电流。
输出电容可以按照经验值取1000μF/A。
3.3.3具体参数计算
给定参数为U1=200V,Id=16A
1、U0的计算
U0最小值为0,最大值为220V。
这里选取200V。
则
电阻为R=U0/Id=10
功率因素=U0/U1=0.99
2、二极管参数计算
二极管承受反向最大电压Udm=1.414U1=282V,考虑2倍裕量,则Uvd=2*282=564V取600V。
VD1、VD2的有效电流IVT=0.5*Id=8A,考虑2倍裕量,因此取Id=16A。
VD3、VD4的有效电流为0,因为VD3、VD4属于续流部分,此部分输出电压为0,固电流也为0。
4、IGBT及续流管的选择
因为U1=200V,取3倍裕量,选耐压为600V以上的IGBT。
由于IGBT是以最大标注且稳定电流与峰值电流间大致为四倍关系,故应选用大于4倍额定负载电流的IGBT为宜,因此选用64A,额定电压600V左右的IGBT。
因为续流管也是IGBT,固可以同上。
第4章控制及驱动电路设计
4.1主控制芯片的详细说明
4.1.1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。
4.1.2芯片的详细介绍
随着电能变换技术的发展,功率MOSFET在开关变换器中开始广泛使用,为此美国硅通用半导体公司(SiliconGeneral)推出SG3525。
SG3525是用于驱动N沟道功率MOSFET。
其产品一推出就受到广泛好评。
SG3525系列PWM控制器分军品、工业品、民品三个等级。
下面我们对SG3525特点、引脚功能、电气参数、工作原理以及典型应用进行介绍。
SG3525是电流控制型PWM控制器,所谓电流控制型脉宽调制器是按照接反馈电流来调节脉宽的。
在脉宽比较器的输入端直接用流过输出电感线圈的信号与误差放大器输出信号进行比较,从而调节占空比使输出的电感峰值电流跟随误差电压变化而变化。
由于结构上有电压环和电流环双环系统,因此,无论开关电源的电压调整率、负载调整率和瞬态响应特性都有提高,是目前比较理想的新型控制器。
SG3525引脚功能及特点简介
其原理图如图4.13下:
1.Inv.input(引脚1):
误差放大器反向输入端。
在闭环系统中,该引脚接反馈信号。
在开环系统中,该端与补偿信号输入端(引脚9)相连,可构成跟随器。
2.Noninv.input(引脚2):
误差放大器同向输入端。
在闭环系统和开环系统中,该端接给定信号。
根据需要,在该端与补偿信号输入端(引脚9)之间接入不同类型的反馈网络,可以构成比例、比例积分和积分等类型的调节器。
3.Sync(引脚3):
振荡器外接同步信号输入端。
该端接外部同步脉冲信号可实现与外电路同步。
4.OSC.Output(引脚4):
振荡器输出端。
5.CT(引脚5):
振荡器定时电容接入端。
6.RT(引脚6):
振荡器定时电阻接入端。
7.Discharge(引脚7):
振荡器放电端。
该端与引脚5之间外接一只放电电阻,构成放电回路。
8.Soft-Start(引脚8):
软启动电容接入端。
该端通常接一只5的软启动电容。
9.Compensation(引脚9):
PWM比较器补偿信号输入端。
在该端与引脚2之间接入不同类型的反馈网络,可以构成比例、比例积分和积分等类型调节器。
10.Shutdown(引脚10):
外部关断信号输入端。
该端接高电平时控制器输出被禁止。
该端可与保护电路相连,以实现故障保护。
11.OutputA(引脚11):
输出端A。
引脚11和引脚14是两路互补输出端。
12.Ground(引脚12):
信号地。
13.Vc(引脚13):
输出级偏置电压接入端。
14.OutputB(引脚14):
输出端B。
引脚14和引脚11是两路互补输出端。
15.Vcc(引脚15):
偏置电源接入端。
16.Vref(引脚16):
基准电源输出端。
该端可输出一温度稳定性极好的基准电压。
特点如下:
(1)工作电压范围宽:
8—35V。
(2)5.1(11.0%)V微调基准电源。
(3)振荡器工作频率范围宽:
100Hz¬—400KHz.
(4)具有振荡器外部同步功能。
(5)死区时间可调。
(6)内置软启动电路。
(7)具有输入欠电压锁定功能。
(8)具有PWM琐存功能,禁止多脉冲。
(9)逐个脉冲关断。
(10)双路输出(灌电流/拉电流):
mA(峰值)。
4.1.3芯片的工作原理
SG3525内置了5.1V精密基准电源,微调至1.0%,在误差放大器共模输入电压范围内,无须外接分压电组。
SG3525还增加了同步功能,可以工作在主从模式,也可以与外部系统时钟信号同步,为设计提供了极大的灵活性。
在CT引脚和Discharge引脚之间加入一个电阻就可以实现对死区时间的调节功能。
由于SG3525内部集成了软启动电路,因此只需要一个外接定时电容。
SG3525的软启动接入端(引脚8)上通常接一个5的软启动电容。
上电过程中,由于电容两端的电压不能突变,因此与软启动电容接入端相连的PWM比较器反向输入端处于低电平,PWM比较器输出高电平。
此时,PWM琐存器的输出也为高电平,该高电平通过两个或非门加到输出晶体管上,使之无法导通。
只有软启动电容充电至其上的电压使引脚8处于高电平时,SG3525才开始工作。
由于实际中,基准电压通常是接在误差放大器的同相输入端上,而输出电压的采样电压则加在误差放大器的反相输入端上。
当输出电压因输入电压的升高或负载的变化而升高时,误差放大器的输出将减小,这将导致PWM比较器输出为正的时间变长,PWM琐存器输出高电平的时间也变长,因此输出晶体管的导通时间将最终变短,从而使输出电压回落到额定值,实现了稳态。
反之亦然。
外接关断信号对输出级和软启动电路都起作用。
当Shutdown(引脚10)上的信号为高电平时,PWM琐存器将立即动作,禁止SG3525的输出,同时,软启动电容将开始放电。
如果该高电平持续,软启动电容将充分放电,直到关断信号结束,才重新进入软启动过程。
注意,Shutdown引脚不能悬空,应通过接地电阻可靠接地,以防止外部干扰信号耦合而影响SG3525的正常工作。
欠电压锁定功能同样作用于输出级和软启动电路。
如果输入电压过低,在SG3525的输出被关断同时,软启动电容将开始放电。
此外,SG3525还具有以下功能,即无论因为什么原因造成PWM脉冲中止,输出都将被中止,直到下一个时钟信号到来,PWM琐存器才被复位。
4.2驱动电路设计
采用自关断器件的单相交流调压电路和采用传统的可控硅组成的调压电路相比,具有功率因数高、电网污染少、波形畸变小等优点。
其原理框图如图1—21。
输入交流电压为220V,经过同步变压器T后,分别形成两路互为倒相的方波,宽度为180°,分别对应正弦波的正半周和负半周,由3525进行调制(调制频率约为2.5kHz)后,经过隔离及驱动电路,分别驱动两路功率场效应管。
工作过程为:
当输入交流电处于正半波时,经调解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0,交流电经过VT1、VD2、R、L构成回路,从而在R上得到一完整的经过调制的单相正弦波交流电,有效值通过调节脉冲的占空比进行改变。
第5章保护电路及设计
5.1过零检测及续流触发电路
当负载为阻感负载时,电路必须有续流环节,续流环节由Q1和Q2两个MOSFET来控制,当电压处于正半周时通过Q2,在负半周时通过Q1,但Q1与Q2之间如何进行转变这必须有一个正确的判断,这就需要过零检测电路。
如下图所示,交流电压经过变压器变压,因交流信号有正向过零点和负向过零点,故运用一个正向比例器与反向比例器进行两零点与标准零点电压的比较,其输出信号经过光控隔离进行稳压和放大后,分别控制续流装置中的Q1和Q2两个MOSFET管控制端。
图5.1过零检测及续流触发电路
为了防止Q1、Q2两个同时开通,我们采用了互锁,就是说Q1、Q2管不可以同时导通,在正半波,开通Q2管续流;在负半波,开通Q1管续流。
5.2输出限流电路
到
COMP
端
图5.2输出限流电路
为了防止输出电流超过额定电流,控制电路中设置了输出限流电路,如上图所示,该电路采用PI调节器。
5V基准电压经电位器RV2分压后作为输出电流限制值给定。
输出电流由磁环构成的电流互感器T201检测。
5.3输入过压电路
VIN端
到
电流检测端
图5.3输入过压保护电路
同输入欠压一样,当发生输入过压时,比较器输出高电平。
经二极管接到同输入欠压电路一样,当发生过压时,比较器输出高电平,通过二极管接至CS端,关断所有输出。
总电路中,输入欠压、过压经与非门“或”后,再接到CS端,当任一故障发生时,都可以进行保护。
5.4结果分析
锯齿波与调制波的交点比较功能由比较器完成,Ut〉Ur时,比较器输出的PWM′波形由逻辑低电平变为高电平,Ut〈Ur时,比较器输出的PWM′波形由逻辑高电平变为低电平。
为保证PWM′波宽不至于太窄,用PWM锁存器锁存高电平值,并在CP脉冲下跳时对锁存器清零,以进行下一个比较点的锁存。
如图所示,要改变输出脉冲PWM的占空比,只要改变调制信号Ur的电压大小即可实现。
在可逆变换器中,跨接在电源Us两端的上、
下两个功率场效应管经常交替工作,由于功率场效
应管的关断要有一定的时间。
在这段时间内功率场
效应管并未完全关断。
如果在此期间另一个功率场
效应管已经导通,则将造成上下两管直通,从而使
电源正负极短路。
为了避免发生这种情况。
设置了
由R、C电路构成的逻辑延时环节。
保证在对一个
管子发出关闭脉冲后,延时2μS左右的时间后再
发出对另一个管子的开通脉冲。
如图4所示,Ua为SG3525的13脚输出占空比可调的脉冲波形(占空比调节范围不小于0.1~0.9),经过RC移相后,输出两组互为到相、死区时间为4μS左右的脉冲,经过光耦隔离后,分别驱动四只MOSFET管,其中VT1、VT4驱动信号相同,VT2、VT3驱动信号相同。
当负载接电阻负载(即灯泡),占空比从0°到90°,其灯泡的亮度为从亮变暗,因为站空比为0°时,其输出电压U0为最大,当占空比为90°时,其输出电压U0为最小,因此灯泡为暗。
其斩波电路波形图如图3.1所示。
但是波形不是连续的。
当负载为电感负载,站空比为30°时,其波形图如图5.1所示。
当电阻为灯泡时,灯泡亮度如同电阻负载。
当电源并上一个电容,即滤波器,则电路波形图如图5.2所示,与负载电路波形图差不多,不同的是波形是连续的。
图5.1阻感负载波形图图5.2有无RC滤波器波形图
第6章设计总结与体会
两周的电力电子课程设计过去了,在这两周学到的知识不少,让我对知识又复习了一遍,同时掌握了新知识,比方说UC3842芯片的知识,虽然只了解它的一部分,但我还是觉得足够了。
但是我又看到了自己的不足。
这两周我的感概很深,刚开始拿到这个课题,傻眼了。
感觉一点都不会,因为我把电力电子的知识忘得一干二净,拿到这个课题不知道从哪里做起。
因此我又拿来电力电子的书,重新看了一遍,终于在调压电路这一章找到一个类似的实验,这让我和兴奋,然而实验又要我们用控制电路。
由于知识的不足,这部分又经过了老师的指点,老师的帮忙,让我做出来了。
电路图是出来的,但是在实验的时候又遇到不少问题,因为示波器总是调示不出来,让我很郁闷。
因为示波器的受干扰很大,因此在这方面又要细心,不能太急,慢慢地一步一步调示出来。
可想而知我花费了多少时间来完成它。
实验完成了,意味着设计也完成了。
这次设计真的让我受益匪浅,同时让我感到知识的重要性,没有知识,做什么事都要费力费时间,更要找人帮忙。
同时感谢老师及同学的帮忙。
附录A总电路图
附录B参考文献
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[2]王兆安黄俊.电力电子技术(第4版).机械工业出版社,2000
[3]浣喜明姚为正.电力电子技术.高等教育出版社,2000
[4]莫正康.电力电子技术应用(第3版).机械工业出版社,2000
[5]郑琼林.耿学文.电力电子电路精选.机械工业出版社,1996
[6]刘定建朱丹霞.实用晶闸管电路大全.机械工业出版社,1996
[7]刘祖润胡俊达.毕业设计指导.机械工业出版社,1995
[8]刘星平.电力电子技术及电力拖动自动控制系统.校内,1999
电气信息学院课程设计评分表
项目
评价
优
良
中
及格
差
设计方案合理性与创造性(10%)
硬件设计及调试情况(20%)
参数计算及设备选型情况*(10%)
设计说明书质量(20%)
答辩情况(10%)
完成任务情况(10%)
独立工作能力(10%)
出勤情况(10%)
综合评分
指导教师签名:
________________
日期:
________________
注:
表中标*号项目是硬件制作或软件编程类课题必填内容;
此表装订在课程设计说明书的最后一页。
课程设计说明书装订顺序:
封面、任务书、目录、正文、评分表、附件(非16K大小的图纸及程序清单)。
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- 基于 SG3525 斩控式 单相 交流 调压 电路