畢業(yè)論文--工程實用型交流斬波調壓電路的研究(含外文翻譯)

1、<p>　　工程實用型交流斬波調壓電路的研究</p><p><b>　　摘要：</b></p><p>　　交流斬波控制調壓技術是一種新型高性能的交流調壓技術,在中小交流調壓領域獲得廣泛應用。本文通過對現(xiàn)有文獻上出現(xiàn)的此類電路拓撲比較分析,指出它們各自優(yōu)缺點、適用場合以及該技術發(fā)展方向。本文采用交流斬波電路，用AT89S52單片機為控制器，根據(jù)雙向電力電子

2、開關的特性，應用單片機技術對電力電子開關的通斷時間進行控制，從而設計了一套交流調壓裝置。對裝置硬件組成、調壓原理及方法、系統(tǒng)軟件等做了詳細介紹。本裝置采用匯編語言編程，實現(xiàn)了控制口穩(wěn)定輸出方波信號，經過調試裝置最終可以看出主回路的電壓變化。</p><p>　　關鍵詞：交流斬波，調壓，單片機，電力電子開關IGBT</p><p>　　AC chopping voltage regulati

3、on circuit research</p><p><b>　　Abstract：</b></p><p>　　AC chopping voltage regulator is characterized of high performance,now being extensively applicable in small and medium voltage

4、 regulation. By comparison of the topologies have been Given in references, the paper gives their advantages and disadvantages , applying occasions respectively ,and developing trend of the technique.The device in exchan

5、ge chopper circuit, with AT89S52 SCM for controller, according to double-way power electronic switch with the characteristics of SCM application of elect</p><p><b>　　Keywords：</b></p><

6、p>　　ac-chopper, voltage regulators, microcontroller ,electrical electronic switch</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　第一章 緒論1</b></p><p>　　1.1 選題的目的和意義1</

7、p><p>　　1.2 交流斬波調壓的發(fā)展趨勢2</p><p>　　1.3本課題主要討論的內容3</p><p>　　第二章 交流斬波的調壓原理4</p><p>　　2.1IGBT的原理4</p><p>　　2.1.1 IGBT的基本結構4</p><p>　　2.1.2 IGB

8、T的工作原理6</p><p>　　2.2 交流斬波的調壓原理6</p><p>　　2.2.1 交流斬波調壓的數(shù)學模型6</p><p>　　2.2.2 交流斬波調壓的工作原理7</p><p>　　第三章 交流斬波的電路設計9</p><p>　　3.1幾種交流斬波調壓方式9</p>

9、<p>　　3.2 典型的斬控式交流調壓電路9</p><p>　　3.2.1單管反串聯(lián)雙向電子開關斬控式交流調壓電路9</p><p>　　3.2.2雙開關斬控式交流調壓電路11</p><p>　　3.2.3單管雙向電子開關斬控式交流調壓電路12</p><p>　　3.3交流斬波調壓電路的控制裝置13</p&

10、gt;<p>　　第四章 交流斬波電路的仿真研究15</p><p>　　4.1仿真軟件15</p><p>　　4.2交流斬波調壓主回路15</p><p>　　4.3 單片機最小系統(tǒng)回路（控制回路）16</p><p>　　4.3.1 晶振回路16</p><p>　　4.3.2 復位電路

11、16</p><p>　　4.3.3 方波輸出及變周期電路17</p><p>　　4.3.4 單片機回路電路圖（控制回路）17</p><p>　　4.4光耦隔離18</p><p>　　4.4.1 概述18</p><p>　　4.4.2 工作原理19</p><p>　　4.4

12、.3 光耦的主要優(yōu)點19</p><p>　　4.4.4 光耦回路19</p><p>　　4.4.5 光耦回路的設計20</p><p>　　4.5 功率場效應管保護回路20</p><p>　　4.6 元器件選擇與詳細說明21</p><p>　　4.6.1 光電耦合器 TLP521-121</

13、p><p>　　4.6.2 快恢復二極管MUR46021</p><p>　　4.6.3 功率場效應管IRF84022</p><p>　　第五章 交流斬波器軟件的設計22</p><p>　　5.1程序設計22</p><p>　　5.2 程序調試25</p><p>　　5.3 仿真

14、結果26</p><p><b>　　結束語28</b></p><p><b>　　致 謝29</b></p><p><b>　　參考文獻30</b></p><p><b>　　附錄一31</b></p><p>&

15、lt;b>　　附錄二32</b></p><p><b>　　第一章 緒論</b></p><p>　　1.1 選題的目的和意義</p><p>　　傳統(tǒng)上，交流電壓變換是通過變壓器的電磁感應實現(xiàn)的，隨著現(xiàn)代社會的發(fā)</p><p>　　展，地球資源的逐漸枯竭，為了實現(xiàn)人類社會的可持續(xù)發(fā)展，傳統(tǒng)的采用

16、大量銅、鐵等貴金屬的變壓器將逐漸退出歷史舞臺，而由電力電子元件組成可調壓AC/AC變換器來代替，這種斬波式調壓電路具有高次諧波影響較小、功率因數(shù)高、動態(tài)影響快及具有寬的調壓范圍等優(yōu)點,適用于工礦企業(yè)大量使用的間歇性負載異步電動機拖動機械的節(jié)能運行,具有一定的推廣價值。</p><p>　　交流斬波調壓技術作為一種高性能交流調壓技術，符合電力電子技術的高頻化、高效化以及低污染發(fā)展趨勢，將逐步取代晶閘管相控交流調壓，

17、新器件的發(fā)展與成熟將加速這一進程，其在一些電動機調速工具有不可比擬的優(yōu)越性。豐富的控制種類，多樣的雙向電子開關組合，為不同使用要求提供高性價比產品，是一種經濟型交流調壓技術。與單位功率因數(shù)、串聯(lián)電壓源等高性能交流調壓技術相比較,其開關應力及容量要求較大，為進一步提高開關變換效率，如何從系統(tǒng)綜合角度考慮減小開關應力，降低開關損耗，減少驅動復雜性，提高變換效率是我們鉆研設計的新方向。</p><p>　　智能交流電力

18、控制器可廣泛用于工業(yè)各領域的電壓調節(jié)，恒壓恒流，恒功率調節(jié)，適用于電阻性負載、電感性負載、變壓器和電機軟起控制等。在當今時代，各行各業(yè)中擁有廣泛的使用實例和前景，社會各生產行業(yè)都有不同等級的需求，尤其是自動化程度高的企業(yè)，根本離不開這種實用的技術裝置。</p><p>　　設計利用電力電子器件對電能進行變換和控制的技術，任務是使自身熟悉各種電力電子器件的特性和使用方法；掌握各種電力電子電路的結構、工作原理、控制方

19、法、設計計算方法及實驗技能；熟悉各種電力電子裝置的應用范圍及技術經濟指</p><p>　　標，對電力電子裝置具有獨立的設計和調試能力，從而設計出一款性能較好，價格實惠的交流電壓控制裝置。</p><p>　　意義在于能夠設計出一款適用范圍廣泛，操作簡單方便，節(jié)省能源的交流調壓裝置?？梢杂脕碚{節(jié)功率因數(shù)，也可以用來對電動機進行軟啟動，或者是最直觀的自動調節(jié)照明裝置得明亮程度，在當今建設節(jié)約

20、型社會的大潮中做出自己一點小小得貢獻。</p><p>　　全控型電力電子器件的發(fā)展，新型的交流調壓器——斬控式交流調壓器出現(xiàn)了，其輸入輸出都是交流電壓，電力電子開關一般都為雙向導電開關，利用它來作為整體設計的核心。</p><p>　　1.2 交流斬波調壓的發(fā)展趨勢</p><p>　　交流斬波調壓，一般有三種拓撲結構：</p><p>　

21、　（1）單管反串聯(lián)雙向電子開關斬控式交流調壓。用二極管和IGBT分別構成雙向斬波開關和雙向續(xù)流開關，用二組電感和電容分別組成低通輸入、輸出濾波器。這種連接IGBT與二極管特性配合好，并可減小引線電感對換流的影響。該拓撲采用帶電流檢測的非互補控制方式，開關模式由電壓極性決定，避免了調壓中主開關和續(xù)流開關換相過程引起的共態(tài)運行，開關器件無換相過電壓。該拓撲在熱水器、靜電除塵器中、小功率阻性負載應用中有較大的優(yōu)勢。</p>&l

22、t;p>　　（2）雙開關斬控式交流調壓電路。這種拓撲結構中，斬波開關和續(xù)流開關都是由四個獨立的單功率開關反并聯(lián)續(xù)流二極管構成，與單管反串聯(lián)雙向電子開關斬控式交流調壓電路有異曲同工之妙，但結構上更加清晰明了，目前有文獻報道它通過附加緩沖電路已應用在大功率場合。</p><p>　?。?）單管雙向電子開關斬控式交流調壓電路。該拓撲為一種經濟型單管交流調壓電路，開關管對整流脈動輸出電壓進行斬波，從而達到調壓目的。

23、這種結構簡單，無續(xù)流回路，且只有一路驅動信號。但這種電路只能用于阻性負載，所需的濾波電容比較大，且要求電容能通過較大的交流電流。由于電容積分效應，電路動態(tài)響應變慢，故其適用于成本低、性能要求不高、容量較小的交流調壓中。</p><p>　　1.3本課題主要討論的內容</p><p>　　現(xiàn)針對一種IGBT單相交流斬波調壓電路進行理論分析與實驗研究，主要研究四個方面的內容：一是交流斬波調壓的

24、主電路設計；二是開關器件的驅動電路、緩沖電路、輸入輸出濾波器的設計；三是開關器件的驅動電路、緩沖電路、輸入輸出濾波器的設計以及該電路所對應的相關計算分析，包括電路的工作原理分析、器件參數(shù)計算。</p><p>　　第二章 交流斬波的調壓原理</p><p>　　2.1IGBT的原理</p><p>　　2.1.1 IGBT的基本結構</p><

25、;p>　　絕緣柵雙極晶體管（IGBT）本質上是一個場效應晶體管，只是在漏極和漏區(qū)之間多了一個P型層。根據(jù)國際電工委員會的文件建議，其各部分名稱基本沿用場效應晶體管的相應命名。</p><p>　　IGBT的結構剖面圖如圖1-1所示，IGBT在結構上類似于MOSFET，其不同點在于IGBT是在N溝道功率MOSFET的N+基板（漏極）上增加了一個P+基板（IGBT的集電極），形成PN結j1，并由此引出漏極、柵極

26、和源極則完全與MOSFET相似。</p><p>　　正是由于IGBT是在N溝道MOSFET的N+基板上加一層P+基板，形成了四層結構，由PNP－NPN晶體管構成IGBT。但是，NPN晶體管和發(fā)射極由于鋁電極短路，設計時盡可能使NPN不起作用。所以說，IGBT的基本工作與NPN晶體管無關，可以認為是將N溝道MOSFET作為輸入極，PNP晶體管作為輸出極的單向達林頓管。</p><p>　　

27、圖 2-1 IGBT的結構</p><p>　　可以看出，IGBT相當于一個由MOSFET驅動的厚基區(qū)GTR，其簡化等效電路如圖1-2(b)所示。圖中Rff是厚基區(qū)GTR的擴展電阻。IGBT是以GTR為主導件、MOSFET為驅動件的復合結構。 若在IGBT的柵極和發(fā)射極之間加上驅動正電壓，則MOSFET導通，這樣PNP晶體管的集電極與基極之間成低阻狀態(tài)而使得晶體管導通；若IGBT的柵極和發(fā)射極之間電壓為0V，則M

28、OSFET截止，切斷PNP晶體管基極電流的供給，使得晶體管截止。</p><p>　　IGBT的安全可靠與否主要由以下因素決定：</p><p>　　——IGBT柵極與發(fā)射極之間的電壓；</p><p>　　——IGBT集電極與發(fā)射極之間的電壓；</p><p>　　——流過IGBT集電極－發(fā)射極的電流；</p><p&g

29、t;　　——IGBT的結溫。</p><p>　　如果IGBT柵極與發(fā)射極之間的電壓，即驅動電壓過低，則IGBT不能穩(wěn)定正常地工作，如果過高超過柵極－發(fā)射極之間的耐壓則IGBT可能永久性損壞；同樣，如果加在IGBT集電極與發(fā)射極允許的電壓超過集電極－發(fā)射極之間的耐壓，流過IGBT集電極－發(fā)射極的電流超過集電極－發(fā)射極允許的最大電流，IGBT的結溫超過其結溫的允許值，IGBT都可能會永久性損壞。</p>

30、<p>　　IGBT的開通和關斷是由柵極電壓來控制的。當柵極加正電壓時，MOSFET內形成溝道，并為PNP晶體管提供基極電流，從而使IGBT導通，此時，從P+區(qū)注到N一區(qū)進行電導調制，減少N一區(qū)的電阻Rdr值，使高耐壓的IGBT也具有低的通態(tài)壓降。在柵極上加負電壓時，MOSFET內的溝道消失，PNP晶體管的基極電流被切斷，IGBT即關斷。</p><p>　　2.1.2 IGBT的工作原理</

31、p><p>　　IGBT是一種電壓型控制器件，它所需要的驅動電流跟驅動功率都非常小，可直接與模擬或數(shù)字功能快相接而不須加任何附加接口電路。IGBT的導通和關斷是由柵極電壓UGE來控制的，當UGE大于UGE(th)時IGBT導通。當柵極和發(fā)射極施加反向或不加信號時，IGBT被關斷。</p><p>　　IGBT和普通三極管一樣，可工作在線性放大區(qū)、飽和區(qū)和截止區(qū)，起主要作為開關器件應用。在驅動電

32、路主要研究飽和導通和截止兩個狀態(tài)，使其開通上升沿和關斷下降沿都比較陡峭。</p><p>　　2.2 交流斬波的調壓原理</p><p>　　2.2.1 交流斬波調壓的數(shù)學模型 </p><p>　　交流斬波調壓與直流脈寬調制原理一樣,只是斬波調制對象不同,電路結構上要求能對交流電進行雙向調制,且這種調制為高頻周期矩形波函數(shù)對正弦函數(shù)的調制，其調制原理按Fourri

33、er展開分析如下：Ui(t)=Umsin(2πft)，開關函數(shù) ,S(t)按Fourrier展開為： </p><p>　　， （式1-1）</p><p>　　其中占空比D=τ/Ts,調制比N=.由于Uo(t)=Ui(t)</p><p>　　則 Uo(t)=Ui(t)×S(t)</p><p><b>　　=

34、</b></p><p>　　記作： （式1-2）</p><p>　　可見輸出電壓是由與輸入電壓同頻率的基波和(nN±1)×2(n=1,2,3…)高次諧波所組成的。通過一個低通濾波器，易濾掉φ {(nN±1)2}部分。經濾波輸出為：Uo(t)=DUi(t),即可通過調節(jié)占空比D，線性調節(jié)輸出電壓。</p&g

35、t;<p>　　2.2.2 交流斬波調壓的工作原理</p><p>　　圖2-2為互補控制斬控式交流調壓器的原理圖。圖中u為電源電壓，u0為輸出電壓，Z為負載。S1和S2均為雙向電力電子開關，其中S1為斬波開關，S2為續(xù)流開關。其通斷規(guī)律是，S1閉合時S2斷開，S1斷開時S2閉合。即S1和S2的動作規(guī)律在時間上是互補的，所以又叫互補式控制方式。</p><p>　　a）斬

36、控式交流調壓原理圖</p><p>　　b）斬控式交流調壓輸出波形</p><p>　　圖2-2 斬控式交流調壓原理圖a)和輸出波形b）</p><p>　　在S1閉合、S2斷開期間，輸出電壓與電源電壓相等；在S1斷開、S2閉合期間，輸出電壓為零。對于感性負載，S2為其提供續(xù)流回路。</p><p>　　交流斬波調壓與直流脈寬調制原理一樣,只

37、是斬波調制對象不同,電路結構上要求能對交流電進行雙向調制,也就是高頻周期矩形波函數(shù)對正弦函數(shù)的調制,用單片機控制脈沖間隔時間，脈沖給晶體管門極控制電路的通斷,從而通過控制占空比來調節(jié)輸出電壓。</p><p>　　第三章 交流斬波的電路設計</p><p>　　3.1幾種交流斬波調壓方式</p><p>　　交流斬波調壓對象為交流電壓，要求對正負半波電壓均能進行調

38、制，即開關器件必須為雙向的，結構上具有對稱性。從能量角度看，開關器件的通斷控制著能量的流動及流向，由于能量為不能突變量，它要求電路拓撲時刻提供能量連續(xù)通路，即電路具有雙向性。常見的雙向電子開關有如下圖3-1幾種：</p><p>　　圖3-1雙向電子開關</p><p>　　3.2 典型的斬控式交流調壓電路</p><p>　　3.2.1單管反串聯(lián)雙向電子開關斬控式

39、交流調壓電路</p><p>　　圖3-2 單管反串聯(lián)雙向電子開關電路拓撲結構一</p><p>　　如圖3-2所示，圖中V1，V2構成雙向斬波開關，V3，V4構成雙向續(xù)流開關。Lif、Cif和Lof、Cof分別組成低通輸入、輸出濾波器。</p><p>　　該拓撲采用帶電流檢測的非互補控制方式，開關模式由電壓極性決定,避免了調壓器中主開關和續(xù)流開關換相過程引起的共

40、態(tài)運行,開關器件無換相過電壓。整個工作過程分為有源狀態(tài)、死區(qū)狀態(tài)以及續(xù)流狀態(tài)。輸出電壓、電流極性相同時,續(xù)流開關可不加緩沖電路。主開關緩沖電路經優(yōu)化設計后,可保證主開關開通電流小于1.5倍通態(tài)電流,改善開關過程電壓、電流變化軌跡,大大減小器件開關損耗，對輸出電壓波形的傅里葉分析結果表明,除基波以外還含有其它諧波,諧波頻率在開關頻率及其整數(shù)倍兩側分布,開關頻率越高,越容易濾除。經優(yōu)化設計的濾波器濾波后,可認為輸出電壓僅含有基波。該拓撲在熱

41、水器、靜電除塵器等中、小功率阻性負載應用中具有較大的優(yōu)勢。</p><p>　　3.2.2雙開關斬控式交流調壓電路</p><p>　　圖3-3雙開關斬控式交流調壓電路拓撲結構二</p><p>　　如圖3-3所示，在該電路拓撲中,開關模式取決于電源電壓的極性。在電源電壓的正半周,V2和V4導通,V1和V3按某一固定占空比調制導通當電源電壓極性改變時,開關模式就相反

42、因此無論電流方向如電流通路總是存在的。</p><p>　　因為在電源電壓的半周內,有兩個開關導通,開關損耗明顯減少。電路的工作可分為三種模式,即有源模式、死區(qū)時間模式和續(xù)流模式,V1、V2導通時定義為有源模式,在這個過程中,電感電流流經電壓源,能量是流向負載還是取自負載取決于電感電流的方向。下面分析電源電壓正半周電流路徑。電源供電時 電源→V1→負載→VD2 →電源; 負載饋電時, 負載→VD1→電源→V2→負

43、載。當兩個調制開關關斷時定義為死區(qū)時間模式,電流路徑根據(jù)電感電流的方向而不同，自左至右時電感L→負載→V4→VD4→電感L；自右至左時：負載→VD1→電源→V2→負載。在續(xù)流模式中，電感電流流經V3和V4，以方向不同，電流有兩個路徑：負載→V4→VD4→電感L→負載，以及負載→電感L→V3→VD3→負載。</p><p>　　3.2.3單管雙向電子開關斬控式交流調壓電路</p><p>　

44、　圖3-4所示的為單管雙向電子開關斬控式交流調壓電路原理圖，在單管雙向電子開關中全控開關只有一個，其它由四個不控的快恢復二極管構成。該拓撲為一種經濟型單管交流調壓電路，開關管對整流脈動輸出電壓進行斬波，從而達到調壓目的?？梢钥闯鲞@種拓撲結構簡單，無需續(xù)流回路，且只有一路驅動信號，是一種經濟型交流調壓電路。但這種電路只能用于阻性負載，所需的濾波電容比較大，且要求電容能通過較大的交流電流。該拓撲有較大的浪涌電流，由于電容積分效應，電路動態(tài)響

45、應速度變慢，故其僅適用于成本低、性能要求不高、容量較小的交流調壓中。</p><p>　　圖3-4單管雙向電子開關斬控式交流調壓電路</p><p>　　為了提高電路的變換效率，軟化開關軌跡，提高器件使用壽命，文獻提出了一種單開關雙振ZCS斬波調壓技術電路，如圖3-5所示.該技術通過對濾波、諧振參數(shù)綜合考慮，實現(xiàn)了開關導通和關斷過程在較大范圍內的零電流或準零電流切換，從而軟化了開關過程。&

46、lt;/p><p>　　圖3-5 單開關雙振ZCS斬波控制調壓電路</p><p>　　此外，單管雙向電子開關調制對象與直流斬波相似，在開關軟化設計上可參照直流斬波緩沖電路設計。文獻提出了具有最簡結構的無源無損緩沖電路的通用性很強，可應用于此類電路中的軟化開關過程，能提高效率。</p><p>　　3.3交流斬波調壓電路的控制裝置</p><p>

47、;　　交流斬波調壓對象為交流電壓,要求對正負半波電壓均能進行調制,即開關器件必須為雙向的,結構上具有對稱性。從能量角度看,開關器件的通斷控制著能量的流動及流向,由于能量為不能突變量,它要求電路拓撲時刻提供能量連續(xù)通路,即電路具有雙向性。</p><p>　　交流斬波調壓與直流脈寬調制原理一樣,只是斬波調制對象不同,電路結構上要求能對交流電進行雙向調制,也就是高頻周期矩形波函數(shù)對正弦函數(shù)的調制,用單片機控制脈沖間隔

48、時間，脈沖給晶體管門極控制電路的通斷,從而通過控制占空比來調節(jié)輸出電壓。</p><p>　　硬件電路的設計主要包括單片機系統(tǒng)(控制回路)和交流斬波調壓電路(主回路)兩部分，系統(tǒng)框圖如圖3-6：</p><p>　　圖3-6 交流斬波調壓裝置框圖</p><p>　　第四章 交流斬波電路的仿真研究</p><p><b>　　4.

49、1仿真軟件</b></p><p>　　本次電路仿真采用protues軟件，以及Keil uVision與之的完美結合，通過過Keil 將單片機的程序編譯生成文件，protues打開其工程文件進行仿真，可以達到和用硬件仿真相同的效果。</p><p>　　4.2交流斬波調壓主回路</p><p>　　設計時，采用了如圖4-1的單管雙向電子開關斬控式交流調

50、壓電路，整個回路由一個全控開關以及四個不控的快恢復二極管構成，是一種經濟型單管交流調壓電路，開關管對整流脈動輸出電壓進行斬波，從而達到調壓目的。</p><p>　　圖4-1 交流斬波調壓回路圖（主回路）</p><p>　　假設全控開關導通時ε(t)=1，關斷時ε(t)=0。ε(t)=1的持續(xù)時間為ton，ε(t)=0的持續(xù)時間為toff。ton＋toff=T0。稱為斬波周期，D=ton

51、 /T為占空比，ε(t)可用周期函數(shù)表示為：</p><p><b>　　（式4-1）</b></p><p>　　4.3 單片機最小系統(tǒng)回路（控制回路）</p><p>　　4.3.1 晶振回路</p><p>　　由于AT89S52系列內部無晶振，圖4-2為單片機外接晶振回路。</p><p>

52、;　　圖4-2 外接晶振回路</p><p>　　4.3.2 復位電路</p><p>　　圖示4-3為單片機外接手動/自動復位電路。</p><p>　　圖4-3 外接復位電路</p><p>　　4.3.3 方波輸出及變周期電路</p><p>　　圖示4-4為方波輸出口電路，效果可以通過示波器來觀測。圖示開關1，

53、2分別用來給P0.1和P0.4口低電平信號，從而通過程序實現(xiàn)方波周期的改變。</p><p>　　圖4-4 周期改變電路</p><p>　　4.3.4 單片機回路電路圖（控制回路）</p><p>　　圖5-5為單片機掛晶振和復位電路圖，圖4-4所示兩路開關分別接P0.1口和P0.4口。</p><p>　　圖4-5單片機回路圖（控制回路）

54、</p><p><b>　　4.4光耦隔離</b></p><p><b>　　4.4.1 概述</b></p><p>　　光電耦合器是以光為媒介傳輸電信號的一種電一光一電轉換器件。它由發(fā)光源和受光器兩部分組成。把發(fā)光源和受光器組裝在同一密閉的殼體內，彼此間用透明絕緣 體隔離。發(fā)光源的引腳為輸入端，受光器的引腳為輸出端

55、，常見的發(fā)光源為發(fā)光二極管，受光器為光敏二極管、光敏三極管等等。光電耦合器的種類較多，常見有光 電二極管型、光電三極管型、光敏電阻型、光控晶閘管型、光電達林頓型、集成電路型等。</p><p>　　4.4.2 工作原理</p><p>　　在光電耦合器輸入端加電信號使發(fā)光源發(fā)光，光的強度取決于激勵電流的大小，此光照射到封裝在一起的受光器上后，因光電效應而產生了光電流，由受光器輸出端引出，這

56、樣就實現(xiàn)了電一光一電的轉換。圖5-6為原理圖：</p><p>　　圖4-6光耦工作原理圖</p><p>　　4.4.3 光耦的主要優(yōu)點</p><p>　　信號單向傳輸，輸入端與輸出端完全實現(xiàn)了電氣隔離隔離，輸出信號對輸入端無影響，抗干擾能力強，工作穩(wěn)定，無觸點，使用壽命長，傳 輸效率高。光耦合器是70年代發(fā)展起來產新型器件，現(xiàn)已廣泛用于電氣絕緣、電平轉換、級間

57、耦合、驅動電路、開關電路、斬波器、多諧振蕩器、信號隔離、級間 隔離 、脈沖放大電路、數(shù)字儀表、遠距離信號傳輸、脈沖放大、固態(tài)繼電器(SSR)、儀器儀表、通信設備及微機接口中。在單片開關電源中，利用線性光耦合器可構 成光耦反饋電路，通過調節(jié)控制端電流來改變占空比，達到精密穩(wěn)壓目的。</p><p>　　4.4.4 光耦回路</p><p>　　采用光耦來驅動主回路的電力電子器件，主要是因為主

58、回路的電壓高達220V，為了保護控制回路正常工作且不被燒毀，如圖5-7所示為光耦連接主回路和控制回路電路圖。（ 圖5-7 見附錄1） </p><p>　　4.4.5 光耦回路的設計</p><p><b>　?。?）選擇電路形式</b></p><p><b>　　（2）光耦的選擇</b></p><

59、p>　?。?）元件參數(shù)的估算</p><p>　　為了保證光耦自身的安全工作，輸出端的允許電流應該適當選擇的高些，或者進行限流，否則容易導致斬波器失效。</p><p>　　4.5 功率場效應管保護回路</p><p>　　常見的線路連接如圖4-8，其中IL為MOS導通時流過負載的電流：當門極施加瞬時負脈沖時，瞬時導通電流id由IL值迅速下降為零，MOS管瞬

60、時導通電壓u由零瞬間增大到最大關斷電壓值Vcd。在關斷過程中，功率電子器件內部瞬時功率有一最大耗散值，對功率電子器件的關斷損壞具有極大的作用。</p><p>　　圖4-8 MOSFET的吸收電路</p><p>　　電路中，快恢復二極管VD和電容C在關斷過程中導通，C的充電電流ic的分流，使C有效的吸收回路中的能量，減少了關斷過程中功率電子器件所吸收的能量，從而起到保護期間的作用。&l

61、t;/p><p>　　4.6 元器件選擇與詳細說明</p><p>　　4.6.1 光電耦合器 TLP521-1</p><p>　　TLP521-1光耦的參數(shù)表如表4-1，其外形圖如圖4-9：</p><p><b>　　表4-1</b></p><p><b>　　圖4-9光耦外形圖&l

62、t;/b></p><p>　　4.6.2 快恢復二極管MUR460</p><p>　　MUR460 二極管最大允許電流4A，耐壓600V，最佳回復時間為35 ns。其外形圖如圖4-10：</p><p>　　圖4-10 MUR460外形圖</p><p>　　4.6.3 功率場效應管IRF840</p><p&

63、gt;　　功率場效應管IRF84是反壓Vbe0為 500V，電流Icm為8A， 功率Pcm為125W，通態(tài)電阻0.85的NMOS場效應管。 其外形圖如圖4-11：</p><p>　　圖4-11 IRF840外形圖</p><p>　　第五章 交流斬波器軟件的設計 </p><p><b>　　5.1程序設計</b

64、></p><p>　?。?）方波周期為T的計算</p><p>　　外接晶振的頻率為12MHz。</p><p><b>　　機器周期：</b></p><p><b>　　時間常數(shù)：</b></p><p><b>　　計數(shù)初值：</b><

65、;/p><p>　　設置TMOD寄存器的內容：</p><p>　　對于T0來說：M1M0=01、C/T=0、GATE=0.</p><p>　　由于T1不用，可以任意設置，現(xiàn)取為全0，因此，TMOD寄存器的內容為：</p><p>　　TMOD=00000001B=01H。</p><p><b>　?。?）程

66、序流程圖</b></p><p>　　中斷程序流程圖如圖5-1所示，按鍵加程序流程圖如圖5-2所示，按鍵減程序流程圖如圖5-3所示：</p><p>　　圖5-1 中斷程序流程圖</p><p>　　圖5-2 按鍵加程序流程圖 圖5-3 按鍵減程序流程圖</p><p>　　

67、（3）源程序：見附錄二</p><p><b>　　5.2 程序調試</b></p><p>　　程序調試也就是軟件調試，是通過對用戶程序的匯編、連接、執(zhí)行來發(fā)現(xiàn)程序中存在的語法錯誤與邏輯錯誤并加以排除糾正的過程。</p><p>　　軟件調試的一般方法是先獨立后聯(lián)機、先分塊后組合、先單步后連續(xù)。</p><p>　　單

68、片機應用系統(tǒng)中的軟件與硬件是密切相關、相輔相成的。軟件是硬件的靈魂，沒有軟件，系統(tǒng)將無法工作；大多數(shù)軟件的運行又依賴于硬件，沒有相應的硬件支持，軟件的功能蕩然無存。因此，將兩者完全孤立開來調試是不可能的。</p><p>　　調試是好程序模塊的關鍵是實現(xiàn)對錯誤的準確定位。準確發(fā)現(xiàn)程序中的錯誤的最有效方法是采用單步加斷點運行方式調試程序。一般采用先使用斷點運行方式將故障定位在程序段的一個小范圍內，然后針對故障程序段

69、再使用單步運行方式來準確定位錯誤所在，這樣就可以做到調試的快捷和準確。</p><p><b>　　5.3 仿真結果</b></p><p>　　本次設計的實驗結果基本上達到了預期的效果，單片機的P1.0端口發(fā)送頻率為5KHz的方波信號，則其周期為200</p><p><b>　　圖5-2方波信號</b></p&g

70、t;<p>　　通過控制電路對脈寬進行調節(jié)后，高低電平的持續(xù)時間發(fā)生改變，高電平為40：</p><p>　　方波信號經過光耦及其驅動電路轉化為新的不規(guī)則方波，進而控制MOS管的G極，實現(xiàn)主回路的通斷。</p><p>　　定時器不溢出的時間范圍收到按鍵的信號時，就給單片機一個中斷，中斷的同時將脈沖時間5，回路中的電流有效值發(fā)生微小變化，經過多次調節(jié)，可以通過回路中所接的示波

71、器看出效果。</p><p><b>　　結束語</b></p><p>　　本次研究的內容是交流斬波的調壓電路，先對幾種典型的電路進行了分析，選用單管雙向電子開關斬控式交流調壓電路原理進行了仿真本，利用52單片機設計的</p><p>　　交流斬波調壓裝置，它便于操作、觀察效果直觀。這類斬波裝置工作穩(wěn)定，可以滿足一般的低功率斬波回路的要求，而

72、且成本低廉，具有良好的性價比。此外，以斬波回路作為輔助回路可以與其他系統(tǒng)回路一同配合使用，可以實現(xiàn)節(jié)能功能。</p><p>　　交流斬波調壓裝置的缺陷有：</p><p>　?。?）光耦的隔離功能保護了控制回路的安全，可是它對脈沖的復現(xiàn)不具有完全跟蹤的效果，導致控制回路調節(jié)脈寬時電壓的變化不是呈線性的。解決方案：更換光耦，購買線性跟蹤能力強的光耦。</p><p>

73、;　?。?）啟動或者停止裝置時瞬時電流比較大，致使電力電子器件發(fā)熱甚至燒壞。解決方案：更換額定電流更大的器件，或者加適當?shù)南蘖麟娮?，適當?shù)姆值艄茏觾啥说碾妷骸?lt;/p><p>　　（3）由于編程過程中采用了中斷方式進行計時，所以脈沖最小只能達到40，</p><p>　　單片機外接晶振12MHz，最小中斷運行時間為40。解決方案：將單片機外接晶振頻率加高或者采用其他計時方式編程。</

74、p><p><b>　　致 謝</b></p><p>　　在我整個設計過程中時常會遇見一些難以解答的困難甚至走入設計的誤區(qū)，這時，張老師以她廣博的專業(yè)知識和豐富的實踐經驗為我解決了擺在我面前的種種難題，并且將我以前學習過程中的誤區(qū)一一掃光，對我們高度負責，多次找我們?yōu)槲覀兘鉀Q難題。因此，我想借此機會對我們敬愛的張老師致以最誠摯的謝意。</p><p&

75、gt;　　此外，在畢業(yè)設計過程中，很多同學也給予了我極大的幫助，正是他們的無私幫助，才使得我順利完成了畢業(yè)設計，在此對他們的辛勞付出一并表示深深的感謝。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 王兆安、黃俊主編.電力電子技術[M].北京：機械工業(yè)出版社，2001.</p><p>　　[2] 陳堅著.電力電子學

76、[M].北京：高等教育出版社，第二版，2007.</p><p>　　[3] 周明寶著.電力電子技術[M].北京：機械工業(yè)出版社，第一版，2000.</p><p>　　[4] 張立、趙永健著.現(xiàn)代電力電子技術[M].北京：科學出版社，第一版，1992.</p><p>　　[5] 張毅坤、陳善久著.單片微型計算機原理及應用[M].西安電子科技大學，1998.<

77、;/p><p>　　[6] 趙茂泰主編.智能儀器原理及應用[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2006.</p><p>　　[7] 王再英編著.過程控制與儀表[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2006.</p><p>　　[8] 閻石主編.數(shù)字電子技術基礎[M]. 北京：高等教育出版社，2003.</p><p>　　[9] 王旭光.三晶閘管三相交

78、流調壓器的主電路分析[J].電氣自動化，1993.</p><p>　　[10] 劉競成編著.交流調速系統(tǒng)[M].上海交通大學出版社，1984.</p><p>　　[11] 張明勛編著.電力電子設備設計和應用手[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，1990.</p><p>　　[12] 劉鈺、于洪珍、孫樹樸等著.電子技術基礎[M]. 北京：中國礦業(yè)大學出版社，1991

79、.</p><p>　　[13] 肖向鋒、苑莉.一種大功率范圍內有廣泛用途的新型器件IGCT[J].冶金自動化，1999（3）：9—12.</p><p>　　[14] 王旭光.輸入與輸出隔離的斬控式交流調壓器[J].電力電子技術，1996（4）：77—79.</p><p><b>　　附錄一</b></p><p>

80、　　交流斬波調壓裝置設計的總體電路圖：</p><p><b>　　附錄二</b></p><p>　　/*PWM產生程序，頻率5KHZ，即周期是200us，初始占空比為50%，由定時器T0來控制輸出腳的電平變化，按鍵的功能為脈寬調節(jié)，“+”鍵為增加脈寬，“-”鍵為減小脈寬，*/</p><p>　　#include <reg52.h&g

81、t;</p><p>　　#define uchar unsigned char </p><p>　　#define uint unsigned int </p><p>　　#define PWM_pin P1_0 //PWM輸出口</p><p>　　#definekey_add P0_1 //加 按鍵</p&

82、gt;<p>　　#definekey_jian P0_4 //減 按鍵</p><p>　　uchar TH0_GAO;//高電平時間,低電平時間是(200-TH0_GAO)</p><p>　　uchar PWM_change;//電平變換標志</p><p>　　/*------------------------------------

83、------------</p><p>　　P0 Bit Registers</p><p>　　------------------------------------------------*/</p><p>　　sbit P0_0 = 0x80;</p><p>　　sbit P0_1 = 0x81;</p><

84、p>　　sbit P0_2 = 0x82;</p><p>　　sbit P0_3 = 0x83;</p><p>　　sbit P0_4 = 0x84;</p><p>　　sbit P0_5 = 0x85;</p><p>　　sbit P0_6 = 0x86;</p><p>　　sbit P0_7 = 0

85、x87;</p><p>　　/*------------------------------------------------</p><p>　　P1 Bit Registers</p><p>　　------------------------------------------------*/</p><p>　　sbit P1_

86、0 = 0x90;</p><p>　　sbit P1_1 = 0x91;</p><p>　　sbit P1_2 = 0x92;</p><p>　　sbit P1_3 = 0x93;</p><p>　　sbit P1_4 = 0x94;</p><p>　　sbit P1_5 = 0x95;</p>

87、<p>　　sbit P1_6 = 0x96;</p><p>　　sbit P1_7 = 0x97;</p><p>　　/*------------------------------------------------</p><p>　　P2 Bit Registers</p><p>　　----------------

88、--------------------------------*/</p><p>　　sbit P2_0 = 0xA0;</p><p>　　sbit P2_1 = 0xA1;</p><p>　　sbit P2_2 = 0xA2;</p><p>　　sbit P2_3 = 0xA3;</p><p>　　sbi

89、t P2_4 = 0xA4;</p><p>　　sbit P2_5 = 0xA5;</p><p>　　sbit P2_6 = 0xA6;</p><p>　　sbit P2_7 = 0xA7;</p><p>　　/*------------------------------------------------</p>&

90、lt;p>　　P3 Bit Registers (Mnemonics & Ports)</p><p>　　------------------------------------------------*/</p><p>　　sbit P3_0 = 0xB0;</p><p>　　sbit P3_1 = 0xB1;</p><p

91、>　　sbit P3_2 = 0xB2;</p><p>　　sbit P3_3 = 0xB3;</p><p>　　sbit P3_4 = 0xB4;</p><p>　　sbit P3_5 = 0xB5;</p><p>　　sbit P3_6 = 0xB6;</p><p>　　sbit P3_7 = 0x

92、B7;</p><p>　　/*******************************</p><p>　　函數(shù)名稱：delay(uint yanc)</p><p>　　函數(shù)功能：延時子程序</p><p><b>　　具體設置：</b></p><p>　　入口參數(shù)：需要延時的毫秒數(shù)&

93、lt;/p><p><b>　　參數(shù)使用：無</b></p><p>　　********************************/</p><p>　　void delay(uint yans)</p><p><b>　　{</b></p><p><b&g

94、t;　　uchar i;</b></p><p>　　while(yans--)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　for(i=0;i<125;i++)</p><p><b>　　{} </b></p><p><b&

95、gt;　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　/*******************************</p><p>　　函數(shù)名稱：T0_init()</p><p>　　函數(shù)功能：T0初始化,50ms延時</p><p><b>

96、;　　具體設置：</b></p><p><b>　　參數(shù)使用：無</b></p><p>　　********************************/</p><p>　　void T0_init(void)</p><p><b>　　{</b></p>&l

97、t;p><b>　　TR0=0; </b></p><p>　　TMOD=0x02; //定時器工作方式2，自動裝載。</p><p>　　TL0=0xFF-TH0_GAO;</p><p>　　TH0=0xFF-TH0_GAO;</p><p>　　TR0=1; //開始啟動定時器1</p>

98、<p><b>　　}</b></p><p>　　/*******************************</p><p>　　函數(shù)名稱：T0_int(void)</p><p>　　函數(shù)功能：定時器0中斷</p><p><b>　　具體設置：</b></p>&

99、lt;p><b>　　入口參數(shù)： </b></p><p><b>　　參數(shù)使用：</b></p><p>　　********************************/</p><p>　　void T0_int(void) interrupt 1 </p><p><b&g

100、t;　　{</b></p><p>　　PWM_change=!PWM_change; //腳的電平變換標志</p><p>　　if(PWM_change==1)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　TH0=0xFF-TH0_GAO;//為高電平時間，在下一個中斷里才更新TH0的值，

101、現(xiàn)在電平還是0 </p><p>　　PWM_pin=0; //腳的電平變換 </p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　else</b></p><p><b>　　{</b></p><p>　　TH0=0xFF-(2

102、00-TH0_GAO);</p><p>　　PWM_pin=1; //腳的電平變換 </p><p><b>　　}</b></p><p>　　//T0_init();</p><p><b>　　}</b></p><p>　　/***************

103、****************</p><p>　　函數(shù)名稱：key_chuli(void)</p><p><b>　　函數(shù)功能：按鍵處理</b></p><p><b>　　具體設置：</b></p><p><b>　　入口參數(shù)： </b></p><

104、;p><b>　　參數(shù)使用：</b></p><p>　　********************************/</p><p>　　void key_chuli(void)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　if(key_add==0)//“加”按鍵按

105、下</p><p><b>　　{</b></p><p>　　TH0_GAO=TH0_GAO+5;</p><p>　　if(TH0_GAO>=200)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　TH0_GAO=200;</p><

106、;p><b>　　}</b></p><p>　　while(key_add==0)</p><p><b>　　{}</b></p><p>　　delay(100);</p><p><b>　　}</b></p><p>　　if(key_j

107、ian==0)//“減”按鍵按下</p><p><b>　　{</b></p><p>　　TH0_GAO=TH0_GAO-5;</p><p>　　if(TH0_GAO<=40)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　TH0_GAO=40;&l

108、t;/p><p><b>　　}</b></p><p>　　while(key_jian==0)</p><p><b>　　{}</b></p><p>　　delay(100);</p><p><b>　　}</b></p><p

109、><b>　　}</b></p><p>　　void main()</p><p><b>　　{</b></p><p>　　PWM_pin=0; //開始時應該關閉輸出。</p><p>　　TH0_GAO=100; //100微秒</p><p><b&

110、gt;　　EA=1;</b></p><p>　　ET0=1;//允許T0中斷。</p><p>　　T0_init();</p><p><b>　　while(1)</b></p><p><b>　　{</b></p><p>　　key_chuli();&

111、lt;/p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　文獻</b></p><p>　　傳統(tǒng)上，交流電壓變換是通過變壓器的電磁感應實現(xiàn)的，隨著現(xiàn)代社會的發(fā)展，地球資源的逐漸枯竭，為了實現(xiàn)人類社會的可持續(xù)發(fā)展，傳統(tǒng)的采用大量銅

112、、鐵等貴金屬的變壓器將逐漸退出歷史舞臺，而由電力電子元件組成可調壓AC/AC變換器來代替，這種斬波式調壓電路具有高次諧波影響較小、功率因數(shù)高、動態(tài)影響快及具有寬的調壓范圍等優(yōu)點,適用于工礦企業(yè)大量使用的間歇性負載異步電動機拖動機械的節(jié)能運行,具有一定的推廣價值。</p><p>　　交流斬波調壓，一般有三種拓撲結構：</p><p>　　單管反串聯(lián)雙向電子開關斬控式交流調壓。用二極管和IG

113、BT分別構成雙向波開關和雙向續(xù)流開關，用二組電感和電容分別組成低通輸入、輸出濾波器。這種連接IGBT與二極管特性配合好，并可減小引線電感對換流的影響。該拓撲采用帶電流檢測的非互補控制方式，開關模式由電壓極性決定，避免了調壓中主開關和續(xù)流開關換相過程引起的共態(tài)運行，開關器件無換相過電壓。該拓撲在熱水器、靜電除塵器中、小功率阻性負載應用中有較大的優(yōu)勢。</p><p>　　雙開關斬控式交流調壓電路。這種拓撲結構中，斬

114、波開關和續(xù)流開關都是由四個獨立的單功率開關反并聯(lián)續(xù)流二極管構成，與單管反串聯(lián)雙向電子開關斬控式交流調壓電路有異曲同工之妙，但結構上更加清晰明了，目前有文獻報道它通過附加緩沖電路已應用在大功率場合。</p><p>　　單管雙向電子開關斬控式交流調壓電路。該拓撲為一種經濟型單管交流調壓電路，開關管對整流脈動輸出電壓進行斬波，從而達到調壓目的。這種結構簡單，無續(xù)流回路，且只有一路驅動信號。但這種電路只能用于阻性負載，

115、所需的濾波電容比較大，且要求電容能通過較大的交流電流。由于電容積分效應，電路動態(tài)響應變慢，故其適用于成本低、性能要求不高、容量較小的交流調壓中。</p><p>　　交流斬波調壓技術是一種新型的高性能的交流調壓技術，在中小交流調壓領域獲得廣泛應用。 為實現(xiàn)AC/AC電壓變換，過去曾經用雙向晶閘管的相控方法，來做恒頻下的降壓調節(jié)，由于晶閘管是半控元件，這樣的調節(jié)會造成很大的電壓畸變，產生諧波、消耗無功功率和功率因數(shù)

116、變差，近年來人們已廣泛利用全控型電力電子開關進行斬波控制來實現(xiàn)。</p><p>　　絕緣柵雙極型晶體管IGBT是由MOSFET和雙極型晶體管復合而成的一種器件，其輸入極為MOSFET，輸出極為PNP晶體管，因此，可以把其看作是MOS輸入的達林頓管。它融和了這兩種器件的優(yōu)點，既具有MOSFET器件驅動簡單和快速的優(yōu)點，又具有雙極型器件容量大的優(yōu)點，因而，在現(xiàn)代電力電子技術中得到了越來越廣泛的應用。 &

117、#160;  在中大功率的開關電源裝置中，IGBT由于其控制驅動電路簡單、工作頻率較高、容量較大的特點，已逐步取代晶閘管或GTO。但是在開關電源裝置中，由于它工作在高頻與高電壓、大電流的條件下，使得它容易損壞，另外，電源作為系統(tǒng)的前級，由于受電網波動、雷擊等原因的影響使得它所承受的應力更大，故IGBT的可靠性直接關系到電源的可靠性。因而，在選擇IGBT時除了要作降額考慮外，對IGBT的保護設計也是電源設計時需要重點考

118、慮的一個環(huán)節(jié)。</p><p>　　literature</p><p>　　Traditionally, the AC voltage transform realizes through the electromagnetic induction of the transformer. With the development of modern society, the earth

119、 resources exhausted gradually. In order to realize the sustainable development of the human society, traditional transformer which use plenty of copper, iron those precious metal will gradually exit the stage of history