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1、工程实用型交流斩波调压电路的研究摘要：交流斩波控制调压技术是一种新型高性能的交流调压技术,在中小交流调压领域获得广泛应用。本文通过对现有文献上出现的此类电路拓扑比较分析,指出它们各自优缺点、适用场合以及该技术发展方向。本文采用交流斩波电路，用AT89S52单片机为控制器，根据双向电力电子开关的特性，应用单片机技术对电力电子开关的通断时间进行控制，从而设计了一套交流调压装置。对装置硬件组成、调压原理及方法、系统软件等做了详细介绍。本装置采用汇编语言编程，实现了控制口稳定输出方波信号，经过调试装置最终可以看出主回路的电压变化。关键词：交流斩波，调压，单片机，电力电子开关IGBTAC choppin
2、g voltage regulation circuit researchAbstract： AC chopping voltage regulator is characterized of high performance,now being extensively applicable in small and medium voltage regulation. By comparison of the topologies have been Given in references, the paper gives their advantages and disadvantages
3、 , applying occasions respectively ,and developing trend of the technique.The device in exchange chopper circuit, with AT89S52 SCM for controller, according to double-way power electronic switch with the characteristics of SCM application of electronic technology to power the on-off switch to contro
4、l the timing, designed a device exchange regulator. The design is also responsible for hardware components, principle of voltage adjusting and system software. By programming by assembling language, the device can approach and guarantee the stable square wave output toward the controlling interface.
5、 The final aftermath resulted by debugging related device reflects the change of voltage on main circuit.Keywords：ac-chopper, voltage regulators, microcontroller ,electrical electronic switch 目录第一章 绪论11.1 选题的目的和意义11.2 交流斩波调压的发展趋势21.3本课题主要讨论的内容3第二章 交流斩波的调压原理42.1IGBT的原理42.1.1 IGBT的基本结构42.1.2 IGBT的工作原理
6、62.2 交流斩波的调压原理62.2.1 交流斩波调压的数学模型62.2.2 交流斩波调压的工作原理7第三章 交流斩波的电路设计93.1几种交流斩波调压方式93.2 典型的斩控式交流调压电路93.2.1单管反串联双向电子开关斩控式交流调压电路93.2.2双开关斩控式交流调压电路113.2.3单管双向电子开关斩控式交流调压电路123.3交流斩波调压电路的控制装置13第四章 交流斩波电路的仿真研究154.1仿真软件154.2交流斩波调压主回路154.3 单片机最小系统回路（控制回路）164.3.1 晶振回路164.3.2 复位电路164.3.3 方波输出及变周期电路174.3.4 单片机回路电路图
7、（控制回路）174.4光耦隔离184.4.1 概述184.4.2 工作原理194.4.3 光耦的主要优点194.4.4 光耦回路194.4.5 光耦回路的设计204.5 功率场效应管保护回路204.6 元器件选择与详细说明214.6.1 光电耦合器 TLP521-1214.6.2 快恢复二极管MUR460214.6.3 功率场效应管IRF84022第五章 交流斩波器软件的设计225.1程序设计225.2 程序调试255.3 仿真结果26结束语28致 谢29参考文献30附录一31附录二32 第一章 绪论1.1 选题的目的和意义 传统上，交流电压变换是通过变压器的电磁感应实现的，随着现代社会的发展
8、，地球资源的逐渐枯竭，为了实现人类社会的可持续发展，传统的采用大量铜、铁等贵金属的变压器将逐渐退出历史舞台，而由电力电子元件组成可调压AC/AC变换器来代替，这种斩波式调压电路具有高次谐波影响较小、功率因数高、动态影响快及具有宽的调压范围等优点,适用于工矿企业大量使用的间歇性负载异步电动机拖动机械的节能运行,具有一定的推广价值。 交流斩波调压技术作为一种高性能交流调压技术，符合电力电子技术的高频化、高效化以及低污染发展趋势，将逐步取代晶闸管相控交流调压，新器件的发展与成熟将加速这一进程，其在一些电动机调速工具有不可比拟的优越性。丰富的控制种类，多样的双向电子开关组合，为不同使用要求提供高性价比
9、产品，是一种经济型交流调压技术。与单位功率因数、串联电压源等高性能交流调压技术相比较,其开关应力及容量要求较大，为进一步提高开关变换效率，如何从系统综合角度考虑减小开关应力，降低开关损耗，减少驱动复杂性，提高变换效率是我们钻研设计的新方向。智能交流电力控制器可广泛用于工业各领域的电压调节，恒压恒流，恒功率调节，适用于电阻性负载、电感性负载、变压器和电机软起控制等。在当今时代，各行各业中拥有广泛的使用实例和前景，社会各生产行业都有不同等级的需求，尤其是自动化程度高的企业，根本离不开这种实用的技术装置。设计利用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术，任务是使自身熟悉各种电力电子器件的特性和使用方法
10、；掌握各种电力电子电路的结构、工作原理、控制方法、设计计算方法及实验技能；熟悉各种电力电子装置的应用范围及技术经济指标，对电力电子装置具有独立的设计和调试能力，从而设计出一款性能较好，价格实惠的交流电压控制装置。意义在于能够设计出一款适用范围广泛，操作简单方便，节省能源的交流调压装置。可以用来调节功率因数，也可以用来对电动机进行软启动，或者是最直观的自动调节照明装置得明亮程度，在当今建设节约型社会的大潮中做出自己一点小小得贡献。全控型电力电子器件的发展，新型的交流调压器斩控式交流调压器出现了，其输入输出都是交流电压，电力电子开关一般都为双向导电开关，利用它来作为整体设计的核心。1.2 交流斩波
11、调压的发展趋势 交流斩波调压，一般有三种拓扑结构：（1）单管反串联双向电子开关斩控式交流调压。用二极管和IGBT分别构成双向斩波开关和双向续流开关，用二组电感和电容分别组成低通输入、输出滤波器。这种连接IGBT与二极管特性配合好，并可减小引线电感对换流的影响。该拓扑采用带电流检测的非互补控制方式，开关模式由电压极性决定，避免了调压中主开关和续流开关换相过程引起的共态运行，开关器件无换相过电压。该拓扑在热水器、静电除尘器中、小功率阻性负载应用中有较大的优势。（2）双开关斩控式交流调压电路。这种拓扑结构中，斩波开关和续流开关都是由四个独立的单功率开关反并联续流二极管构成，与单管反串联双向电子开关斩
12、控式交流调压电路有异曲同工之妙，但结构上更加清晰明了，目前有文献报道它通过附加缓冲电路已应用在大功率场合。（3）单管双向电子开关斩控式交流调压电路。该拓扑为一种经济型单管交流调压电路，开关管对整流脉动输出电压进行斩波，从而达到调压目的。这种结构简单，无续流回路，且只有一路驱动信号。但这种电路只能用于阻性负载，所需的滤波电容比较大，且要求电容能通过较大的交流电流。由于电容积分效应，电路动态响应变慢，故其适用于成本低、性能要求不高、容量较小的交流调压中。1.3本课题主要讨论的内容现针对一种IGBT单相交流斩波调压电路进行理论分析与实验研究，主要研究四个方面的内容：一是交流斩波调压的主电路设计；二是
13、开关器件的驱动电路、缓冲电路、输入输出滤波器的设计；三是开关器件的驱动电路、缓冲电路、输入输出滤波器的设计以及该电路所对应的相关计算分析，包括电路的工作原理分析、器件参数计算。 第二章 交流斩波的调压原理2.1IGBT的原理2.1.1 IGBT的基本结构 绝缘栅双极晶体管（IGBT）本质上是一个场效应晶体管，只是在漏极和漏区之间多了一个P型层。根据国际电工委员会的文件建议，其各部分名称基本沿用场效应晶体管的相应命名。 IGBT的结构剖面图如图1-1所示，IGBT在结构上类似于MOSFET，其不同点在于IGBT是在N沟道功率MOSFET的N+基板（漏极）上增加了一个P+基板（IGBT的集电极），
14、形成PN结j1，并由此引出漏极、栅极和源极则完全与MOSFET相似。正是由于IGBT是在N沟道MOSFET的N+基板上加一层P+基板，形成了四层结构，由PNPNPN晶体管构成IGBT。但是，NPN晶体管和发射极由于铝电极短路，设计时尽可能使NPN不起作用。所以说，IGBT的基本工作与NPN晶体管无关，可以认为是将N沟道MOSFET作为输入极，PNP晶体管作为输出极的单向达林顿管。 图 2-1 IGBT的结构可以看出，IGBT相当于一个由MOSFET驱动的厚基区GTR，其简化等效电路如图1-2(b)所示。图中Rff是厚基区GTR的扩展电阻。IGBT是以GTR为主导件、MOSFET为驱动件的复合结
15、构。 若在IGBT的栅极和发射极之间加上驱动正电压，则MOSFET导通，这样PNP晶体管的集电极与基极之间成低阻状态而使得晶体管导通；若IGBT的栅极和发射极之间电压为0V，则MOSFET截止，切断PNP晶体管基极电流的供给，使得晶体管截止。IGBT的安全可靠与否主要由以下因素决定：IGBT栅极与发射极之间的电压；IGBT集电极与发射极之间的电压；流过IGBT集电极发射极的电流；IGBT的结温。 如果IGBT栅极与发射极之间的电压，即驱动电压过低，则IGBT不能稳定正常地工作，如果过高超过栅极发射极之间的耐压则IGBT可能永久性损坏；同样，如果加在IGBT集电极与发射极允许的电压超过集电极发射极之间的耐压，流过IGBT集电极发射极
