SG3525斩控式单相交流调压电路设计要点.pdf
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1、1 目录 第 1 章概述 - 2 1.1 课题设计目的及意义 - 2 1.2 优势 - 3 第章设计总体思路 - 4 2.1 系统总体方案确定- 4 2.2 交流斩波调压的基本原理- 8 第 3 章主电路设计与分析- 9 3.1 主要技术条件及要求- 9 3.2 开关器件的选择 - 9 3.2.1开关管 IGBT的选择 - 9 3.2.2续流二极管的选择 - 9 3.2.3具体参数计算- 10 3.3 主电路结构设计 -11 3.5 主电路保护设计 - 12 第 4 章控制及驱动电路设计- 14 4.1 主控制芯片的详细说明 - 14 4.1.1芯片的选择 - 14 4.1.2芯片的详细介绍
2、- 14 4.1.3 芯片的工作原理- 16 4.2 驱动电路设计 - 17 第 5 章 保护电路及设计- 19 5.1 过零检测及续流触发电路- 19 5.2 输出限流电路- 20 5.3 输入过压电路 - 20 5.4 结果分析 - 21 第 6 章 总结与体会 - 24 附 录- 25 参考文献 - 26 2 第 1 章概述 1.1 课题设计目的及意义 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
3、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
4、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。 3 交流调压电路也广泛用于灯光控制(如调光台灯和舞台灯光控制)及 异步电动机的软起动,也用于异步电动机调速。在供用电系统中,这种电 路还常用于对无功功率的连续调节。 此外, 在高压小电
5、流或低压大电流中, 也常采用交流调压电路调节变压器一次电压。如采用晶闸管相控整流电 路,高电压小电流可控直流电源就需要很多晶闸管串联,同时,低电压大 电流直流电源需要很多晶闸管并联。这都是十分不合理的。 采用交流调压 电路在变压器一次侧调压, 其电压电流值都不太大也不太小,在变压器二 次侧只要用二极管整流就可以了。这样的电路体积小、成本低、易于设计 制造。 1.2 优势 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。 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,
6、装置的重量轻、 体积小,有色金属消耗也少。 4 第章设计总体思路 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
7、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。 相位控制调压利用控制触发滞后角 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。 在有效移相 5 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
8、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。 6 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 S1外,还须与负载并联一只双向开关S2。当开关 S1导通, S2关断时,输出电压等于输入电压;开关
9、S1关断, S2导通时 , 输出电压为 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 S1、S2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 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 断元件,所以成本较高。 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
10、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。 7 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 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。设载波器件( V1 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
11、5给出了电阻性负载时负载电压u0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0160 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。 图 5 晶闸管斩控式调压电路 8 图 6 电
12、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。 图 7 交流斩波调压原理波形 9 第 3 章主电路设计与分析 3.1 主要技术条件及要求 要求用斩波控制的方式实现单相交流调压,功率因数好,谐波小,输 出的波形要好。输入电压是交流220V,输出电压要求是0160 V,最大 输出电流为 200A,
13、功率因数大于或等于0.7。能同时实现电压电流的检测 及过压过流等一些故障的保护。 3.2 开关器件的选择 3.2.1 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: VUU wi 5005.2 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: off wi B t L U II
14、 2 0 += =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。 3.2.2 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 10 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: i U U fUI U L 0 min0 0 1 2 (1.4 ) 式中 U0为输出电压, Ui是输入电压, omin为电感续流的临界负荷电流。 输出电容可以
15、按照经验值取1000F/A。 3.2.3 具体参数计算 给定参数为 U1=200V,Id=18A 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 I VT=0.5*Id=9A,考虑 2 倍裕量,因此取 Id=18A。 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。
16、11 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 72A,额定电压 600V左右的 IGBT。 因为续流管也是 IGBT ,固可以同上。 3.3 主电路结构设计 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 QlQ3三个 VMOS 管和 D1D3 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
17、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
18、续流。为防止 Q1、Q 2、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。 12 图 8 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。 3.5 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、
19、 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 13 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 9 主电路保护 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
20、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。 67 Title Nu mberSize A3 Date:1 7-Jan -2 007Shee File:高频交流 调压斩波图.DDBDraw R2 0 +12 +12 OUTV +12 V KM Rc Re R2 4 电 流 取 样 14 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
21、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 (Silicon General )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
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