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1、频率、电压可调交流电源的设计频率、电压可调交流电源的设计张海军 陆吉银 钟犹洪（湖南 衡阳 南华大学421001）指导老师：王彦摘要文中介绍了可调交流电源的整体设计和单元电路。该设计选用电力电子器件IGBT和MOSFET来构成斩波、逆变电路。利用现场可编程逻辑器件（FPGA），通过编程产生脉宽调制（PWM ）和变频信号分别控制斩波和逆变电路，从而改变输出电压的幅值和频率。采 用先分模块测试后整体测试的方法对系统进行测试，经测试，输出电压的频率和电压幅值均可调节，完全达到了设计要求。关键词 斩波 逆变脉宽调制变频Design ofAlternatingCurrent Sourcewith fre
2、que ncy and voltage adjustableAbstractThe whole desig n and the un it circuit of alter nat ing curre nt source are in troduced inthis article. This desig n chooses electric power and electro nic apparatus IGBT and MOSFET to consist the wave cut and adverse conversion circuit. To control the wave cut
3、 and adverse conversion circuit, using FPGA to produce the signal of PWM and frequency conversion by program ming. As a result, the voltage and freque ncy of output can be adjusted. The way of test ing that is adopted in this article is testing the unit circuit first and the whole circuit later. The
4、 frequency and voltage of output is adjustable after testing. It satisfies the requirement of design completely.Keywords wave cut adverse conversion PWMfreque ncy conversion第#页共19页频率、电压可调交流电源的设计目 录设计任务和设计要求 3第1章系统设计 31. 1方案比较 31. 1.1斩波电路 31. 1.2逆变电路 31. 1.3控制部分 41. 2总体设计与论证 4第2章单元电路设计 52. 1整流滤波电路 52
5、.1.1电路的结构和原理 52.1.2参数的计算与选取 52. 2斩波变换电路 52.2.1电路的选择和原理 52.2.2电路参数的计算和选取 62. 3逆变电路 72. 4控制电路 82. 5电源电路 9第3章软件设计 9第4章系统测试 94. 1测试方法 94. 2测试仪器设备 104.3测试数据及结果 104.3.1斩波电路测试数据 104.3.2逆变电路测试数据 104.3.3总体电路测试数据 10第5章设计总结 115.1测试数据和测试结果的分析 115.2设计结论与总结 12参考文献 12附 录 13附录1程序清单 13附录2仪器设备清单 18附录3总电路图 19设计任务和设计要求
6、设计一个交流电源，具体要求如下：输入电压为220V交流电，输出信号的频率和电压幅值均可调节。 发挥部分要求如下：通过键盘预置一个电压值，输出预置的电压并显示出来。第1章系统设计1. 1方案比较1. 1 . 1斩波电路方案一：降压斩波变换电路， 该电路能产生一个低于直流输入电压的平均输出电压。它的主要用途是作为可调直流电源与直流电动机的转速控制。它的电路图如图1.1.1所示。D1N4007图1.1.1降压斩波变换电路图方案二：降压一升压变换电路， 该电路的输出电压可以高于或者低于输入电压，它主要用于特殊的可调直流电源，这种电源具有一个相对于输入电压公共端为负极性的输出电压。它的电路图如图1.1.
7、2所示。图1.1.2降压一升压变换电路图方案比较与结论：该设计要求输入220V的交流电，经整流滤波后变为100V的直流电,输出电压在0- 100V之间可调。根据设计要求，并结合斩波变换电路的特性，方案一和方 案二均能满足要求，但方案一的资源利用充分且合理，而方案二资源利用不足，因此选用方案一来设计斩波电路。1. 1 . 2逆变电路方案一：单相半桥逆变电路， 该电路由两个导电臂组成，每个臂包含一个可控元件和一个二极管。桥的两导电臂工作状态互补。方案二：单相全桥逆变电路， 该电路可看成是两个半桥电路的组合， 桥中各臂在控制信 号的作用下轮流导通， 电源电压为恒值，输出电压为交变方波电压。 它的输出
8、电压幅值比半 桥增加一倍。方案比较与结论：在具有相同的直流输入电压时，全桥式逆变电路的最大输出电压式半桥式逆变电路的两倍，也即对于相同的功率，输出电流与开关电流式半桥逆变电路的1/2，这在较大功率应用中可减少并联元件。因此，逆变电路选用方案二来实现。1. 1. 3控制部分本设计要实现输出电压的频率和电压幅值均可调节，关键在于控制部分，控制部分主要是产生PWM和变频信号。在产生 PWM和变频信号时可以有多种选择方案，常见的有用单 片机和FPGA/CPLD两种。方案一：用单片机来产生。用单片机产生PWM和变频信号主要是利用它的定时计数器 和中断系统，通过控制定时计数器的长短来改变输出脉冲信号的占空
9、比和频率。方案二：用FPGA产生控制信号。主要是利用分频器来改变输出信号的占空比和频率， 可通过外部按钮发出计数脉冲来改变分频预置数，实现外部动作来控制FPGA的输出信号。方案比较与结论：通过比较，两种方案设计均比较简单，容易实现。但是，单片机的 频率受到限制不能适应高频率的场合，而且受外部的干扰影响较大，而用FPGA能克服这些缺点，此外，用 FPGA操作起来也十分方便。因此，在控制部分的方案采用第二种方案。1. 2总体设计与论证总体设计的思路：从电网引进220V的交流电，经一个单相桥式整流以及电容滤波电路后得到100V的直流电。100V的直流电流进斩波电路，经斩波后得到一个电压幅值可调的 直
10、流电。斩波电路的开关器件选用IGBT , IGBT的驱动电路由集成化专用IGBT驱动器EXB841组成，EXB841的PWM驱动输入信号由FPGA或单片机提供。可调的直流电经逆 变电路后得到的就是所需的频率和电压幅值均可调的交流电。逆变电路采用全桥逆变电路， 桥中的桥臂由四个 MOSFET组成，MOSFET的驱动电路选用由 TOSHIBA生产的能驱动两 个MOSFET的TLP250 ,四个 MOSFET需两个TLP250。TLP250的输入信号由 FPGA或单 片机提供，FPGA或单片机产生的信号频率是可变化的，这样就能实现频率可调，因此，可 调的直流电经逆变电路后频率也可调。原理方框图如图1
11、.2.1所示。图1.2.1原理方框图第2章单元电路设计2.1整流滤波电路2.1.1电路的结构和原理整流电路采用单相桥式整流电路，电路由整流桥堆构成， 由于在本设计中整流滤波后要得到100V的直流电，因此，所选取的桥堆的耐压值要高一些。滤波电路采用简单的电容滤 波。整流滤波电路如图2.1.1所示。+220VD12 BRIDGE2Cioov390uF/450V-第#页共19页频率、电压可调交流电源的设计第#页共19页频率、电压可调交流电源的设计图2.1.1整流滤波电路图2.1.2参数的计算与选取为了安全、可靠，桥堆选取50A/600V的整流桥堆，滤波电容选取390UF/450V的电解电容。2 .2
12、斩波变换电路2.2.1电路的选择和原理斩波变换电路采用降压斩波变换电路，该电路将产生一个低于输入电压Ud的平均输出电压Uo。通过改变开关的占空比来改变输出电压的幅值大小。本设计中的占空比的改变主 要是利用FPGA来进行脉宽调制（PWM ），然后将调制后的 PWM信号输入到IGBT的驱动 电路，从而来控制IGBT，最终实现占空比的改变。图中的二极管为续流二极管，用来消除 电感储能对开关造成的不利影响，并采用由电感L与电容C组成的低通滤波器以尽可能降低输出电压的波动。它的电路图如图2.2.1所示。图2.2.1斩波变换电路图斩波变换电路中的开关器件 S选用绝缘栅极双极晶体管 IGBT(BUP304)
13、,它的驱动电路 采用集成化IGBT专用驱动器EXB841。EXB841的2脚接+20V电源，9脚接地，3脚驱动 输出，5脚为过流保护输出，6脚为集电极电压监视，14、15脚为驱动信号输入，4、7、8、 10、11脚不接。IGBT的驱动电路及保护电路如图 2.2.2所示。图2.2.2 IGBT的驱动电路及保护电路保护电路的工作原理如下：当过流保护输出脚5过流时，与 5脚相连的光电耦合器TLP521-1马上导通，与门的 2脚电平被拉低，从而关断PWM信号的输入，对IGBT形成保护作用。降压斩波变换电路的工作波形如图2.2.3所示。ton和toff的改变，输出电压 Uo也随着改变，但始终不会超过输入
14、电压UD。 Uo = DXU D , D在0到1之间连续变化。UoUdd1Uort ont off图2.2.3降压斩波变换电路的工作波形222电路参数的计算和选取(1) 斩波变换电路：L、C构成低通滤波电路，L的大小为100mH , C为330uF/400V 的电解电容，二极管主要是起续流作用，在此电路中选1N4007,它的耐压值为1000V，电 流为1A。(2) IGBT驱动及保护电路：IGBT的栅极所串接的电阻 R7在3.35 Q之间。根据资 料，当IGBT为1200V时该电阻应取 5 Q ,当IGBT为600V时该电阻应取 3.3 Q，而该设计 中所选的IGBT ( BUP304 )为1
15、000V，因此，为了 IGBT的正常稳定工作，电阻选取阻值在 3.35 Q之间的电阻。EXB841的第6脚所接的快恢复二极管选择EAR34 10,它的参数位 0.1A,1000V,0.15卩S。第5脚接一个光电耦合器 TLP521，根据资料，与 2脚相接的电阻为4.7K1/2W , 1脚和9脚、2脚和9脚之间的电容 C17、C18为47卩F,该电容并非滤波电容，而是用来吸收 输入电压波动的电容。C2和C3为滤波电容，它们的大小分别为220uF/50V、100uF/50V。根据资料，15脚的输入电流应为10mA，因此，当14脚接地时，输入的+15V电压经电阻 R5、R4和14、15脚之间的发光二极管到地。R6为上拉电阻，上拉电阻的大小一般要上K ,在这里选
