单相斩控式交流调压电源设计.doc

课 程 设 计

课程名称 电力电子技术
课题名称单相斩控式交流调压电源设计

专 业
班 级
学 号
姓 名
指导教师

2013年 1月 4日

设计内容与设计要求
一．设计内容
1. 设计方案：用PWM控制获得所需要的等效电压或电流波形。
2. 设计包括：
1) IGBT电流、电压额定的选择
2) 电力二极管，电抗器电感值的计算
3) 输出电压可调
4) 驱动电路的设计
5) 画出完整的主电路原理图和控制电路原理图
6) 画出程序流程图
7) 列出主电路所用元器件的明细表

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. 同一个课题考虑不同的设计方案，并用MATLAB仿真；
5. 绘制总电路图；
6. 写出设计报告；
主要设计条件
1. 输入交流电源：
单相220V f=50Hz
2. 输出电压：
电压范围50 V-220V连续可调

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；
5. 相关计算及器件选型;
6. 电路设计；MATLAB 仿真；
7. 总结与体会；
8. 附录；
9. 参考文献；
10. 课程设计的原理图。

进度安排
十七周
星期一：下达设计任务书，介绍课题内容与要求；
星期一~~星期五：查找资料，确定设计方案，画出草图。
十八周
星期一~~星期二：电路设计，打印出图纸。
星期三：书写设计报告；
星期四：书写设计报告；
星期五：答辩。

目录
第1章 概述 1
第2章 系统总体方案 2
2.1 设计总体思路 2
2.2 基本工作原理 2
2.3系统设计总方案确定 4
第3章 硬件设计 5
3.1 主电路设计 5
3.2 控制电路设计 6
3.3 主电路计算及元器件参数选型 7
3.4 谐波分析 7
第4章 调试测试与仿真 10
4.1 建立仿真模型 10
4.2 仿真结果 11
第5章 总结与体会 13
附录............................................................................................................................14
参考文献： 15
电气信息学院课程设计评分表 16

第1章 概述

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。

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。

第2章 系统总体方案

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

斩波式交流调压电路输入是正弦交流电压，用V1、V2进行斩波控制，用V3、V4给负载电流提供续流通道。如果斩波器件V1、V2的导通时间为ton，开关周期为T，则导通比α=ton/T,可以通过调节α从而调节输出电压，如下图2-1所示表示交流斩波调压原理的波形图，2-2所示表示单相斩控式交流调压电路的原理图。

图2-1

图2-2 单相斩控式交流调压电路原理图

2.3系统设计总方案确定
本系统设计主要包括三部分电路：主电路、驱动与控制电路、保护电路。本设计系统要注意控制信号和主电路的电源必须保持同步，主电路主要包括环节有：主电力电子开关与续流管，而我们采用的是MOSFET作为开关器件，驱动与控制电路中采用的是TL494脉冲调制器控制芯片，而保护电路中我们分别对MOSFET器件的过压、过流保护，主电路的保护以及检测与控制电路保护等模块。

第3章 硬件设计

3.1 主电路设计

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。

图3-1 主电路图

3.2 控制电路设计

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。

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SG3525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。

控制电路部分如图3-2所示。

图3-2 控制电路

3.3 主电路计算及元器件参数选型
1、MOSFET的相关参数
当栅源电压仅略大于栅源开启电压时，沟道内的电流的饱和作用将产生一个可观的压降，此时，ID由VGS所控制
gfs=dID/dVGS=ID/(VGS-VGS(th)）
VDS(on)=RDS(on)ID
f为开关频率、MOSFET最大开关频率为50KHz,则有
Rs=1/（6fCs）≈33Ω;
VDs电流定额按MOSFET通过电流的1/10选择为：0.19A。
2、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 ITN
Itm≈2×0.577 IN=2×0.577×200A=230.8A
3、续流二极管选择计算
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。
4、滤波电容选择
C1一般根据放电的时间常数计算，负载越大，要求纹波系数越小，一般不做严格计算，多取2000 uF以上。因该系统负载不大，故
取 C1=2200 uF
耐压1.5UDM=1.5×160=240V取250V
即选用2200uF、250V电容器。

3.4 谐波分析

于是感性负载，又不能像直流斩波那样加续流回路，所以要给IGBT加开通和关断缓冲电路。高频交流开关控制采用了EPWM直流等电位调
制技术。为使波形半波奇对称和四分之一偶对称，以消除付里叶级数中的
余弦项和偶次谐波，使载波比为三角波频率，
为市电工频；调制为脉冲宽度，为三角波周
期、为三角波幅值、为输出电压的偏差、三角波电压的方程式为：

输出电压偏差为采样电压，触发脉冲起点和终点的方程式为：

脉冲宽度
式中，各触发脉冲的起点角和终点角的数值为：

由于PWM斩波波形是镜对称和原点对称，因此它的付里叶级数中将只包含正弦项中的奇次谐波，即：
为奇数

经计算，当时(

当时，
对于基波，

由以上式可知，N越大谐波频率越高。采用很小的LC滤波器就可以滤掉中的所有高次谐波。
第4章 调试测试与仿真
4.1 建立仿真模型
仿真电路图如下图所示。启动MATLABT软件，在simulink模型库中搭建仿真电路图，如图4-1所示。

在这个仿真模型中，使用SIMULINK中自带的Pulse Generator来产生一个脉冲来替代PWM波发生器。该脉冲发生器也拥有频率可调，占空比可调的性质，因此可以简化PWM波的调制产生过程。主电路部分的模型和原理图类似，使用4个IGBT来分别进行斩波控制和阻感负载的续流。

续流部分的工作过程为，当电源电压在正半周期时，续流二极管D2和续流IGBT2保持有触发信号，保持导通；当电源电压负半周期时，续流二极管D3和续流IGBT3保持有触发信号，保持导通。

负载端使用电压表来测量电压的变化，并且接入示波器，使用示波器来观察不同占空比时输出电压的波形。

图4.1 单相斩控式交流调压电源设计仿真图
4.2 仿真结果

占空比不同时的波形分别如图10，图11，图12所示

图10 占空比0.2 输出电压97V

图11 占空比0.5 输出电压154V

图12 占空比0.8 输出电压195V

由仿真波形和测量输出电压值的变化可知，在改变占空比时，电路仿真波形和输出电压随之改变，达到了电压范围可调的目标。

第5章 总结与体会

经过这一次的课程设计，我对电力电子技术这门课程及相关知识有了更深入的理解和体会，同时也很好的把握理论知识并将其应用于实践当中。

在此次的单相斩控式交流调压电源设计过程中，我更进一步地熟悉了元件的结构及掌握了各元件的工作原理和其具体的使用方法。也锻炼了自己独立思考问题的能力和通过查看相关资料来解决问题的习惯。虽然这只是一次简单的课程设计，但通过这次课程设计我们了解了课程设计的一般步骤，和设计中应注意的问题。设计本身并不是有很重要的意义，而是同学们对待问题时的态度和处理事情的能力。至于设计的成绩无须看的太过于重要，而是设计的过程，设计的思想和设计电路中的每一个环节，电路中各个部分的功能是如何实现的。仿真软件我用的是MATLAB，之前我完全不懂如何用它进行调试，但经过一段时间的摸索就学会了并进行了调试，另外，我们设计要从市场需求出发，既要有强大的功能，又要在价格方面比同等档次的便宜。虽然我们现在作的不可能到市场上去销售，但我们要为以后作设计培养出好的习惯。

通过这次课程设计，我不仅加深了我对《电力电子技术》这门课程的理解，更重要是我体会出了学习的一些方法。这在以后的工作和生活中都是有很大帮助的。

最后，在此要感谢我的指导老师，沈细群老师，谢谢她的细心教诲。同时也感谢那些帮助我解决问题的同学们。

附录
总电路图：

参考文献：
参考文献
电力电子技术 王兆安 机械工业出版社
电力电子技术问答 颜世钢 机械工业出版社
电力电子电路设计 钟炎平 华中科技大学出版社

15

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 ________________
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）。

16