UC3842斩控式单相交流调压电路.docx

UC3842斩控式单相交流调压电路

———————————————————————————————— 作者：
———————————————————————————————— 日期：

26

课 程 设 计 说 明 书

题 目 UC3842斩控式单相交流调压电路

（院）系
专业 班级 学号
学生姓名
指导老师姓名
完成日期

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：UC3842斩控式单相交流调压电路

专业班级：
学生姓名： 学号：
指导老师：
审 批：

任务书下达日期 2011年 06月 13日
设计完成日期 2011年 06月 24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） 触发电路设计
4） 控制电路参数确定

二． 设计要求：
1． 用UC3842产生脉冲。
2． 设计思路清晰，给出整体设计框图；
3． 单元电路设计，给出具体设计思路和电路；
4． 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。
5． 绘制总电路图
6． 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%）、0~160V（AC）
2） 最大输出电流：200A
3） 功率因数：≥0.7
2. 可提供实验与仿真条件

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；
11、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

目 录
第一章 设计总体思路
1.1 交流斩波调压的基本原理
1.2 交流斩波调压的框图
第二章 单元电路设计
2.1 主电路
2.2 反馈电路
2.2.1 封装
2.2.2 主要参数
2.2.3 光耦采用PC817
2.3 过零检测电路
2.4 控制电路
第三章 故障分析与电路改进、实验及仿真
第四章 总结与体会
附录 完整的原理图
参考文献

第一章 设计总体思路
交流调压的控制方式有三种：
①整周波通断控制 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。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1.1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。但它也存在一些缺点那就是：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奇数次谐波，这些谐波引起电网电压变化，造成对电网的污染。
图1.1 整周波控制的电压波形
②相位控制。相位控制调压 ——利用控制触发滞后角α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α。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1.2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。

图1.2相位控制的电压波形
③斩波控制。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1.3为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，输出电压中会产生谐波。当斩波频率较低时，谐波含量较多，对负载产生不良的影响。将斩波信号与电源电压锁相，可消除谐波。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。

图1.3 斩波控制交流调压电路的输出波形
斩波控制方式时，晶闸管要带有强迫关断电路或采用IGBT、MOSFET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。本课程设计采用斩控式单相交流调压方案。

图1.4 斩控式交流调压电路原理图
斩控式交流调压电路的原理图如图1.4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。在图1.4斩控式交流调压电路流电源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1.4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，通过傅里叶级数分析可知，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。
交流经过滤波后电流经过主电路由Q1、Q2、Q3组成。D1和Q2以及Q1和D2是用来实现电流续流的。当在电流的正半周的时候Q2导通，然后通过D1续流。当在负半周的时候就可以实现续流功能。Q3是用于调节电流的开通和断开的也就是UC3842所产生的PWM波形是在Q3上体现出来的。通过调节占空比使输出电压降低，以实现调压的目的。但是为了实现实时的控制电压的输出故采用闭环控制，在输出端接有变压器和整流电路，再通过电阻的分压给TL431提供一个电压，然后和内部的参考电压2.5V进行比较，以控制光偶的发光二极管的发光，光耦是实现电路的隔离。UC3842的2脚是反馈电压输入端，此脚电压与误差放大器同相端的2.5V 基准电压进行比较，产生误差电压，从而控制脉冲宽度。
1.1 交流斩波调压的基本原理
交流斩波调压的原理波形如图1.5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1.5 交流斩控调压的原理波形图
1.2 交流斩波调压的框图
图1.6 总框图
第二章 单元电路设计
2.1 主电路
220V的交流通过插座J1、J2输入电路。为了是电路在安全值之内工作故首先电流经过一个保险丝。然后经过C1和L1和L2共模扼流线圈进行滤波以消除电网带来的影响。交流经过滤波后电流经过主电路由Q1、Q2、Q3组成。D1和Q2以及Q1和D2是用来实现电流续流的。当在电流的正半周的时候Q2导通，然后通过D1续流。当在负半周的时候就可以实现续流功能。R1、C2、D3、D4、C4、R7是用保护MOSFET的，作为吸收电路。当Q3出于关断的时候将Q1、Q2根据是在交流的的正半周还是负半周将Q2或Q1导通。

图2.1 主电路
2.2 反馈电路
TL431是一个有良好的热稳定性能的三端可调分流基准源。他的输出电压用两个电阻就可以任意的设置到从Verf（2.5V）到36V范围内的任何值。该器件的典型动态阻抗为0.2Ω，在很多应用中用它代替齐纳二极管，例如，数字电压表，运放电路，可调压电源，开关电源等。
2.2.1 封装

图2.2 TL431的封装和引脚分布
TL431是一种并联稳压集成电路。因其性能好、价格低，因此广泛应用在各种电源电路中。其封装形式与塑封三极管9013等相同，如图2.2（a）所示。同类产品还有图2.2（b）所示的双直插外形的。
2.2.2 主要参数
　　三端可调分流基准源
　　可编程输出电压:2.5V~36V
　　电压参考误差：±0.4％ ，典型值@25℃（TL431B）
　　低动态输出阻抗:0.22Ω(典型值)
　　等效全范围温度系数：50 ppm/℃（典型值）
　　温度补偿操作全额定工作温度范围
　　稳压值送从2.5--36V连续可调，
　　参考电压原误差+-1.0%，
　　低动态输出电阻，
　　典型值为0.22欧姆，
　　输出电流1.0--100毫安。
　　全温度范围内温度特性平坦，
　　典型值为50ppm，
　　低输出电压噪声。
　　封装：TO-92,PDIP-8,Micro-8，SOIC-8,SOT-23
　　最大输入电压为37V
　　最大工作电流150mA
　　内基准电压为2.5V
　　输出电压范围为2.5~36V
应用领域: 电源
内部结构

图2.3 TL431的内部结构
TL431的具体功能可以用图2.3的功能模块示意。由图可以看到，VI是一个内部的2.5V的基准源，接在运放的反向输入端。由运放的特性可知，只有当REF端（同向端）的电压非常接近VI（2.5V）时，三极管中才会有一个稳定的非饱和电流通过，而且随着REF端电压的微小变化，通过三极管图1的电流将从1到100mA变化。当然，该图绝不是TL431的实际内部结构，但可用于分析理解电路。
2.2.3 光耦采用PC817

图2.4 PC817的结构图
1、基本信息
　品处理信号：数字信号 制作工艺：半导体集成 导电类型：双极型 集成程度：小规模 规格尺寸：231（mm） 工作温度：-40~85（℃） 静态功耗：3（ｍＷ）
2、主要特点
　　PC817光电耦合器广泛用在电脑终端机，可控硅系统设备，测量仪器，影印机，自动售票，家用电器，如风扇，加热器等电路之间的信号传输，使之前端与负载完全隔离，目的在于增加安全性，减小电路干扰，简化电路设计。
　　1.电流传输比 (CTR: MIN. 50% at IF=5mA ,VCE=5V)
　　2.高隔离电压:5000V有效值
　　 3.紧凑型双列直插封装,PC817为单通道光耦,PC827为双通光光耦,PC837为三通道,PC847为四通道光耦.
3、主要参数
　　光电耦合器
　　电流传输比：50%（最小值）
　　高隔离电压：5000V（有效值）
　　符合UL标准
　　极限参数
　　正向电流：50mA
　　峰值正向电流：1A
　　反向电压：6V
　　功耗：70mW
　　集电极发射极电压：35V
　　发射极集电极电压：6V
　　集电极电流：50mA
　　集电极功耗：150mW
　　总功耗：200mW
　　工作温度：－30℃ ～+100℃
　　集电极发射极饱和电压：0.1V（典型值）
　　截止频率：80kHz
　　电流传输比：50%～600%
　　封装：DIP-4
输出电压经过变压器T2转换成20V的交流然后经过整流桥编程直流。L4和C5和C6滤波之后给光耦提供电压，同时通过R8和R20分压为TL431提供电压，该电压与TL431内部的电压比较然后控制光耦的导通以及导通程度。R9是光耦PC817的限流电阻。R22和C14是TL431的补偿电路。光耦PC817根据电流的大小使三极管导通的程度不一样，这样来反馈输出电压的大小。

图2.5 反馈电路
2.3 过零检测电路
　 为了是现在Ｑ３关断的时候，Ｑ１、Ｑ２根据电流所处的正负半周交替导通就需要一个过零检测电路以实现对Ｑ１和Ｑ２的正确触发。通过变压器Ｔ１进行降压，若果在电流的正半周，Ｕ１工作，通过Ｒ２和Ｒ４限流使光耦工作。光耦的三极管工作。因为在三级管的集电极有上啦电阻所以Ｕ８的一个引脚是低电平，因为要在Ｑ３关断的时候开通Ｑ２所以与Ｑ３相或，输出为低电平，再取反。输出高电平用来驱动Ｑ２；若果在电流的负半周，Ｕ４工作，通过Ｒ３和Ｒ１０限流使光耦工作。光耦的三极管工作。因为在三级管的集电极有上拉电阻所以Ｕ７的一个引脚是低电平，因为要在Ｑ３关断的时候开通Ｑ１所以与Ｑ３相或，输出为低电平，再取反。输出高电平用来驱动Ｑ１

图2.6 过零检测电路
2.4 控制电路
UC3842大多采用DIP-8封装下图为UC3842 内部框图和引脚图，UC3842 采用固定工作频率脉冲宽度可控调制方式，共有8 个引脚，各脚功能如下：①脚是误差放大器的输出端，外接阻容元件用于改善误差放大器的增益和频率特性；②脚是反馈电压输入端，此脚电压与误差放大器同相端的2.5V 基准电压进行比较，产生误差电压，从而控制脉冲宽度；③脚为电流检测输入端， 当检测电压超过1V时缩小脉冲宽度使电源处于间歇工作状态；④脚为定时端，内部振荡器的工作频率由外接的阻容时间常数决定，f=1.8/(RT×CT)；⑤脚为公共地端；⑥脚为推挽输出端，内部为图腾柱式，上升、下降时间仅为50ns 驱动能力为±1A ；⑦脚是直流电源供电端，具有欠、过压锁定功能，芯片功耗为15mW；⑧脚为5V 基准电压输出端，有50mA 的负载能力。

图2.7 引脚功能图

　　　图2.8 UC3842 内部原理框图
UC3842是一种性能优异、应用广泛、结构较简单的PWM开关电源集成控制器，由于它只有一个输出端，所以主要用于音端控制的开关电源。
UC3842 7脚为电压输入端，其启动电压范围为16-34V。在电源启动时，VCC＜16V，输入电压施密物比较器输出为0，此时无基准电压产生，电路不工作；当Vcc＞16V时输入电压施密特比较器送出高电平到5V蕨稳压器，产生5V基准电压，此电压一方面供销内部电路工作，另一方面通过⑧脚向外部提供参考电压。一旦施密特比较器翻转为高电平（芯片开始工作以后），Vcc可以在10V-34V范围内变化而不影响电路的工作状态。当Vcc低于10V时，施密特比较器又翻转为低电平，电路停止工作。
当基准稳压源有5V基准电压输出时，基准电压检测逻辑比较器即达出高电平信号到输出电路。同时，振荡器将根据④脚外接Rt、Ct参数产生f=/Rt.Ct的振荡信号，此信号一路直接加到图腾柱电路的输入端，另一路加到PWM脉宽市制RS触发器的置位端，RS型PWN脉宽调制器的R端接电流检测比较器输出端。R端为占空调节控制端，当R电压上升时，Q端脉冲加宽，同时⑥脚送出脉宽也加宽（占空比增多）；当R端电压下降时，Q端脉冲变窄，同时⑥脚送出脉宽也变变窄（占空比减小）。UC3842各点时序如图所示，只有当E点为高电平时才有信号输出 ，并且a、b点全为高电平时，d点才送出高电平，c点送出低电平，否则d点送出低电平，c点送出高电平。②脚一般接输出电压取样信号，也称反馈信号。当②脚电压上升时，①脚电压将下降，R端电压亦随之下降，于是⑥脚脉冲变窄；反之，⑥脚脉冲变宽。③脚为电流传感端，通常在功率管的源极或发射极串入一小阻值取样电阻，将流过开关管的电流转为电压，并将此电压引入境脚。当负载短路或其它原因引起功率管电流增加，并使取样电阻上的电压超过1V时，⑥脚就停止脉冲输出，这样就可以有效的保护功率管不受损坏。概述与特点
　　UC3842是开关电源用电流控制方式的脉宽调制集成电路。与电压控制方式相比在负载响应和线性调
　　整度等方面有很多优越之处。
　　该电路主要特点有：
　　内含欠电压锁定电路
　　低起动电流（典型值为 0.12mA）
　　稳定的内部基准电压源
　　大电流推挽输出（驱动电流达 1A）
　　工作频率可到 500kHz
　　自动负反馈补偿电路
　　双脉冲抑制
　　较强的负载响应特性

图2.9 控制电路

第三章 故障分析与电路改进、实验及仿真
设计中的注意事项：
1、起动电路的设计
　　电路中电容C12储存的能量要能满足电源开始正常 工作的需要，使得UC3842第7脚有稳定、充足的输入供给。即电容C12的放电时间要大于UC3 842输出脉冲的高电平持续时间。否则，电源将出现打嗝现象。因此，电容C2的容量和 质量的选取非常重要。笔者在实际设计过程中，C12曾用100μF铝电解电容，经常发现 电源打嗝；测量反馈端电压，总是太低，以至于反馈端的整流二极管都没有工作，说明反馈 端电压幅度不够。原因在于C12容量不够，不能提供足够的能量来使UC3842充分工作，因此 ，容量最好在100μF以上。
　2、反馈绕组的设计
　　当UC3842启动后，若反馈绕组不能提供足够的UF，电路就会不停地起动 ，出现打嗝现象。另外，根据笔者的经验，若UF大于17.5V时， 也会引起UC3842工作异常，导致输出脉冲占空比变小，输出电压变低。故而反馈绕组匝数的 选取及其缠绕是非常重要的，一般可按13～15V设计，使UC3842正常工作时，7脚的电压维持 在13V左右。
UC3842为固定工作频率脉宽调制方式，输出电压或负载变化时仅调整占空比，控制场效应管的导通时间。反馈电压输入2脚，此脚电压与内部2.5V基准进行比较，产生控制电压，从而控制脉冲宽度；输出脉冲的频率由4脚外接定时电阻Rt及定时电容Ct决定，f 的单位取kΩ，Ct取μF。3脚为电感电流传感器端，当取样超过1V时，缩小导通脉宽，使电源处于间隙工作状态；6脚，输出端，内部为图腾柱式，上升、下降时间仅50ns，驱动能力为±1A；7脚，供电输入，起振后工作电压为10～13V，低于10V停止工作，功耗为15mW；8脚，内部基准5V(50mA)。
3、过流保护原理
　　当负载电流超过额定值或短路时，场效应管电流增加，R16上的电压反馈至3脚(电压大于1V)，通过内部电流放大器使导通宽度变窄，输出电压下降，直至使UC3842停止工作，没有触发脉冲输出，使场效应管截止，达到保护功率管的目的。短路现象消失后，电源自动恢复正常工作。
4、过压保护原理
　　当因某种原因使输出电压过高时，由反馈绕组形成的电压也高，从而使2脚的电压过高，内部保护电路起动，使6脚输出脉冲高电平时间变短，或不输出高电平使开关管截止。
开关管保护电路

第四章 总结与体会
此次课程设计有两周的时间，在第一周，我们主要进行相关课题资料的搜集，确定设计方案。斩波这个课题说简单不简单说难也不难，由于有事请假所以第一周的工作就勉勉强强完成了，接下来第二周的任务比较艰巨，主要有主电路的设计和控制电路设计以及波形分析、调试仿真等。
本以为事情会顺利进行，但后来才发现，确实不简单，遇上了很多麻烦。总是出现大大小小的错误，更正这一个下一个又有问题，搞的头都大了。不过还是黄天不负有心人，最后总算是完成了。
通过本次课程设计，对斩波有更深入的了解，觉得以后还是要加强动手实践的练习。俗话说：“熟能生巧”。同时还我意识到要学好我们专业课的重要性，不但要上课认真听讲，掌握课本知识，而且我们还需要经常勤与动手，勤于做实验，把理论知识和实践技能充分的合理的结合起来。只有理论和实践相结合才能更深入的了解课本知识，才能更深刻的了解专业知识的内涵和外延。也只有这样，知识才能在理论和实践中贯通。

附录 完整的原理图

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，1998
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：①表中标*号项目是硬件制作或软件编程类课题必填内容；
②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）。