斩控式单相交流调压电路.

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

系统总体方案确定

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

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 SG3525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%）、0~150V（AC ）

2） 最大输出电流： 5A

3） 功率因数：≥ 0.7

可提供实验与仿真条件

6

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；

10、课程设计成绩评分表

6

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

6

目 录

第 1 章 概述 1

1.1 单相交流调压 错误！未定义书签。

1.2 交流调压在生活生产中的应用 错误！未定义书签。

1.3 课题总体概述 1

第２章 设计总体思路 2

2.1 基本工作原理 2

2.2 总体方案确定 3

第 3 章 主电路设计与分析 4

3.1 主要技术条件及要求 4

3.2 主电路计算及元器件参数选型 4

3.3 主电路结构设计 5

3.4 主电路保护设计 6

第 4 章 单元控制电路设计 7

4.1 主控制芯片的详细说明及介绍 7

4.11 芯片的详细介绍 . 7

4.12 芯片的工作原理 8

4.2 驱动电路设计 9

4.3 过零检测及续流触发电路 10

4.4 控制保护电路设计 11

第 5 章 总结与体会 12

第 6 章 附录 15

附录 A 参考文件 . 14

6

第1章 概述

1.1 单相交流调压

对单相交流电的电压进行调节的电路。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。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，装置的重量轻、体积小，有色金

属消耗也少。

1.2 交流调压在生活生产中的应用

交流调压电路广泛用于灯光控制（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。在电力系统中，这种电

路还常用于对无功功率的连续调节。此外，在高电压小电流或低电压大

电流直流电源中，也常用交流高压电路调节变压器一次电压。因此交流

调压电路广泛存在于农村、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。

1.3 课题总体概述

用斩控方式实现交流调压，功率因数高，谐波小，输出波形好。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。

本课题将利用单相斩控式交流调压电路实现一系列的功能。

1

第 2 章 设计总体思路

2.1 基本工作原理

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类

似，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输入

的是正弦交流电压。在交流电源 ui 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 ui 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。设斩波器件 V1、V2 的导通时间为 ton ，开关周期为 T，则导通比为 α=ton/T ，和直流斩波电路一样，通过对 α 的调节可以调节输出电压 U0。

2.2 总体方案确定

在本设计中要求：输入电压：单相（ AC）220（ 1+15%），输出电压

0~150V（AC），最大输出电流： 5A，功率因数：≥ 0.7

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。

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，进而用来调节输出电压的大小。

初步设想将总电路分为三个部分：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

3

第 3 章 主电路设计

3.1 主要技术条件及要求

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。

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。

3.2 主电路计算及元器件参数选型

开关管选用 MOSFET。

　MOSFET 是高效、功率开关器件。它不仅承

场效应管输入阻抗高（ ≥108W）、驱动电流小（左右 0.1 μA左右）， 还

具有耐压高（最高可耐压 1200V）、工作电流大（ 1.5A ～100A）、输出

功率高（ 1～250W）、跨导的线性好、开关速度快等优良特性

因为功率因数指电压与电流的相位之间的关系，则由波形可以看出，

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。这时电路功率因数

接近 1。

4

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 3.4 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、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。

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。

5

图 3-3 主电路图

3.4 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。

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

6

会断开，从而达到保护主电路的作用。

第 4 章 单元控制电路设计

4.1 主芯片的相关说明

7

本次课程设计由芯片 SG3525 产生脉冲，来控制 VMOSFET 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。

4.11 芯片的详细介绍

SG3525的内部结构如图 6-1 所示， 它主要由基准电压调整器、 震荡器、

误差放大器、比较器、锁存器、欠压锁定电路、闭锁控制电路、软启动电路、输出电路构成。

图 4-1 SG3525 内部框图

SG3525A系列脉宽调制器控制电路可以改进为各种类型的开关电源的控

制性能和使用较少的外部零件。在芯片上的 5.1V 基准电压调定在± 1％，

误差放大器有一个输入共模电压范围。它包括基准电压，这样就不需要

外接的分压电阻器了。一个到振荡器的同步输入可以使多个单元成为从

电路或一个单元和外部系统时钟同步。在 CT 和放电脚之间用单个电阻器

连接即可对死区时间进行大范围的编程。在这些器件内部还有软起动电

路，它只需要一个外部的定时电容器。一只断路脚同时控制软起动电路

和输出级。只要用脉冲关断，通过 PWM（脉宽调制）锁存器瞬时切断和具

8

有较长关断命令的软起动再循环。当 VCC低于标称值时欠电压锁定禁止输

出和改变软起动电容器。输出级是推挽式的可以提供超过 200mA的源和

漏电流。

　SG3525A系列的 NOR（或非）逻辑在断开状态时输出为低。

·工作范围为 8.0V 到 35V ·5.1V± 1.0 ％调定的基准电压

· 100Hz到 400KHz振荡器频率 ·分立的振荡器同步脚

4.12 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

9

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

驱动电路是指驱动开关器件 Q3，从而来实现斩波调压的目的。由

以上对 SG3525 的介绍可知，在 SG3525 芯片中产生了三角波，用一直流

信号与之比较，就会产生一系列的矩形脉冲，这些矩形脉冲可以用来控

制开关器件 Q3 的导通与关闭，我们通过调制直流信号的大小或是调节三

角波的频率就可以改变矩形脉冲的频率，从而达到交流调压的目的。驱

动电路的电路图如下图所示，我们通过调节 RP1 就可以调节三角波的频

率。

10

4.3 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。

11

AC-

C

T3

TRANS1

1

AC

AC

3

2 4

V+ V-

BRIDGE2

R13



U3A

1

3

2

+5V

U3B

U5

+15V1

1

8

R15

+

4

2

7

Q2

-

+5V

R3

6

3

6

5

4

5

C6

+12V R2

8



U1



2

1

D11

TLP250

R16

8

U8A 2

R4 3

1 3

2

B

D5 4

-12V +12V

D6

R6

U2

U8B

2

5

7

3

6

R5

-12V

A



6EQ2

-9V1

5

U4A

GND1

G5V

3

+5V R7

+5V

8

U3D

U6

+15V2

1

8

R17

6 EQ1

12

2

7

Q1

11

3

6

5

13

4

5

C7

D12

G5V

5

4

TLP250

R18

U4B

-9V2

U3C

9

GND2

8

10

6

图 4-3 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。

1 2 3 4 5

4.4 控制保护电路设计

为了保护电路防止电路的过电压，加入一个保护电路。如下图所示，

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，如果输出电压

12

高于正 5 伏，比较器就输出正 5 伏电压，比较器的输出端与 SG3525的 3

管脚相连，因为前面已经介绍了 SG3525,它的 3 号管脚是电流取样输入端。

在外围电路中，在功率开关管的源极串接一个小阻值的取样电阻，将脉

冲变压器的电流转换成电压，此电压送入脚 3，控制脉宽。当功率开关管

的电流增大，取样电阻上的电压超过 1 V 时 SG3525就停止输出，有效地

保护功率开关管；

图 4-4 控制电路的保护电路

13

第 5 章 总结与体会

本次电力电子的课程设计使我受益匪浅。短短两周的时间里，锻炼了我主动动手解决问题和设计性思维的能力，将理论应用于实践中确实并非易事，因为它不是单纯的理论学习和理解，包含的东西远远超过我的想象，首先是扎实的理论基础，再是具备创新设计思维，还必须懂得电脑仿真软件的应用，接着是拥有一定的编写报告的能力，最后也是最重要的是要有刻苦专研和积极提问的精神。

这次斩控式单相交流调压电路曾是电力电子中的一个实验，对于其工作原理已经有了一定的掌握和了解，但是在具体实施设计时才发现并没有想象的那么简单，对于斩控式的了解也仅仅只是建立在实验的基础上，自己设计电路完全不同于实验，来了就此对于所需芯片以及元件的相关资料的收集和斩控式电路一些文献的翻阅才对课题有了不少了解。

通过这次的课程设计，不但让我对电力电子有了更加深层的认识，而且对课本的知识起到了很好的巩固作用。自动化专业的相关学科已经有多次课程设计的经验，但是每次都能给我带来新的收获，在一些了书本知识的学习之后再经过课程设计的锻炼，对于学科的理解和知识的掌握都起到了很大的帮助，也是一次很好的将理论与实践相结合的机会。

两周的实习带给我的不仅仅是知识上的积累，也是一次能力上的提升，唯有将知识付诸于实际的操作与设计才是真正的掌握，才能使课本知识灵活的应用。

14

第6章附录

R5

D6

D5

R4

AC-

AC+

-12V

6

5

2

3

F1

2

1

-12V

U8A

+12V

LM193

R2

R13

V+

AC

7

U8B

1

BRIDGE2

LD1

S1

LM193

V-

LAMP

3

2

+12V

3

2

T3

R6

4

3

U2

U1

TRANS1

10

9

2

1

S2

+5V

+5V

U3C

R7

R3

U3A

74LS00

74LS00

5

6

5

6

G5V

G5V

8

PWMXL

EQ2

3

EQ1

5 4

13 12

FU

U3D

U3B

74LS00

74LS00

U4A

74LS00

U4B

6

11

+5V

+5V

4

3

2

1

4

3

2

1

U6

-

U5

KM

TLP250

TLP250

5

6

7

8

5

6

7

8

-9V2

+15V2

-9V1

+15V1

C7

RES2

C6

R15

R18

R17

R16

RES2

GND2

GND1

D12

Q1

D11

Q2

4

Q2

MOSFET N

+12

OUTV

R20

Q3

2

D14

+12

MOSFET N

BRIDGE1

D15

AR?

C8

D4

C9

DIODE

D16

R12

RES2R21

R8

D7

DIODE

Re

Rc

+12V

KM

R19

Q3

4

3

470pC5

Vcc

V-

AC

D17

5

3

6

7

BRIDGE2

电

V+

AC

T2

地

流

输

Vcc

C10

取

出

样

2

1

TRANS1

ELECTRO1

UC3842

Vref

COMP

VFB

RT/CT

4

8

1

2

R10

OUT-

C4

G5V

R14

10k

POT2

4700pC3

RP1

OUTV



L1

C1 Q1

MOSFET N

D8

C10

D3

DIODE

R11

50/4w

L2

C2

V

M1

OUT+

METER

0.01u 15

附录 参考文件

参考文献

1．王兆安，电力电子技术（第 5 版）．机械工业出版社， 2008.

2．刘星平．电力电子技术及电力拖动自动控制系统．校内， 2009.

3. 浣喜明，姚为正．电力电子技术．高等教育出版社， 2008.

4．刘祖润，胡俊达．毕业设计指导．机械工业出版社， 1995.

林飞，杜欣．电力电子应用技术的 MATLAB 仿真 ．中国电力出版社， 2009. 6．钟炎平 ．电力电子电路设计 ．华中科技大学出版社， 2010.

7．徐德鸿．现代电力电子器件原理与应用技术．机械工业出版社， 2011.

8．洪乃刚． 电力电子和电力拖动控制系统的 MATLAB 仿真 ．机械工业出版社，

2006.

16

电气信息学院课程设计评分表

评 价

项 目

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、附件、评分表（非 16K 大小的图纸及程序清单） 。

17