亮度可連續(xù)調(diào)節(jié)直流斬波電路設(shè)計(jì)

1、武漢理工大學(xué)電力電子裝置及系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)說明書摘要隨著電力電子技術(shù)的日益發(fā)展,人們對電路的要求也越來越高,在生產(chǎn)實(shí)際中有時(shí)需要亮度可連續(xù)調(diào)節(jié)的燈光,例如而能達(dá)到這個(gè)目的的電路有很多，在電力電子技術(shù)中，相控整流電路（ACDC） ，交流調(diào)壓電路（ACAC） ，直流斬波電路（DCDC）等電路都可以實(shí)現(xiàn)輸出電壓的連續(xù)可調(diào)，從而實(shí)現(xiàn)對燈光亮度的連續(xù)可調(diào)。直流斬波電路一般是指直接將直流電變?yōu)榱硪恢绷麟姷那闆r，通過對開關(guān)導(dǎo)通和斷開時(shí)間的控制（最常見的為 PWM 控制） ，連續(xù)地調(diào)節(jié)導(dǎo)通時(shí)間改變占空比使輸出電壓的平均值能夠連續(xù)改變，在用它控制燈光亮度的電路中，通過燈泡的電流為直流。本文的初始條件要求輸入為 22

2、0V 交流電，輸出為 024V 直流電壓，則顯然為 ACDC 變換電路即要利用單相相控整流電路來實(shí)現(xiàn)對燈泡亮度的可連續(xù)調(diào)節(jié)的控制。關(guān)鍵詞：電力電子 直流斬波 PWM 不控整流武漢理工大學(xué)電力電子裝置及系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)說明書目錄亮度可連續(xù)調(diào)節(jié)直流斬波電路設(shè)計(jì) .11 概論 .12 方案的論證 .23 電路設(shè)計(jì) .23.1 總體電路原理圖.23.2 單相橋式不控整流電路帶電阻負(fù)載工作原理.33.3 變壓器的參數(shù)設(shè)計(jì).33.4 燈泡的參數(shù)設(shè)計(jì).33.5 直流斬波電路的設(shè)計(jì) .43.5.1 設(shè)計(jì)思路.43.5.2 原理框圖.43.5.3 BUCK 主電路模塊的設(shè)計(jì) .43.5.4 主電路的工作原理.53.

3、5.5 控制電路的設(shè)計(jì) .63.5.6 驅(qū)動電路模塊的設(shè)計(jì) .74 結(jié)束語 .95 參考文獻(xiàn).10武漢理工大學(xué)電力電子裝置及系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)說明書1亮度可連續(xù)調(diào)節(jié)直流斬波電路設(shè)計(jì)1 概論電力電子技術(shù)是 20 世紀(jì)后半葉誕生和發(fā)展的一門嶄新的技術(shù)。可以預(yù)見，在 21 世紀(jì)電力電子技術(shù)仍將以迅猛的速度發(fā)展。電力電子器件的發(fā)展對電力電子技術(shù)的發(fā)展起著決定性的作用。正是大功率晶閘管的發(fā)明，使得半導(dǎo)體變流技術(shù)從電子學(xué)中分離出來，發(fā)展成為電力電子技術(shù)這一專門的學(xué)科。而二十世紀(jì)九十年代各種全控型大功率半導(dǎo)體器件的發(fā)明，進(jìn)一步拓展了電力電子技術(shù)應(yīng)用和覆蓋的領(lǐng)域和范圍。電力電子技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)深入到國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)

4、部門，包括鋼鐵、化工、電力、石油、汽車以及人們的日常生活。功率范圍大到幾千兆瓦的高壓直流輸電，小到一瓦的手機(jī)充電器，電力電子技術(shù)隨處可見。隨著電力電子技術(shù)的日益發(fā)展,人們對電路的要求也越來越高,在生產(chǎn)實(shí)際中有時(shí)需要亮度可連續(xù)調(diào)節(jié)的燈光,例如而能達(dá)到這個(gè)目的的電路有很多，在電力電子技術(shù)中，相控整流電路（ACDC） ，交流調(diào)壓電路（ACAC） ，直流斬波電路（DCDC）等電路都可以實(shí)現(xiàn)輸出電壓的連續(xù)可調(diào)，從而實(shí)現(xiàn)對燈光亮度的連續(xù)可調(diào)。對于電燈（燈泡） ，無論是直流電還是交流電都可以使其發(fā)光，因?yàn)殡姛舭l(fā)光主要與流過電燈的電流的有效值有關(guān)。電能通過燈絲時(shí)產(chǎn)生了足夠的熱量使得燈絲發(fā)光。相控整流電路通過控

5、制晶閘管的導(dǎo)通角來改變輸出電壓的有效值。結(jié)構(gòu)簡單、控制方便、性能穩(wěn)定,利用它可以方便地得到大中、小各種容量的直流電,是目前獲得直流電能的主要方法,得到廣泛應(yīng)用。用它控制燈光亮度的可連續(xù)調(diào)節(jié)，則是使通過燈泡的電流為直流。采用相位控制的交流電力控制電路即交流調(diào)壓電路，在每半個(gè)周波內(nèi)通過對晶閘管開通相位的控制，可以方便地調(diào)節(jié)輸出電壓的有效值。交流調(diào)壓電路廣泛用于燈光控制（如調(diào)光臺燈和舞臺燈光控制） 。用它控制燈光亮度連續(xù)可調(diào)，使通過燈泡的電流為交流電。直流斬波電路一般是指直接將直流電變?yōu)榱硪恢绷麟姷那闆r，通過對開關(guān)導(dǎo)通和斷開時(shí)間的控制（最常見的為 PWM 控制） ，連續(xù)地調(diào)節(jié)導(dǎo)通時(shí)間改變占空比使輸出

6、電壓的平均值能夠連續(xù)改變，在用它控制燈光亮度的電路中，通過燈泡的電流為直流。對于課程設(shè)計(jì)任務(wù)書給出的初始條件要求輸入為 220V 交流電，輸出為 050V 直流武漢理工大學(xué)電力電子裝置及系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)說明書2電壓，則顯然為 ACDC 變換電路即要利用單相不控整流電路來實(shí)現(xiàn)對燈泡亮度的可連續(xù)調(diào)節(jié)的控制。2 方案的論證設(shè)計(jì)亮度可連續(xù)調(diào)節(jié)的燈光電路，輸入 220V，頻率為 50HZ 的單相交流電。負(fù)載（燈泡）要求 0-50V 交流電壓，最大負(fù)載電流 1A。經(jīng)分析需用單相相控整流電路來實(shí)現(xiàn)燈光的可連續(xù)調(diào)節(jié)。首先考慮 220V 的交流電要想轉(zhuǎn)變?yōu)樽畲笾禐?50V 的直流電，必須先加一個(gè)變壓器，將 220V

7、 交流電降到一個(gè)合適的值，再經(jīng)過整流電路整流，以及直流斬波電路，使整流輸出的電壓在 050V 變化。在電路中還可以增加一個(gè)熔斷器起過電流保護(hù)的作用。電路一共由變壓器、觸發(fā)電路和單相整流電路三個(gè)主要部分組成，220V 單相交流電通過變壓器降壓，然后通過晶閘管組成的整流電路進(jìn)行相控整流，通過觸發(fā)電路調(diào)節(jié)晶閘管觸發(fā)角使燈泡的亮度可連續(xù)調(diào)節(jié)。電路設(shè)計(jì)框圖如圖 1 所示。變壓器降壓單相交流220v不控整流直流斬波電路燈泡亮度可調(diào) 圖 2-1 電路設(shè)計(jì)框圖3 電路設(shè)計(jì)3.1 總體電路原理圖根據(jù)前面的方案設(shè)計(jì)及電路方框圖可繪出電路原理圖，如圖 2 所示。圖 3-1 總體電路原理圖武漢理工大學(xué)電力電子裝置及系

8、統(tǒng)課程設(shè)計(jì)說明書33.2 單相橋式不控整流電路帶電阻負(fù)載工作原理D1 和 D4 組成一對橋臂，在正半周承受電壓，得到觸發(fā)脈沖即導(dǎo)通，當(dāng)過2U2U2U零時(shí)關(guān)斷。D2 和 D3 組成另一對橋臂，在正半周承受電壓-，得到觸發(fā)脈沖即導(dǎo)通，當(dāng)2U2U過零時(shí)關(guān)斷。 2U對于單相橋式整流電路帶電阻負(fù)載有：（1） 經(jīng)整流后燈泡（電阻性負(fù)載）兩端電壓的平均值29 . 0 UUd（2） 向燈泡輸出的直流平均值為RUIdd（3） 二極管 D1，D2 和 D3，D4 輪流導(dǎo)電，流過二極管的電流平均值只有輸出直流電流平均值的一半，即ddDII213.3 變壓器的參數(shù)設(shè)計(jì)在很多情況下整流裝置所要求的交流供電電壓與電網(wǎng)提供

9、的電壓往往不能一致，同時(shí)又為了減少電網(wǎng)與整流裝置的相互干擾，使整流主電路與電網(wǎng)隔離，為此需要配置一個(gè)變壓器。在本設(shè)計(jì)中忽略影響，作一個(gè)近似計(jì)算。變壓器直接用單相變壓器就可以了，根據(jù)公式，即的范圍為。29 . 0 UUddU29 . 00U分析任務(wù)書中所給要求可知，可得。故為輸入的509 . 02UVVU56.559 . 05021U220V 單相交流電壓；為變壓器降壓后的電壓為。2UV56.55可求出，即變壓器的匝數(shù)比為 99:25。259921NN可令=396 匝， =100 匝。1N2N變壓器的容量為。AVIUIUSdd7 .619 . 09 . 0223.4 燈泡的參數(shù)設(shè)計(jì)由于要求燈泡的

10、電壓在050V范圍內(nèi)變化，所以額定電壓取50V。最大負(fù)載電流為1A，根據(jù)歐姆定律，可求得R=50。即所選的燈泡的額定電壓為50V，額定電流為1A，燈武漢理工大學(xué)電力電子裝置及系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)說明書4泡的電阻值為50。3.5 直流斬波電路的設(shè)計(jì)3.5.1 設(shè)計(jì)思路直流斬波電路總共分為三個(gè)部分電路摸塊。分別為主電路模塊，控制電路模塊和驅(qū)動電路模塊。主電路模塊： 由全控型 IGBT 的開通與關(guān)斷的時(shí)間占空比來決定輸出電壓 U 的大小?？刂齐娐纺K：用 SG3525 來控制 IGBT 的開通與關(guān)斷。驅(qū)動電路模塊：用來驅(qū)動 IGBT。3.5.2 原理框圖根據(jù)降壓斬波電路設(shè)計(jì)任務(wù)要求設(shè)計(jì)主電路、控制電路、驅(qū)動

11、電路，設(shè)計(jì)出降壓斬波電路的原理框圖如下圖所示。圖 3-2 直流斬波電路設(shè)計(jì)框圖3.5.3 BUCK 主電路模塊的設(shè)計(jì)直流降壓斬波電路由直流電源，全控型器件 IGBT，電感線圈，續(xù)流二極管以及負(fù)載組成。具體電路圖如下主電路的原理圖控制電路SG3525驅(qū)動電路BUCK主電路武漢理工大學(xué)電力電子裝置及系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)說明書5圖 3-3 直流斬波電路主電路3.5.4 主電路的工作原理主電路有兩種工作狀態(tài)，即 IGBT 導(dǎo)通和截止?fàn)顟B(tài)V 導(dǎo)通，此時(shí)電源經(jīng)電感線圈向負(fù)載供電，同時(shí)，電感線圈貯存能量。等效電路圖：圖 3-4tutuUdRLtuUdtuRLV 截止，此時(shí)，電源脫離電路，電感線圈向負(fù)載供電，釋放貯存

12、的能量。等效電路：圖 3-5tutututuRLRL0電容 C：屬于斬波電路本身，不屬于負(fù)載。V 導(dǎo)通時(shí)充電，V 截止時(shí)放電，從而使負(fù)武漢理工大學(xué)電力電子裝置及系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)說明書6載兩端電壓保持平穩(wěn)。3.5.5 控制電路的設(shè)計(jì)對于控制電路的設(shè)計(jì)其實(shí)可以有很多種方法，可以通過一些數(shù)字運(yùn)算芯片如單片機(jī)、CPLD 等等來輸出 PWM 波，也可以通過特定的 PWM 發(fā)生芯片來控制。選用一般的 SG3525 作為 PWM 發(fā)生芯片來進(jìn)行連續(xù)控制。其特點(diǎn)特點(diǎn)如下：（1）工作電壓范圍寬：835V。（2）5.1（1 1.0%）V微調(diào)基準(zhǔn)電源。（3）振蕩器工作頻率范圍寬：100Hz400KHz.（4）具有振蕩器

13、外部同步功能。（5）死區(qū)時(shí)間可調(diào)。（6）內(nèi)置軟啟動電路。（7）具有輸入欠電壓鎖定功能。（8）具有PWM瑣存功能，禁止多脈沖。（9）逐個(gè)脈沖關(guān)斷。（10）雙路輸出（灌電流/拉電流）：mA(峰值)。SG3525的工作原理：SG3525內(nèi)置了5.1V精密基準(zhǔn)電源，微調(diào)至1.0%，在誤差放大器共模輸入電壓范圍內(nèi)，無須外接分壓電組。SG3525還增加了同步功能，可以工作在主從模式，也可以與外部系統(tǒng)時(shí)鐘信號同步，為設(shè)計(jì)提供了極大的靈活性。在CT 5引腳和Discharge7引腳之間加入一個(gè)電阻就可以實(shí)現(xiàn)對死區(qū)時(shí)間的調(diào)節(jié)功能。由于SG3525內(nèi)部集成了軟啟動電路，因此只需要一個(gè)外接定時(shí)電容。SG3525的軟

14、啟動接入端（引腳8）上通常接一個(gè)5的軟啟動電容。上電過程中，由于電容兩端的電壓不能突變，因此與軟啟動電容接入端相連的PWM比較器反向輸入端處于低電平，PWM比較器輸出高電平。此時(shí)，PWM瑣存器的輸出也為高電平，該高電平通過兩個(gè)或非門加到輸出晶體管上，使之無法導(dǎo)通。只有軟啟動電容充電至其上的電壓使引腳8處于高電平時(shí)，SG3525才開始工作。由于實(shí)際中，基準(zhǔn)電壓通常是接在誤差放大器的同相輸入端上，而輸出電壓的采樣電壓則加在誤差放大器的反相輸入端上。當(dāng)輸出電壓因輸武漢理工大學(xué)電力電子裝置及系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)說明書7入電壓的升高或負(fù)載的變化而升高時(shí)，誤差放大器的輸出將減小，這將導(dǎo)致PWM比較器輸出為正的時(shí)間

15、變長，PWM瑣存器輸出高電平的時(shí)間也變長，因此輸出晶體管的導(dǎo)通時(shí)間將最終變短，從而使輸出電壓回落到額定值，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)態(tài)。反之亦然。外接關(guān)斷信號對輸出級和軟啟動電路都起作用。當(dāng) Shutdown（引腳10）上的信號為高電平時(shí)，PWM鎖存器將立即動作，禁止SG3525的輸出，同時(shí)，軟啟動電容將開始放電。如果該高電平持續(xù)，軟啟動電容將充分放電，直到關(guān)斷信號結(jié)束，才重新進(jìn)入軟啟動過程。注意，Shutdown引腳不能懸空，應(yīng)通過接地電阻可靠接地，以防止外部干擾信號耦合而影響SG3525的正常工作。欠電壓鎖定功能同樣作用于輸出級和軟啟動電路。如果輸入電壓過低，在 SG3525的輸出被關(guān)斷同時(shí)，軟啟動電容將開

16、始放電?？刂齐娐啡缦聢D 3-6 控制電路3.5.6 驅(qū)動電路模塊的設(shè)計(jì)該部分主要完成以下幾個(gè)功能：(1)提供適當(dāng)?shù)恼蚝头聪蜉敵鲭妷?，?IGBT 可靠的開通和關(guān)斷；(2)提供足夠大的瞬態(tài)功率或瞬時(shí)電流，使 IGBT 能迅速建立柵控電場而導(dǎo)通；(3)盡可能小的輸入輸出延遲時(shí)間，以提高工作效率；(4) 足夠高的輸入輸出電氣隔離性能，使信號電路與柵極驅(qū)動電路絕緣；(5)具有靈敏的過流保護(hù)能力。針對以上幾個(gè)要求，對驅(qū)動電路進(jìn)行以下設(shè)計(jì)。針對驅(qū)動電路的隔離方式：采用普通光電耦合式驅(qū)動電路，該電路雙側(cè)都有源。其提供的脈沖寬度不受限制，較易檢測 IGBT 的電壓和電流的狀態(tài)，對外送出過流信號。另外它使用比

17、較方便，穩(wěn)定性比較好。武漢理工大學(xué)電力電子裝置及系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)說明書8經(jīng)過上文的分析采用以下驅(qū)動電路：1KOPTOISO1NPN115V1KPNP12圖 3-7 驅(qū)動電路武漢理工大學(xué)電力電子裝置及系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)說明書94 結(jié)束語 理論的學(xué)習(xí)使我們掌握了有關(guān)近電力電子器件的原理和功能。隨著科技不斷發(fā)展進(jìn)步電力電子器件也同我們的生活息息相關(guān)，在我們的生活中扮演的角色也越來越重要。這次課程設(shè)計(jì)總共只一個(gè)星期的時(shí)間，而且期間穿插著我們的生產(chǎn)實(shí)習(xí)，時(shí)間比較緊，但是即使這樣，我也積極地進(jìn)行準(zhǔn)備，認(rèn)真分析老師所給的任務(wù)書。我花了一天的時(shí)間去圖書館和網(wǎng)上查找相關(guān)資料，認(rèn)真地審了審我的任務(wù)書，我發(fā)現(xiàn)了我必須要用到不

18、控整流以及直流斬波。我認(rèn)為認(rèn)真的審題，在設(shè)計(jì)之前做足準(zhǔn)備工作是非常有必要的。 在做電力電子課程設(shè)計(jì)的過程中我更能認(rèn)真和全面的對所學(xué)知識有一個(gè)全面和系統(tǒng)更深刻的了解和掌握。在這個(gè)過程中我認(rèn)真的查閱了大量的資料和工具書增長了我的知識，開闊了我們的視野。不過我看得更多的還是教材，萬變不離其宗，對于任何一個(gè)設(shè)計(jì)其基本原理最終都是可以在書本上找到答案的。所以書本還是最重要的，完全吃透了書本課程設(shè)計(jì)才能發(fā)揮得更好。雖然課程設(shè)計(jì)源于書本，但是和應(yīng)用于生活聯(lián)系得更加緊密。這就要求我們在學(xué)習(xí)和生活的過程中每個(gè)人都要學(xué)會應(yīng)用資源和我們自身的優(yōu)勢，同時(shí)留心觀察身邊的事物。做課設(shè)期間我們參觀了武鋼集團(tuán)以及理工光科等，在看到里面那些高科技的產(chǎn)品其實(shí)歸根結(jié)底其原理我們大家弄清楚了都是很簡單的。所以我們必須要利用身邊的資源去了解我們周圍這個(gè)充滿了高科技的世界。做課程設(shè)計(jì)時(shí)間短，而且白天很多時(shí)間用在了實(shí)習(xí)上，所以吃苦熬夜是必然的，舍不得吃苦是做不好任何事的。另外光能吃苦是不夠的，還要有過硬的技術(shù)水平，有的同學(xué)基礎(chǔ)扎實(shí)，一兩個(gè)晚上就能完成設(shè)計(jì)，但是有的同學(xué)卻不知道怎么樣開頭，不知道要做什么。這就是差距。通過課程設(shè)計(jì)讓自己明白自己所差的，還很多很多。在這次設(shè)計(jì)中，由于我知識的欠缺，設(shè)計(jì)的并不詳細(xì)